摘要：本文以某大型機(jī)械起豎裝置為研究對(duì)象，利用三維造型軟件Pro/Engineer對(duì)關(guān)鍵起豎部件進(jìn)行實(shí)體建模并在虛擬環(huán)境下裝配。借助Pro/E與ADAMS的接口模塊Mechanism/Pro，將三維實(shí)體模型傳輸?shù)紸DAMS環(huán)境，并添加載荷和驅(qū)動(dòng)生成虛擬樣機(jī)。通過(guò)定義接觸力和雙面碰撞力對(duì)托架和活塞桿限位，分析起豎動(dòng)力學(xué)過(guò)程并給出部分仿真結(jié)果，為該裝置的優(yōu)化控制提供了理論依據(jù)和實(shí)驗(yàn)參數(shù)，并為更加深入的有限元分析奠定了基礎(chǔ)。
關(guān)鍵詞：起豎裝置，三維建模，接觸力，動(dòng)力學(xué)仿真
中圖分類號(hào)：TP391.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A
Modeling and Simulation Study of Erecting Process of Large Equipment
Sun Qinghua1, Liu Xiuzhen2, Li Feng1
(1 The Second Artillery Engineering College, Shanxi Xi’an 710025; 2 Department of Civil Engineering, Xi’an Jiaotong University, Shan Xi, Xi’an 710049)
Abstract：In this paper, for the study of large erected mechanism, the models
of key erecting parts were done by Pro/Engineer and then were assembled into
prototype in virtual environment. Though the interface block-Mechanism/Pro, the 3-Demension model was transmitted to ADAMS, where the model detailed and loads
were appended. While the bracket and piston were set bounds by defining contact
force and double-side collision, the dynamic analysis of erecting process was done and some results
were stated, which provides the theoretic basis and experimental parameters for
optimize control and set a foundation for deeper study of finite element analysis.
Keywords： Erecting Equipment，3-Dimention Modeling，Contact Force，Dynamic Simulation
對(duì)于大型機(jī)械裝置的起豎過(guò)程，即由水平狀態(tài)到垂直狀態(tài)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，采用液壓驅(qū)動(dòng)方式是一種有效的方法，可以充分發(fā)揮液壓系統(tǒng)大行程、大推力的優(yōu)點(diǎn)。由于重載、大行程和安裝位置等方面的限制，液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)中通常選用二級(jí)或四級(jí)的多級(jí)活塞桿的液壓缸。但是，由于多級(jí)活塞桿伸出過(guò)程中的碰撞難以避免，容易在起豎過(guò)程中對(duì)負(fù)載產(chǎn)生過(guò)大沖擊。要在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成起豎過(guò)程并保證其運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，研究起豎過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性是十分必要的，特別是在對(duì)沖擊的限制有較高要求并力圖實(shí)現(xiàn)快速起豎的場(chǎng)合更是如此。
