王金剛于作鑫甄冬趙祥
文章編號:1000033X(2016)12010604
收稿日期:20160519
基金項目:天津市自然科學(xué)基金(14JCYBJC42100)
摘要:在養(yǎng)護車上料機構(gòu)設(shè)計階段對其進行運動仿真,利用ADAMS/Cable建立了道路養(yǎng)護車上料機構(gòu)的動力學(xué)模型。通過對工作部件的運動進行約束,解決了ADAMS中多體接觸時仿真容易失敗的問題,順利得到機構(gòu)工作部件的位移、速度、加速度和繩索受力的數(shù)據(jù),及其危險工況的發(fā)生時間,為進一步分析優(yōu)化該機構(gòu)的工作特性提供了基礎(chǔ),并且能提高上料機構(gòu)的設(shè)計效率。
關(guān)鍵詞:道路養(yǎng)護車;上料機構(gòu); ADAMS;多體接觸
中圖分類號:U415.52文獻標(biāo)志碼:B
Research on Simulation of Loading Mechanism on Road Maintenance Vehicle
WANG Jingang1, YU Zuoxin1, ZHEN Dong1, ZHAO Xiang2
(1. School of Mechanical Engineering, Hebei University of Technology, Tianjin 300130,China;
2. Tianjin Fire Research Institute of MPS, Tianjin 300381, China)
Abstract: During the design stage of the loading mechanism, the motion simulation was carried out, and a kinetic model of cable lifting was proposed based on ADAMS/Cable. The motion trajectory of the working parts were analyzed in the process of simulation, verifying the structural rationality of the mechanism. The simulation failure of multibody contact in ADAMS was solved by the constraints of the working parts movement. The displacement, speed, acceleration and cable force of the working parts were attained, which provided the basis for analyzing the work characteristics of the mechanism and improved the efficiency of loading mechanism design.
Key words: road maintenance vehicle; loading mechanism; ADAMS; multibody contact
0引言
瀝青道路養(yǎng)護車可對瀝青路面出現(xiàn)的坑槽、網(wǎng)紋、裂縫、油包等進行處理,以路面坑槽修補為主要作業(yè)內(nèi)容[16]。
養(yǎng)護車上料機構(gòu)的作用是將瀝青原料從車輛底部提升到料箱的入料口處。上料機構(gòu)在開始工作和突然結(jié)束工作時容易出現(xiàn)振動,尤其當(dāng)提升機裝載物料較多時,物料容易因振動散落丟失,造成浪費。振動沖擊還會使機構(gòu)的繩索產(chǎn)生疲勞,加大機構(gòu)中繩索與滑輪之間的摩擦,造成繩索疲勞破壞[7]。如果在設(shè)計階段就對上料機構(gòu)進行仿真,則可以通過仿真結(jié)果分析其結(jié)構(gòu)是否合理,從而避免上述情況發(fā)生。
繩索的動力學(xué)行為非常復(fù)雜,未施加預(yù)緊力的繩索會在流體中晃蕩,繩索與滑輪的彈性接觸、繩索的收放和纏繞以及與其他物體的接觸,都增加了柔索建模的困難,阻礙了精確模型的建立。關(guān)于柔性繩索的仿真研究早期常用數(shù)值建模,但是柔性繩索體的數(shù)學(xué)仿真模型難以精確、有效地建立。要足夠準(zhǔn)確地反映繩索的動力學(xué)特性,需編制的相應(yīng)計算程序規(guī)模很大,且難以保證較高的可靠性[8]。近年來,隨著商用軟件的發(fā)展,許多學(xué)者通過動力學(xué)軟件研究繩索的仿真問題。其中應(yīng)用廣泛的有丁振興等[9]通過運用CMD語言完成的鋼絲繩建模,該方法通過Bushing建立柔性繩索仿真模型,被稱為bushing法。該方法仿真精度較高,可模擬鋼絲繩起吊時與卷筒的纏繞及鋼絲繩的振動;但是其建模困難,且無法完成參數(shù)化建模和優(yōu)化[10],不具備通用性,不熟悉ADAMS二次開發(fā)的用戶很難使用。
