曹 翱 溫家璽 宋 超 劉豐豪

（長(zhǎng)安大學(xué) 工程機(jī)械學(xué)院，西安 710064）

在機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真分析方面，常見(jiàn)的仿真分析軟件有ADAMS和ANSYS。一般來(lái)說(shuō)，ADAMS軟件主要是以剛性體為主要分析分析對(duì)象的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析軟件，ANSYS主要是以柔性體為主要分析對(duì)象的有限元分析軟件。在現(xiàn)實(shí)中，把機(jī)構(gòu)當(dāng)作剛性系統(tǒng)來(lái)處理，雖然大多數(shù)情況下可以滿足要求，但在一些需要考慮變形的特殊情況下，如果要更真實(shí)地模擬機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)性能，必須將模型的部分構(gòu)件做成可以產(chǎn)生變形的柔性體進(jìn)行分析[1]。

本文中的游梁是前置全液壓游梁式抽油機(jī)的關(guān)鍵部件，它的彈性變形將直接影響整機(jī)的仿真結(jié)果，所以，在對(duì)整機(jī)的運(yùn)動(dòng)仿真時(shí)，對(duì)游梁進(jìn)行柔性體替換顯得至關(guān)重要。本文通過(guò)ADAMS和ANSYS的聯(lián)合仿真，并采用soliderworks三維建模來(lái)彌補(bǔ)兩個(gè)軟件造型能力薄弱的缺點(diǎn)，建立該抽油機(jī)的剛?cè)狁詈夏Ｐ?，?duì)其進(jìn)行仿真分析。仿真結(jié)果驗(yàn)證了該分析方法的有效性。

1 Soliderworks、ADAMS與ANSYS聯(lián)合仿真流程

在工程實(shí)際中一般將三種軟件聯(lián)合起來(lái)運(yùn)用，三維模型在soliderworks中建立、裝配，并做干涉檢查；保存格式為.x_t文件，然后將模型傳送給ADAMS，在ADAMS中定義剛體、運(yùn)動(dòng)副、載荷，并完成其他仿真參數(shù)的設(shè)定，產(chǎn)生參數(shù)化的模型機(jī)構(gòu)模型，進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，再將三維模型零件倒入ANSYS定義材料，劃分網(wǎng)格，建立剛性連接區(qū)域，生成.mnf文件導(dǎo)入ADAMS中，再次進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，導(dǎo)出.lod至ANSYS中進(jìn)行有限元分析[2]。一般情況下，聯(lián)合設(shè)計(jì)流程如圖1所示。

2 運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真模型的建立

前置式全液壓游梁式抽油機(jī)是以前置式游梁抽油機(jī)為基礎(chǔ)模型，根據(jù)普通液壓抽油機(jī)的基本參數(shù)和機(jī)構(gòu)性能特點(diǎn)，將其二者進(jìn)行技術(shù)性結(jié)合，得到了具有新型節(jié)能、高智能化、高自動(dòng)化等特點(diǎn)的新型抽油機(jī)。圖2為前置式全液壓游梁式抽油機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖。

該抽油機(jī)的工作特點(diǎn)是由液壓泵驅(qū)動(dòng)液壓缸繼而經(jīng)游梁帶動(dòng)驢頭上下移動(dòng)，從而完成整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程。同時(shí)，由于省去了減速器傳動(dòng)系統(tǒng)，減小了抽油機(jī)尺寸，故結(jié)構(gòu)更緊[3]。在進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析時(shí)可簡(jiǎn)化抽油機(jī)模型為圖3。

圖1 三種軟件聯(lián)合仿真設(shè)計(jì)流程框圖

圖2 前置全液壓游梁式抽油機(jī)結(jié)構(gòu)圖

3 剛?cè)狁詈系膶?shí)現(xiàn)

3.1 剛性體模型的建立

運(yùn)用soliderworks軟件，將完成好的前置式全液壓游梁式抽油機(jī)三維模型保存為.x_t格式，并導(dǎo)入ADAMS中。為便于接下來(lái)的操作將各個(gè)零件重新命名，如表1所示。