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷提高，仿真技術(shù)得以迅速的發(fā)展，不斷涌現(xiàn)出許多較為成功的仿真軟件，其中較為突出的要數(shù)美國(guó)MDI公司開(kāi)發(fā)的ADAMS機(jī)械系統(tǒng)自動(dòng)化動(dòng)力學(xué)仿真軟件。ADAMS本身提供實(shí)體造型功能，但是對(duì)于許多復(fù)雜的機(jī)械系統(tǒng)，零部件的幾何外形極不規(guī)則，此時(shí)用實(shí)體造型該功能進(jìn)行三維建模就顯得力不從心了，此時(shí)我們必須借助于其他一些專長(zhǎng)于三維建模功能的CAD軟件聯(lián)合起來(lái)建立機(jī)械系統(tǒng)的仿真模型，當(dāng)前在工程領(lǐng)域選用美國(guó)PTC公司的CAD軟件Pro/Engineer和ADAMS聯(lián)合進(jìn)行復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)仿真研究是一種較實(shí)用的仿真方案。
圖1給出了用Pro/E和ADAMS仿真的一般過(guò)程。
1 系統(tǒng)描述
大型裝置的機(jī)械起豎系統(tǒng)包括作為載體的車(chē)架、液壓系統(tǒng)及油缸、負(fù)載及承載負(fù)載的托架、負(fù)載鎖緊機(jī)構(gòu)等部分。本文以二級(jí)雙作用液壓油缸驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)負(fù)載為例，在理想約束的假設(shè)條件下，將負(fù)載、托架及鎖緊機(jī)構(gòu)作為一個(gè)剛體來(lái)統(tǒng)一考慮。油缸由一級(jí)活塞桿、二級(jí)活塞套筒和油缸外筒組成，作為三個(gè)獨(dú)立的剛體考慮。
靜態(tài)時(shí)，托架水平?？吭谲?chē)底盤(pán)的前端支撐體上，液壓油缸全部收回，此時(shí)靠支撐體支撐托架的絕大部分重量；在起豎過(guò)程中，由液壓油驅(qū)動(dòng)活塞桿伸出，二級(jí)活塞套筒完全伸出到位后，一級(jí)活塞桿繼續(xù)向前伸出，直至托架由水平狀態(tài)轉(zhuǎn)化為垂直狀態(tài)。 
2 模型建立
由圖1可見(jiàn)對(duì)機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行正確的建模對(duì)于后續(xù)的仿真研究起著決定性的作用，為保證模型順利轉(zhuǎn)化到ADAMS中，建模過(guò)程中應(yīng)特別注意以下幾點(diǎn)：1、對(duì)整體模型加以考慮。找出關(guān)鍵的點(diǎn)線面等特征，合理正確使用的參照，以盡量減少返回修改模型的次數(shù)，否則會(huì)造成極大的工作量；2、注意單位的設(shè)定。Part模塊下的零件和Assembly模塊下裝配模型，都要統(tǒng)一單位。使用Pro/E默認(rèn)的單位，即英寸磅秒制，可以順利傳送模型，但如按照?qǐng)D紙建模的話，使用較不方便。建議新建mmks單位制，可以順利傳遞模型，有滿足日常習(xí)慣。3、材質(zhì)的賦予。Pro/E可以簡(jiǎn)單的對(duì)模型賦予密度等材料特性，但轉(zhuǎn)換至ADAMS中進(jìn)行仿真時(shí)，有時(shí)仍會(huì)有警告，解決辦法是在ADAMS中利用其豐富的材料庫(kù)，對(duì)模型賦予材質(zhì)。
2.1 零件建模
機(jī)械起豎裝置主要分為三部分：車(chē)底盤(pán)、液壓缸和托架。其中液壓缸為二級(jí)液壓缸，應(yīng)分別建立各部分的模型。模型建立后，應(yīng)為每個(gè)零件指定顏色和材質(zhì)，否則模型缺乏真實(shí)感。
2.2 組件裝配
首先將沒(méi)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的零件通過(guò)完全約束裝配成子組件，然后將相互之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的零件、組件通過(guò)定義連接的方式進(jìn)行裝配。Pro/Engineer共提供了八種連接：剛體，銷釘，滑動(dòng)桿，圓柱，平面，球，焊接，軸承。由實(shí)際裝配要求，各部件的連接關(guān)系如表1所示。完成后的總體裝配圖如圖2所示。 
圖2 總體裝配圖
3 數(shù)據(jù)傳輸
Mechanism/Pro是連接Pro/E與ADAMS之間的橋梁。二者采用無(wú)縫連接的方式，使Pro/E用戶不必退出其應(yīng)用環(huán)境，就可以將裝配的總成根據(jù)其運(yùn)動(dòng)關(guān)系定義為機(jī)構(gòu)系統(tǒng)，進(jìn)行系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，并進(jìn)行干涉檢查、確定運(yùn)動(dòng)鎖止的位置、計(jì)算運(yùn)動(dòng)副的作用力。
由于將Pro/E中生成的模型轉(zhuǎn)換至ADAMS環(huán)境后，圖形的許多幾何特征要丟失，如圓變成了多面體、旋轉(zhuǎn)體的軸線也會(huì)丟失等，所以凡是能在Mechanism/Pro環(huán)境下添加的約束要盡量在Mechanism/Pro環(huán)境下借助完整的幾何特征添加，對(duì)于一些必須在ADAMS中添加的約束也要預(yù)先考慮在Mechanism/Pro環(huán)境下定義參考坐標(biāo)。