本文利用ADAMS/Cable 成功創(chuàng)建上料機構(gòu)的動力學(xué)模型,并對其進行仿真分析,得到料箱的位移、速度、加速度和繩索應(yīng)力的相關(guān)數(shù)據(jù),能夠提高上料機構(gòu)的設(shè)計速度和質(zhì)量。
1ADAMS/Cable模塊
ADAMS/Cable柔性繩索建模仿真解決方案是MSC公司開發(fā)的集成在ADAMS中的模塊,其主要功能是滿足用戶對繩索類問題的快速建模與精確求解,模擬的對象包括各種鋼絲繩、傳送帶和膠片等傳動裝置,并且具有對各種滑輪機構(gòu)的建模功能。
在ADAMS/Cable模塊中繩索有2種建模方式可以選擇。
(1)簡化模型(coupler mode):忽略該模型繩索的質(zhì)量和慣性,繩索被認為是滑輪之間沿切線方向的具有剛度的虛擬體;繩索的速度由滑輪的角速度積分得到;繩索的張力通過繩索兩端的幾何變形計算得到;該繩索模型計算速度快,并且能準(zhǔn)確得到滑輪的載荷。
(2)離散模型(guide mode):繩索被離散成一段段的parts、joints和forces;將離散的繩索在幾何上表示為球體,利用廣義力進行柔性連接。軸套力的計算方程為
F=-KX-CX[DD(-20x][KG*3]·[DD)]+F0(1)
式中:F為模型受的力;F0為模型初始受力;K為模型剛度;C為模型阻尼;X為模型位移;X[DD(-20x][KG*3]·[DD)]為模型速度。
使用離散模型計算時,因為考慮到了繩索的質(zhì)量和慣性的影響,故能夠得到精確的繩索晃蕩姿態(tài),模擬出繩索和滑輪的相互接觸力,但是計算速度會變慢。
2上料機構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計
上料機構(gòu)的主要作用是為瀝青路面養(yǎng)護車的瀝青混合料攪拌箱裝載原料,液壓馬達帶動絞車為上料機構(gòu)的運動部件提供動力,使上料機構(gòu)完成上移和翻轉(zhuǎn)2個動作。為滿足上述要求,設(shè)計的上料機構(gòu)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示,其中為使上料機構(gòu)能完成翻轉(zhuǎn)動作,內(nèi)導(dǎo)軌和外導(dǎo)軌均有彎折部分。料箱滿載時150 kg,要求最終傾倒角度大于55° ,鋼絲繩直徑為9 mm,最小破斷拉力為313 kN。
3ADAMS 建模
將上料機構(gòu)在ADAMS view中建模,模型如圖2所示。定義料箱輪子和軌道之間為Impact接觸。定義錨固點、滑輪特性、繩索特性、絞車驅(qū)動函數(shù)為step(time,0,0,2,200)+step(time,10,0,12,-200)。繩索特性選擇coupler mode。進行仿真時的參數(shù)如表1所示。
3.1ADAMS軌跡分析及繩索與料箱連接點的確定
上料機構(gòu)的框架已經(jīng)基本確定,但繩索與料箱的連接點還未確定,繩索在料箱上的固定位置會對機構(gòu)的工作性能產(chǎn)生較大影響?,F(xiàn)選擇料箱3條棱中點的一處作為連接繩索的固定點,通過分析上料機構(gòu)工作過程中3個點的軌跡,獲得選擇不同固定點時機構(gòu)的工作狀態(tài),從而確定固定點的位置。
為得到3個備選點的軌跡,首先在上述3處分別添加mark點mark 1,mark 2和mark 3,然后給系統(tǒng)施加一個空間方向恒定向上的力,以便使料箱完成上料傾翻的動作。設(shè)置一個傳感器,sensor設(shè)置參數(shù)如表2所示。觸發(fā)條件為greater than or equal。
表2中的measureangle是測量函數(shù),用來描述料箱的傾斜角度。該傳感器的作用是當(dāng)料箱傾角不小于55° 時停止仿真。
當(dāng)仿真完成后,獲得3個mark點的軌跡trace 1,trace 2,trace 3,如圖3所示。發(fā)現(xiàn)只有尾端在定滑輪固定點的右側(cè),即繩索固定在mark 1時,料箱才能順利完成傾倒。
W=∫F·cos αds(2)
式中:W為繩子拉力所做的功;F為繩索的拉力;α為力與mark 1點位移的夾角;s為mark 1點位移。
