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《機械工程與自動化雜志》2014年第二期

1柔性體理論及創(chuàng)建方法

多柔性體系統(tǒng)動力學是研究由可變形物體以及剛體所組成的系統(tǒng)在經歷大范圍空間運動時的動力學行為［3］。它在多剛體動力學理論基礎上，不僅考慮了各部件連接點處的阻尼與彈性等的影響，又進一步考慮到部件的變形，極大地提高了多體系統(tǒng)仿真的準確性。

1.1柔性體運動學方程在多柔性體系統(tǒng)動力學分析中，系統(tǒng)能量是一個非常重要的物理量。同時，在理論計算過程中，能量的時間歷程能否遵循保守系統(tǒng)能量守恒的原理保持常數(shù)，是考核計算結果正確與否的一個重要的指標。柔性體的動能可表示為。運用拉格朗日乘子法建立的多柔性體運動微分方程為：其中：K，M，D分別為模態(tài)剛度矩陣、質量矩陣和阻尼矩陣；Dξ•，Kξ分別為物體內部由于阻尼和彈性變形而引起的廣義力；ψ為全局坐標基相對于局部坐標基的角度；λ為有約束的拉格朗日乘子；Q為外力作用下的廣義力；fg為廣義重力。

1.2柔性體創(chuàng)建方法使用ADAMS軟件創(chuàng)建柔性體有3種方法［5］：①利用ADAMS中柔性梁的方法，即將模型中的某一個構件離散成許多段剛性單元，經過離散化的構件之間采用柔性梁的方式連接，然后為每一段離散件賦予不同的材料、顏色等屬性，指定柔性梁的參數(shù)，但這種方法僅限于外形簡單的構件時才能夠使用，而且離散連接的實質并不是建立了真正意義上的柔性體，只是剛性體與剛性體的柔性連接；②利用ADAMS中的AutoFlex模塊，在View模式下直接建立柔性體的模態(tài)中性文件，然后再利用該文件創(chuàng)建的柔性體代替原有剛性體實現(xiàn)柔性化處理，但自ADAMS軟件07版本以后，軟件已淡化了本身制作柔性體的功能；③先將剛性體模型導入到有限元軟件中，將其離散成細小的網格后，計算有限元模型的模態(tài)，最后將計算結果保存為MNF文件導入到ADAMS中建立柔性體。通過計算構件的固有頻率和對應的模態(tài)，按照模態(tài)理論，本文采用第3種方法建立柔性臂架，建立臂架系統(tǒng)剛柔耦合模型的流程見圖1。

2建立臂架剛柔耦合模型

2.1臂架三維模型本文選用自主研發(fā)的五節(jié)臂混凝土泵車臂架系統(tǒng)作為研究對象，圖2為在Pro／E軟件中建立的臂架系統(tǒng)三維模型，其總體坐標系原點置于轉臺與大臂連接處的旋轉中心。

2.2臂架柔性化處理臂架的柔性模型是在剛性體模型上建立起來的。由于ADAMS軟件具備了自動識別功能，選定剛性體臂架，導入該臂架的柔性體后，軟件便可直接進行相的替換，施加在原有剛性體上的運動約束、驅動約束及負載都會自動轉移至柔性體上對應的外連節(jié)點位置處。由于柔性體是由剛性體創(chuàng)建而來，因此，原有剛性模型的尺寸、圖標、顏色和初始速度等特征仍會保留［6］。相對于臂架變形，油缸系統(tǒng)彈性變形忽略不計，在每節(jié)臂架都替換成柔性體后，便創(chuàng)建了整個臂架系統(tǒng)的剛柔耦合模型。圖3為臂架剛柔耦合模型在某施工工況中的仿真圖形。

3仿真分析

在確定整個模型運行無誤后，將仿真時間設定為50s，對臂架系統(tǒng)在五節(jié)臂水平外伸的最危險工況下進行5臂回收的過程模擬。在該過程中，測量5臂末端的縱、橫向位移和變幅油缸5的受力，并分別與同工況下臂架系統(tǒng)剛性模型作比較。臂架5末端點縱向位移見圖4，臂架5末端點橫向位移見圖5。從圖4、圖5中可以看出：雖然剛性臂架質心位移與柔性體位移在仿真運動中大致趨勢一致，但是剛體運動曲線變化非常平緩，不存在振動；剛柔耦合臂架模型仿真曲線不斷波動，出現(xiàn)了振動現(xiàn)象；兩種臂架模型在運動仿真的橫向位移上區(qū)別更為明顯，剛性臂架系統(tǒng)在運動過程中沒有橫向位移，但模型加入了柔性效應后，臂架出現(xiàn)了橫向變形，且柔性臂架5末端振動仿真是在中心線附近較為規(guī)律地上下跳動。由于實際泵車工作過程中臂架末端也會出現(xiàn)類似的振動情況，從一定程度上也驗證了仿真結果的正確性。圖6為油缸5受力曲線。由圖6可知，由于剛柔耦合模型中考慮了彈性變形，臂架系統(tǒng)動力學特性發(fā)生了質的改變，而這種改變顯然更符合實際情況。因此，在研究泵車各項特性時對臂架系統(tǒng)作柔性化處理是十分必要的。另外，通過對油缸5受力仿真分析可以發(fā)現(xiàn)，在臂架位姿變換時，油缸受到沖擊載荷的作用，且在某個瞬時時刻，柔性臂架上的沖擊載荷可能會大于同時刻時剛性體上的同步載荷，這在臂架系統(tǒng)的優(yōu)化設計時應該予以考慮。

4結論

本文將臂架三維模型導入到有限元軟件ANSYS中進行了模態(tài)分析后，將計算結果保存為MNF并讀入ADAMS軟件，創(chuàng)建了臂架系統(tǒng)的剛柔耦合模型；分別對臂架剛性模型和剛柔耦合模型做運動學和動力學仿真分析，通過對兩種模型仿真后的對比發(fā)現(xiàn)，剛柔耦合模型更貼近實際情況，采用該臂架系統(tǒng)模型能極大地提高仿真分析的準確性，為今后臂架系統(tǒng)設計和改良提供了一個新的思路。

作者：王瑋李紅張景揭琳鋒單位：揚州大學機械工程學院揚州中集通華專用車有限公司