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(中船重工集團(tuán)公司第七〇四研究所，上海 200031)

升降鰭板儀器艙是科學(xué)考察船上的重要設(shè)備，用于安裝和投放各種探測儀器。鰭板在伸出船體不同深度受到的水流沖擊不同，這就要求鎖緊裝置具有自動識別鰭板載荷、并自動平衡這些載荷的功能。另外，鰭板儀器艙內(nèi)部探測設(shè)備有較高的振動噪聲要求，而鎖緊機(jī)構(gòu)作為保證其有效可靠鎖緊的裝置，是科考船上具有核心作用的裝備，因而對鎖緊裝置的性能提出了很高的要求。升降鰭板鎖緊機(jī)構(gòu)作為保證儀器艙快速有效地鎖緊在所需探測部位的裝置，其重要性不言而喻[1-2]。

升降鰭板鎖緊機(jī)構(gòu)由液壓缸運(yùn)動來驅(qū)動鎖緊機(jī)構(gòu)運(yùn)動從而推動鰭板以使其鎖緊，近年來，對于這類機(jī)械液壓相互作用的系統(tǒng)，利用計(jì)算機(jī)仿真軟件分別對其機(jī)械性能和液壓性能所進(jìn)行的研究有很多，但是將二者結(jié)合起來進(jìn)行分析的較少。前者往往導(dǎo)致工作機(jī)構(gòu)中的驅(qū)動力和液壓系統(tǒng)中的負(fù)載不能很好地給定，只能憑經(jīng)驗(yàn)給出，使研究結(jié)果存在一定偏差。

本文以多體系統(tǒng)動力分析仿真軟件ADAMS為核心，結(jié)合Pro/E中建立的三維模型、有限元分析軟件Nastran柔性化處理軟件對鎖緊系統(tǒng)ADAMS機(jī)械裝置建模、運(yùn)動學(xué)及動力學(xué)性能分析，并建立其剛?cè)峄旌夏Ｐ?，分析各個零部件柔性對整個系統(tǒng)的影響，確定貼近實(shí)際情況并利于計(jì)算的剛?cè)峄旌夏Ｐ汀Ｔ贏MESim建立液壓系統(tǒng)模型并驗(yàn)證其正確性的基礎(chǔ)上[3]，利用ADAMS和AMESim的軟件接口(ADAMS-AMESim Interface)進(jìn)行實(shí)時數(shù)據(jù)傳遞，然后在AMESim中通過工具插件(Import Adams model)加載后建成全系統(tǒng)仿真模型，全系統(tǒng)仿真流程見圖1。

圖1 全系統(tǒng)仿真流程

1 鎖緊系統(tǒng)動力學(xué)模型的建立

對鎖緊系統(tǒng)進(jìn)行機(jī)構(gòu)分析，首先利用Pro/E對其進(jìn)行三維數(shù)字化建模，再將其傳遞到ADAMS中進(jìn)行運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)分析。

1.1 三維實(shí)體模型

ADAMS中提供的繪圖工具不適合建立較復(fù)雜的三維模型，所以利用Pro/E建立鎖緊系統(tǒng)三維實(shí)體模型，見圖2，再將Pro/E模型轉(zhuǎn)換為Parasolid(*x_t)格式，然后通過ADAMS中的ADAMS/Exchange模塊導(dǎo)入到ADAMS。

圖2 鎖緊系統(tǒng)三維實(shí)體模型

1.2 動力學(xué)模型

將模型導(dǎo)入到ADAMS中后，要對其實(shí)體外觀、名稱、位置、質(zhì)量屬性、初始方位等進(jìn)行定義，并創(chuàng)建約束副、定義驅(qū)動并施加載荷，動力學(xué)模型見圖3(圖中隱去升降鰭板，后同)。