圖3 前置全液壓游梁式抽油機(jī)簡(jiǎn)化三維模型

表1 各個(gè)零件重新命名

標(biāo)注后，抽油機(jī)剛性體模型如圖4所示。

圖4 抽油機(jī)剛性體模型

3.1.1 約束定義

在ADAMS中定義約束：首先定義Rigid1（底座）為接地部件，與大地鎖死固定。各剛體之間的約束關(guān)系如表2所示。

表2 各剛體之間的約束關(guān)系

3.1.2 定義運(yùn)動(dòng)副

前置式全液壓游梁式抽油機(jī)采取液壓驅(qū)動(dòng)，故在Rigid2和Rigid3之間的移動(dòng)副約束上定義一個(gè)運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)函數(shù)由抽油機(jī)的基本參數(shù)確定。由于該抽油機(jī)要求懸點(diǎn)額定載荷80kN，最大沖程為3m，沖刺為6min，故可在一個(gè)周期10s內(nèi)研究其運(yùn)動(dòng)特性，設(shè)置運(yùn)動(dòng)函數(shù)為step函數(shù)：

STEP(time,0,0,2,0.9)+STEP(time,3,0,7,-1.8)+STEP(time,8,0,10,0.9)。

3.1.3 載荷定義

抽油機(jī)所受的外載荷主要有自身的重力和懸點(diǎn)處所受的力等。重力直接在ADMAS中設(shè)置，并確定其重力加速度方向，懸點(diǎn)載荷通過(guò)數(shù)值模擬方式求出大小，以力的形式施加于驢頭上。

3.1.4 實(shí)施仿真

在ADAMS中進(jìn)行仿真，為直觀監(jiān)測(cè)抽油機(jī)的運(yùn)動(dòng)仿真過(guò)程，設(shè)置結(jié)束時(shí)間為10s，步長(zhǎng)為500，在懸點(diǎn)處建立位移、速度、加速度檢測(cè)，結(jié)果滿足抽油機(jī)的基本參數(shù)，如圖5所示。

圖5 剛性體的驢頭懸點(diǎn)處運(yùn)動(dòng)分析曲線

3.2 柔性體模型的建立

首先，將游梁零件導(dǎo)入ANSYS中，設(shè)置材料屬性并劃分網(wǎng)格，如圖6所示。由于游梁材料大部分采用結(jié)構(gòu)鋼，材料屬性定義如下，彈性模量：E=2.11e+11pa,泊松比：0.286，密度：7800kg/m3。

圖6 游梁零件有限元模型

其次，建立外部連接節(jié)點(diǎn)和剛性連接區(qū)域，如圖7所示，輸出mnf文件。

圖8 游梁零件剛性區(qū)域示意圖

最后，將零件柔性體化后對(duì)原零件進(jìn)行剛性體替換，進(jìn)行仿真，如圖9所示。

圖9 前置全液壓游梁式抽油機(jī)剛?cè)狁詈夏Ｐ?/p>

4 剛?cè)狁詈戏抡娼Y(jié)果分析

建立好剛?cè)狁詈夏Ｐ秃?，設(shè)置相關(guān)參數(shù)。在ADAMS軟件下對(duì)此機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，通過(guò)數(shù)據(jù)曲線來(lái)分析機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)性能，如圖10所示。測(cè)量結(jié)果顯示：剛?cè)狁詈夏Ｐ偷捏H頭懸點(diǎn)位移、速度曲線與剛性體模型大致相同。與剛性體模型不同的是，剛?cè)狁詈夏Ｐ偷捏H頭懸點(diǎn)加速度曲線變化幅值較明顯，且加速度最大值相對(duì)較大。同時(shí)，還可以看出考慮游梁的變形后在剛開(kāi)始階段由于突然加載，會(huì)產(chǎn)生一定的沖擊現(xiàn)象，在抽油機(jī)柔體系統(tǒng)中，沖擊產(chǎn)生的載荷波動(dòng)也會(huì)更大，對(duì)于抽油機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的狀態(tài)產(chǎn)生更明顯的影響，在設(shè)計(jì)抽油機(jī)機(jī)構(gòu)時(shí)一定要考慮部件的彈性變形對(duì)其運(yùn)動(dòng)的影響。

圖10 剛?cè)狁詈夏Ｐ偷捏H頭懸點(diǎn)處運(yùn)動(dòng)分析曲線

5 結(jié)語(yǔ)

本文將工程仿真中常用的soliderworks、ADAMS和ANSYS結(jié)合應(yīng)用，通過(guò)對(duì)前置全液壓游梁式抽油機(jī)的游梁柔性體替換，建立剛?cè)狁詈夏Ｐ停賹?duì)該模型根據(jù)真實(shí)工況進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，得到驢頭懸點(diǎn)處位移、速度和加速度曲線。該研究方法克服了各軟件單獨(dú)使用時(shí)的缺陷，更真實(shí)地反映了前置全液壓游梁式抽油機(jī)在實(shí)際工作時(shí)的運(yùn)動(dòng)情況。