將沒(méi)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的零件定義為一個(gè)剛體，并在有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的剛體之間添加適當(dāng)約束，通過(guò)interface--ADAMS/View就可以完成圖形向ADAMS環(huán)境下的轉(zhuǎn)換。圖形的轉(zhuǎn)換精度，依據(jù)需要可設(shè)為0~10級(jí)不等，等級(jí)越高則幾何圖形外觀質(zhì)量越好。
4 仿真分析
模型傳入ADAMS后，在模型的約束副上添加驅(qū)動(dòng)，并且根據(jù)模型所受載荷的情況施加力或力矩。經(jīng)過(guò)ADAMS/Solver求解后，可以觀察模型的運(yùn)動(dòng)情況，檢查剛體之間的運(yùn)動(dòng)干涉，并且可以計(jì)算出剛體之間的作用力。
4.1 自由度分析
系統(tǒng)判斷對(duì)模型進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)或是動(dòng)力學(xué)仿真的標(biāo)準(zhǔn)是：通過(guò)計(jì)算系統(tǒng)中的剛體和約束副的類型和數(shù)量，計(jì)算系統(tǒng)的自由度。如果系統(tǒng)的自由度為0，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析；如果系統(tǒng)的自由度大于0，則對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真分析。
機(jī)械系統(tǒng)得自由度F可以用下式計(jì)算： 
式中 n——活動(dòng)構(gòu)件總數(shù)；
pi, m——第i個(gè)運(yùn)動(dòng)副的約束條件數(shù)，運(yùn)動(dòng)副總數(shù)；
qj, x——第j個(gè)原動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)約束條件數(shù)，運(yùn)動(dòng)及總數(shù)；
Rk——其它的約束條件數(shù)。
4.2 托架回轉(zhuǎn)限位
在起豎初始和回平末期，由于托架剛體重力力矩和速度慣性，托架會(huì)繞回轉(zhuǎn)軸向下回轉(zhuǎn)，必須在托架和車(chē)底盤(pán)前端支撐體添加接觸力來(lái)限位，以保證托架正常?？吭谥误w上。
接觸力是一種作用在構(gòu)件上的特殊力，當(dāng)兩個(gè)構(gòu)件相互接觸發(fā)生變形時(shí)，產(chǎn)生接觸力，力的大小與變形的程度和變形的速度有關(guān)；如果兩個(gè)構(gòu)件相互分開(kāi)不接觸，則接觸力為零。
ADAMS用時(shí)間函數(shù)IMPACT定義接觸力，其數(shù)學(xué)模型為： 
式中K(q)為剛度系數(shù)函數(shù)；q0為接觸時(shí)引發(fā)接觸力的臨界距離，q為兩接觸物體接觸點(diǎn)之間的實(shí)際距離。e為非線性指數(shù)，C(q)為阻尼系數(shù)函數(shù)。
4.3 活塞桿運(yùn)動(dòng)限位
油缸一二級(jí)活塞桿運(yùn)動(dòng)到極限位置換級(jí)時(shí)，由于速度慣性，互相必然發(fā)生碰撞，為避免剛體之間互相穿透，在油缸外筒與二級(jí)套筒、二級(jí)套筒與一級(jí)活塞桿之間定義雙面碰撞力。設(shè)兩缸體之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)的區(qū)間為[q1，q2]，則碰撞力大小為： 
5 結(jié)論 
圖3給出了一部分仿真結(jié)果。(a)反映了靜態(tài)時(shí)托架與支撐桿之間的接觸力；(b)圖中實(shí)線和虛線分別是二級(jí)活塞套筒和一級(jí)活塞桿作平移運(yùn)動(dòng)的速度曲線。由仿真結(jié)果可以看出，起豎過(guò)程中的沖擊主要產(chǎn)生于起豎開(kāi)始、活塞桿換級(jí)、系統(tǒng)急停等過(guò)程中，其中以各活塞桿伸出中的換級(jí)碰撞所帶來(lái)的沖擊最為嚴(yán)重。通過(guò)在起豎過(guò)程中對(duì)進(jìn)入起豎油缸正腔的液壓油流量，可以控制多級(jí)缸活塞桿伸出的速度；而在活塞桿換級(jí)時(shí)適當(dāng)降低液壓系統(tǒng)的流量，可以緩解活塞桿之間的碰撞所帶來(lái)的對(duì)負(fù)載的沖擊。
參考文獻(xiàn)
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作者簡(jiǎn)介：
孫慶華(1981~)，男(漢族)，碩士。研究方向：導(dǎo)彈武器發(fā)射系統(tǒng)仿真與自動(dòng)檢測(cè)。