圖3 鎖緊系統(tǒng)動力學(xué)模型

1.3 剛?cè)峄旌夏Ｐ?/h3>

通過有限元分析軟件Nastran將關(guān)鍵零件剛性體離散成細(xì)小的網(wǎng)格，進(jìn)行模態(tài)分析，得到固有頻率及其振型，生成模態(tài)中性文件MNF(modal neutral file)，將其導(dǎo)入ADAMS多剛體系統(tǒng)模型中，從而實(shí)現(xiàn)剛性體的柔性化。最終建立一個更加貼近實(shí)際的剛?cè)峄旌夏Ｐ停妶D4。同時通過仿真及ADAMS/Durability模塊，可以得到基于精確動力學(xué)分析的部件應(yīng)力應(yīng)變結(jié)果[4]。

圖4 剛?cè)峄旌夏Ｐ?/p>

為了利用聯(lián)合仿真模型更加準(zhǔn)確地仿真實(shí)際鎖緊系統(tǒng)，對鎖緊系統(tǒng)的關(guān)鍵部件：銷軸和耳環(huán)進(jìn)行柔性化處理，經(jīng)過分析表明，銷軸對整個系統(tǒng)的影響更大，應(yīng)力云圖見圖5，因此最終的聯(lián)合仿真采用對連接楔塊及油缸的銷軸柔性化處理的剛?cè)峄旌夏Ｐ汀?/p>

圖5 銷軸和耳環(huán)應(yīng)力云圖

2 液壓系統(tǒng)仿真模型的建立

液壓仿真模型的建立是基于實(shí)際的液壓系統(tǒng)原理進(jìn)行的，原理圖見圖6，該系統(tǒng)的額定壓力為18 MPa，額定流量為26 L/min，油箱容積250 L。電機(jī)泵組互為備用，轉(zhuǎn)速為1 440 r/min，泵排量為18 mL/r，液壓油采用68號抗磨液壓油。

液壓系統(tǒng)仿真模型利用AMESim軟件完成，該軟件除能按照數(shù)學(xué)方程式建模外，還提供了按照面向原理圖進(jìn)行建模的方式，此種方式建立模型的優(yōu)點(diǎn)在于完全依照物理樣機(jī)的結(jié)構(gòu)或原理進(jìn)行建模，物理意義非常清晰，提高了工作效率。根據(jù)液壓原理圖，對其進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喕?，建立液壓系統(tǒng)仿真模型，見圖7。

3 聯(lián)合仿真

ADAMS與AMESim聯(lián)合的軟件環(huán)境，適用于大多數(shù)機(jī)液聯(lián)合仿真系統(tǒng)，通過利用ADAMS軟件在機(jī)械結(jié)構(gòu)動力學(xué)仿真方面有較強(qiáng)優(yōu)勢的和

圖6 鎖緊裝置液壓系統(tǒng)原理圖(單套)

1-恒壓變量泵；2-船用電機(jī)；3-切換閥；4-比例壓力閥；5-電磁溢流閥；6-壓力補(bǔ)償器；7-比例換向閥;8-電磁換向閥；9-鎖緊油缸；10-蓄能器及安全閥組；11-海水冷卻器；12-回油濾器

圖7 液壓系統(tǒng)仿真模型

AMESim軟件在液壓系統(tǒng)仿真分析方面有較強(qiáng)的優(yōu)勢，二者聯(lián)合仿真充分利用了各自仿真軟件的優(yōu)勢，解決了在單一軟件平臺建立復(fù)雜系統(tǒng)模型的困難，這樣大大提高了建模的效率，易于實(shí)現(xiàn)并可得到更真實(shí)準(zhǔn)確的仿真結(jié)果[5]。

3.1 聯(lián)合仿真模型建立

由鎖緊裝置ADAMS動力學(xué)模型向其液壓系統(tǒng)的AMEsim模型輸入液壓缸的受力狀態(tài)，同時由AMEsim模型向ADAMS動力學(xué)模型輸入液壓缸缸桿的運(yùn)動狀態(tài)，具體輸入輸出關(guān)系見圖8。在仿真過程中，確定輸入輸出關(guān)系，可以使機(jī)構(gòu)和液壓系統(tǒng)在任何時刻進(jìn)行同步實(shí)時傳遞。

