黃加佳，石 川，劉石堅

（三一集團 湖南 長沙 410100）

建立泵車臂架柔性多體動力學模型的探討

黃加佳，石 川，劉石堅

（三一集團 湖南 長沙 410100）

泵車臂架作為多體非線性系統(tǒng)，剛體與柔體相結合加大了臂架運動軌跡和動力學相應求解的難度。對混凝土泵車臂架的柔性特征進行研究，應用多剛體系統(tǒng)動力學建立了泵車臂架仿真模型，對臂架柔性程度對仿真位移和實測值的影響進行研究，通過實驗得出：臂架柔性程度越高，仿真位移和實測值越接近。

泵車臂架；柔性模型；運動學；計算機仿真

1 引言

由于混凝土泵車臂架工作環(huán)境惡劣且具有多變性，許多問題無法通過實驗檢測解決，而且現(xiàn)場實驗需要付出高昂的成本，例如疲勞性檢測、振動檢測等。計算機虛擬技術能夠通過仿真實驗檢測泵車工作性能，降低產(chǎn)品設備研發(fā)周期和成本，在設計泵車臂架中起著重要的作用?；炷帘密囀墙ㄖこ讨惺褂米顬閺V泛的設備之一，能夠實現(xiàn)高距離和遠距離的混凝土的運輸。近年來高科技不斷發(fā)展，對于泵車泵送高度和距離提出了更高的要求，泵車下臂架的長度也在不斷的擴張，增加臂架的移動范圍，工作姿態(tài)也在頻繁發(fā)生變化，臂架的柔性對泵車的工作效率和使用壽命產(chǎn)生重要影響，因此必須對柔性特征引發(fā)的運動學變化加以研究[1]。

2 泵車臂架柔性多體動力學仿真模型建立

混凝土泵車是一個機構多，系統(tǒng)復雜的大型設備，對其進行建立動力學方程比較困難。目前對混凝土泵車動力學的研究方法一般是，將整個泵車看為一個多剛體系統(tǒng)，利用多剛體系統(tǒng)動力學進行建模。建模時將臂架各節(jié)和連桿看做不能產(chǎn)生形變的剛形體，建立動力學系統(tǒng)?；炷帘密嚤奂芎椭仁且唤M外表呈細長型，柔軟性能好的機構組合，以懸臂梁狀態(tài)進行作業(yè)，臂架在變形時產(chǎn)生柔性變化，與剛性運動相互藕合。混凝土泵車臂架多體動力學仿真模型是基于多體動力學分析法建立。多體動力學分析法將系統(tǒng)中的任何一個可變形體都利用參考坐標系和彈性坐標系標注上，坐標能夠有效確定出泵車在參考系中的位置和方向，彈性坐標系能判斷出物體的彈性形變量。除此之外，還要利用有限元離散法避免由于無限自由度造成的計算困難。通過計算機將多體泵車進行有限單元網(wǎng)格的劃分，將各個變形體的機械運動點連接起來，即為運動的軌跡，用非線性代數(shù)方程描述軌跡運行規(guī)律?；炷帘密囋诠ぷ鲿r，混凝土在泵車管道內(nèi)會不斷流動，并撞擊管壁，從而產(chǎn)生振動，這是一個極其復雜的過程，激勵源也多種多樣，因此在建模前，要利用諧波函數(shù)描述混凝土的撞擊過程。本文將柔性多體系統(tǒng)動力學建模法與泵車動力學結合分析，利用帶乘子的拉格朗日方程進行建模，建模過程如下：

在CAD軟件中創(chuàng)建混凝土泵車模型，利用中性文件將所創(chuàng)建的模型轉化成有限原始體摧型，利用計算機去除掉無用的剛體模態(tài)，然后生成具有模態(tài)信息的中性文件，即MNF文件，利用FLEX工具對中性文件中的信息進行處理檢測，從而得到具有柔軟性能的零件，設定柔性約束條件與邊界條件，最后對得到的仿真結果進行考察分析，輸出計算結果[2]。

2.1 泵車實體模型建立

利用三維實體軟件建立泵車模型，三維實體軟件具有極高的智能性，而且操作簡單，便于三維實體設計、加工制作等各項分析，三維模型可參數(shù)化設計性能能夠直接設計混凝土泵車臂架與支腿，且設計過程與實際產(chǎn)品生產(chǎn)過程一致，能夠直接反應出產(chǎn)品真實的外形特征，設計過程符合人們?nèi)粘５乃季S方式和習慣。混凝土泵車，尤其是臂架、支腿等部件主要通過鋼板焊接形成，焊接接口的部件選用面模型，銷軸、油缸、鑄造件等部件選用實體模型，底盤部件利用集中質量法表達。泵車實體模型建立的原則不是根據(jù)零件，而是根據(jù)功能建立，將泵車的焊接零件和運動零件劃分為一個部件，以達到最小程度減少裝配和分析過程的目的，泵車其它零部件通過拉伸、切除等建模手段創(chuàng)建[3]。

2.2 模態(tài)中性文件創(chuàng)建

在對泵車三維立體模型創(chuàng)建完畢之后，對臂架結構進行單元離散處理，從而形成模態(tài)中性文件，為多體動力學分析提供基礎。模態(tài)中性文件是柔性體動力學模型必須要使用的文件，利用ANSYS軟件，結合結構力學、溫度場、流體力學及力場耦合等知識，文件詳細記錄了泵車實體模型幾何信息，節(jié)點質量，節(jié)點形狀，模型質量，模型剛度。MNF文件在輸出之前，要對質量、最大負載量進行檢測，保證文件輸出的數(shù)據(jù)真實可靠[4]。