由式(2)可知,α的值越小,繩索拉力對料箱的功分量越大,將料箱壓向?qū)к壍姆至烤蜁叫。瑱C構(gòu)工作效率就會越高,結(jié)構(gòu)受力越合理。在trace 1上均勻測量5個位置的α值,結(jié)果分別為:4.36° ,710° ,9.42° ,8.06° ,3.71° 。α的值已經(jīng)很小,因此選擇mark 1點作為固定點可以保證機構(gòu)的效率和良好的工況。
3.2料箱與導(dǎo)軌多接觸問題研究
ADAMS根據(jù)Hertz接觸理論,采用Impact函數(shù)提供的非線性等效彈簧阻尼模型作為接觸力的計算模型。該模型的接觸力由兩部分構(gòu)成:一是2個構(gòu)件之間相互切入而產(chǎn)生的彈性力;二是由相對速度產(chǎn)生的阻尼力。計算公式為
Fni=Kδei+CVi(3)
式中:Fni為法向接觸力(N);K為Hertz接觸剛度;δi為接觸點的法向穿深度;e為力指數(shù);C為阻尼系數(shù);Vi為相對速度。
由于該模型定義料箱輪子與導(dǎo)軌之間有多個Impact接觸,求解困難且容易發(fā)生錯誤。定義接觸后,求解速度變慢,經(jīng)過分析認為由于接觸力躍變太大而產(chǎn)生數(shù)值困難,使仿真出錯停止。通過分段仿真法可以避免這些失誤[11],即將仿真的整個時間分割成數(shù)個小時間段分別進行仿真,不斷調(diào)用save命令和reload命令以實現(xiàn)目的;但是該方法會得到許多結(jié)果文件,需要編寫相應(yīng)程序來完成對數(shù)據(jù)的整理,并且會增加仿真時長。
ADAMS的接觸力模型允許阻尼達到最大值后構(gòu)件之間的相互切入還可以繼續(xù)。如果可以控制切入量始終保持在合理的范圍內(nèi),法向接觸力的數(shù)值躍遷狀況就會得到改善,仿真失敗的問題就能得到解決。由于該機構(gòu)的軌跡是由軌道決定的,其運動軌跡可以準(zhǔn)確獲得。利用3.1中創(chuàng)建的mark 1和trace 1在connectors中建立一個point to curve約束來規(guī)范料箱的運動,使車輪的滲入量保持在一個合理的范圍,從而避免了接觸力的躍變過大,接觸參數(shù)如表3所示。
表3接觸參數(shù)設(shè)置
法向力剛度/(N·mm-1)貢獻指數(shù)穿透值
impact1.0×1052.30.1
仿真失敗時料箱輪子的接觸力時間圖像如圖4所示,接觸力曲線躍變嚴(yán)重,曲線峰值變化很大且無規(guī)律,最終到11 s時導(dǎo)致仿真失敗。規(guī)范料箱運動軌跡之后得到的相同時段內(nèi)的料箱輪子接觸力時間圖像如圖5所示,接觸力曲線比較平緩,沒有圖4中的躍變現(xiàn)象。
4結(jié)果分析
對調(diào)試好的模型進行仿真,得到料箱質(zhì)心處的位移、速度、加速度和繩索張力隨工作時間變化的圖像,如圖6~9所示。
在4.5 s前,位移、速度和繩索張力變化平緩,當(dāng)料箱開始傾斜即4.5 s處時,曲線的變化趨勢發(fā)生改變。圖6顯示料箱質(zhì)心位移隨工作時間變化平緩。從圖7可以看出,工作時間從4.5~6 s時料箱質(zhì)心速度變化比較大,這是由于料箱的空間運動形式從單純的平移變成平移加旋轉(zhuǎn),從而使得料箱質(zhì)心處速度開始變慢。如圖8所示,加速度的非周期震動由輪子與導(dǎo)軌的切入量變化引起,在實際工況中加速度變化會平緩許多。圖9中鋼絲繩受力最大值為1 700 N,產(chǎn)生在料箱即將反轉(zhuǎn)之前,在料箱完成傾翻動作之后鋼絲繩受力變小,這是因為料箱傾斜以后得到豎直方向的支持力,會使繩索受力減輕。
綜合以上數(shù)據(jù)及分析結(jié)果可知,上料機構(gòu)的危險工況是料箱在傾翻動作時發(fā)生的,此時的繩索受力最大,且應(yīng)力變化較快。為減小該工況的應(yīng)力及應(yīng)力變化速度,應(yīng)避免上料機構(gòu)產(chǎn)生嚴(yán)重的沖擊載荷,使導(dǎo)軌彎折更加平滑,從而使各上料機構(gòu)的工作更加平穩(wěn)。結(jié)合實際工作,這些數(shù)據(jù)還將為該機構(gòu)的進一步研究提供基礎(chǔ)。
5結(jié)語
本文利用ADAMS/Cable模塊實現(xiàn)繩索機構(gòu)的全參數(shù)化建模,效率高并且能得到準(zhǔn)確的仿真結(jié)果。在仿真過程中,通過對料箱運動軌跡的分析以及約束,驗證了選擇繩索固定點的正確性,并克服了ADAMS中多體接觸容易仿真失敗的問題,為此類仿真工作提出了新方法。通過對仿真數(shù)據(jù)的分析,驗證了該上料機構(gòu)的結(jié)構(gòu)滿足設(shè)計要求,且找到了該機構(gòu)的不足之處,并指明了改進方案。
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[責(zé)任編輯:黨卓鈺]