圖8 機(jī)械液壓聯(lián)合仿真輸入輸出關(guān)系

建立接口模塊，在AMEsim中可直接將鎖緊機(jī)構(gòu)的機(jī)械模型作為一個可以忽略其內(nèi)部細(xì)節(jié)的普通模塊來使用，將模塊中的輸入輸出分別與AMEsim中的相關(guān)部件連接處相連，最終建立整個系統(tǒng)的聯(lián)合仿真模型見圖9。

圖9 全系統(tǒng)聯(lián)合仿真模型

3.2 仿真結(jié)果分析

設(shè)置仿真參數(shù)：仿真時間21 s，時間步長0.01 s，積分交換步長0.001 s，仿真模式為連續(xù)仿真模式，動畫模式為交互模式。

3.3 液壓系統(tǒng)仿真結(jié)果

圖10為活塞桿受力圖，圖11為位移速度變化曲線、圖12為流量變化曲線。

圖10 活塞桿受力

圖11 活塞桿位移、速度變化

圖12 鎖緊油缸兩腔流量變化

由圖10～12可見，楔塊在10.8 s時接觸到鰭板，接觸后由于外負(fù)載發(fā)生變化，導(dǎo)致液壓系統(tǒng)壓力變化，經(jīng)過自身調(diào)整在14 s時使得活塞桿速度恒定在14 mm/s附近。直至16 s時系統(tǒng)外負(fù)載再次微小變化，導(dǎo)致液壓系統(tǒng)再一次進(jìn)行調(diào)速，至17 s時液壓桿速度穩(wěn)定在14 mm/s附近，直至勻速將鰭板鎖緊至靜止?fàn)顟B(tài)。

3.4 升降鰭板運(yùn)動分析

要更加具體地分析該鎖緊系統(tǒng)的鎖緊性能，可通過ADAMS/postprocessor分析整個運(yùn)動過程相關(guān)參數(shù)的變化，圖13～17中實(shí)線為聯(lián)合仿真模型分析所得結(jié)果，虛線為剛?cè)峄旌蟿恿W(xué)模型分析所得結(jié)果。

圖13 上楔塊與鰭板間的接觸力在水平、垂直方向的分力

圖14 下楔塊與鰭板間的接觸力在水平、垂直方向的分力

圖15 油缸與活塞桿垂直方向位移對比

圖16 升降鰭板水平方向位移與速度對比

圖17 升降鰭板水平及垂直方向位移速度變化

由圖14～17可見，整個過程中由于考慮銷軸為柔性體的影響，上楔塊受力較為嚴(yán)重，9.98 s之前上楔塊勻速運(yùn)動，下楔塊基本保持靜止?fàn)顟B(tài)，接觸后上下楔塊在水平垂直向都有一個波動，且此時主要是下楔塊在垂向移動，最終在19.9 s時不再波動，并穩(wěn)定將鰭板鎖緊，證明了鎖緊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的可靠性，也給了設(shè)計(jì)人員很好的設(shè)計(jì)依據(jù)，即上楔塊以及上銷軸的強(qiáng)度應(yīng)該設(shè)計(jì)得更高。證明所建立的虛擬樣機(jī)模型與實(shí)際運(yùn)行情況相一致，驗(yàn)證了聯(lián)合仿真模型的正確性，為生產(chǎn)設(shè)計(jì)以及產(chǎn)品優(yōu)化分析提供了研究依據(jù)。

4 結(jié)論

全系統(tǒng)聯(lián)合仿真虛擬樣機(jī)模型，驗(yàn)證了該鎖緊機(jī)構(gòu)工作的可靠性，可以為產(chǎn)品設(shè)計(jì)生產(chǎn)提供依據(jù)，為物理樣機(jī)的實(shí)驗(yàn)提供更為準(zhǔn)確有效的數(shù)據(jù)參考，大大節(jié)省了設(shè)計(jì)時間和設(shè)計(jì)費(fèi)用。今后可在以下幾方面深入研究。

1)鎖緊系統(tǒng)故障仿真分析。

2)進(jìn)行虛擬樣機(jī)參數(shù)化分析和設(shè)計(jì)，對有關(guān)零部件的結(jié)構(gòu)尺寸采用優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，以尋求最佳設(shè)計(jì)。

3)液壓系統(tǒng)的測試分析工作，提高整個系統(tǒng)仿真的精確度。

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