建立模態(tài)中性文件時，首先需要在計算機的二維實體軟件中將混凝土泵車的每一個零件都單獨提取出來，然后以Parasolid模型中性文件的形式輸出，通過ANSYS讀取模態(tài)中性文件的內(nèi)容，并對完成單元、實常數(shù)、材料、超單元等內(nèi)容進行定義，利用布爾操作使模型轉換成有限元模型；最后對泵車的質量、載荷等數(shù)據(jù)進行檢驗操作，從而確保模型中的數(shù)據(jù)準確有效。

2.3 柔性多體動力學模型創(chuàng)建

在構建了混凝土泵車模型，并創(chuàng)立了模態(tài)中性文件后，要對所創(chuàng)建的混凝土泵車多體動力學進行分析。多體動力學模型搭建原則：將剛度小，呈細長形態(tài)的構件作為柔性體部件，將剛性強度大的零件（油缸、底盤）劃分為剛性模型[3]。利用計算機中的FLEX工具對柔性體模型進行檢驗，通過ADAMS軟件將柔性體模型糅合到實體模型中，從而形成剛柔混合型實體模型[5]。

構件柔體多體動力學模型時，剛體模態(tài)可以在笛卡爾坐標系中自由運動，致使迭代算法無法正常運算，因此要將柔性體部件的剛體模態(tài)去除掉。若柔性多體模型外部形態(tài)較小，利用Fortran算法可以快速計算出結果，但是若是大型混凝土泵車，則需要使用C+算法處理多體動力學模型。混凝土泵車震動形式主要是臂架振動，因此要將泵車底盤和支腿等部分集中到一起進行處理。根據(jù)上述過程能夠建立出泵車臂架仿真模型，所建立的泵車模型如圖1所示。

圖1 泵車臂架仿真模型

圖 1 中，a01、a11、a12、a21、a22、a31、a32、a41、a42分別代表各個液壓缸的鉸接位置，A、B、C、D、E、F、G表示泵車模型的節(jié)點位置。缸1位回轉裝置的液壓缸，缸2、缸3和缸4為臂架結構的液壓缸，仿真模型運動時間為10s，步長為1000步。利用動力學模型臂架完成工作。

根據(jù)圖1可以確定各節(jié)臂架的結構，利用公式1可以得出臂架末端位置坐標：

公式（1）中，x為臂架橫坐標，y為臂架縱坐標，l1、l2、l3、l4分別為仿真模型中各個結構的臂架長度，θ1、θ2、θ3、θ4為各個臂架的運行角度，在得出臂架末端位置坐標后，可以利用圖1的幾何關系求出臂架角度和液壓缸的位移對應關系，如公式2所示。

根據(jù)公式2對應的位移關系，能夠找到最優(yōu)的控制目標，且位移偏差量較小，而且保證臂架末端從起點到澆筑點的旋轉角度最小。

3 仿真結果和實驗對比分析

3.1 實驗儀器

為了驗證泵車實體模型、剛柔混合型模型以及柔性多體動力學模型仿真結果的合理性，設計了實驗。實驗過程會用到的儀器有：三軸加速度傳感器、測試儀、應變片、臂架實物等。

3.2 實驗過程及結果

為驗證各節(jié)臂在柔性多體動力學模型中的貢獻大小，選取兩種完全相同的模型，在第一類模型中只對第一節(jié)臂加以柔化，在第二類模型中對第一節(jié)臂和第二節(jié)臂加以柔化，觀察這兩類模型震動對末端振動造成的影響并與實測值進行比較，仿真實驗結果如圖2所示。

圖2 柔性化對末端位移影響對比圖

分析圖1可知，剛體模型在運動后不會出現(xiàn)振動，運動位移為25mm，在第一類柔性多體動力學模型中臂架末端位移超過75mm，第二類柔性多體動力學模型臂架末端位移超過125mm，而在實際測量中模型臂架末端位移可以達到150mm，甚至更高。實驗證明：臂架柔性程度越高，仿真位移和實測值越接近。柔性臂架系統(tǒng)在不同測量點的位移、速度和加速度不同，臂架變化幅度不同，距離固定端越遠，幅度變化值越大。臂架運行過程受重力作用，隨著時間的推移，臂架振動頻率越來越小，最終趨于平衡狀態(tài)。

4 結語

計算機虛擬樣機技術在泵車臂架設計中起著重要作用，通過仿真實驗和分析可以得出以下結論：

（1）泵車臂架第一節(jié)臂對末端位移貢獻最大，第三、第四節(jié)臂對末端位移影響較??；

（2）運動過程受力最大的地點在第二、第三節(jié)臂交界處；

（3）臂架柔性程度越高，仿真位移和實測值越接近。

[1]劉杰，戴麗，趙麗娟，等.混凝土泵車臂架柔性多體動力學建模與仿真[J].機械工程學報，2007，43(11)：131-135.

[2]馮波，黃東勝，文珍.基于柔性多體動力學的混凝土泵車臂架仿真分析[J].裝備制造技術，2012(1)：16-18.

[3]趙波，王亞美，戴麗，等.橋梁綜合檢測作業(yè)車臂架柔性多體動力學的建模與仿真[J].中國工程機械學報，2009，7(2)：200-205.

[4]劉永紅，易小剛.混凝土泵車柔性多體動力學建模與分析[J].中國工程機械學報，2006，4(4)：397-402.

[5]張蕓，葉樺.基于ADAMS的柔性混凝土泵車臂架仿真研究[J].SoftwareEngineerings&sapplications，2013，02(6)：138-142.

TP319 【文獻標識碼】A 【文章編號】1009-5624（2018）01-0018-03

黃加佳（1983-），男，漢族，湖南省臨澧縣人，工程師，學士，研究方向：混凝土泵送設備及風電技術。