劉 蓉 廖佩詩(shī) 戴 昆 布振東 陳宏建

（青島賽普克有限元科技發(fā)展有限公司，山東 青島 266000）

0 前言

多體動(dòng)力學(xué)主要研究由多個(gè)柔性或者剛性部件相互連接組成的多體系統(tǒng)，通過(guò)建立機(jī)械運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)方程，模擬運(yùn)動(dòng)過(guò)程，計(jì)算各個(gè)部件的運(yùn)動(dòng)速度、加速度和載荷等數(shù)據(jù)。多體動(dòng)力學(xué)仿真二次開發(fā)是指通過(guò)軟件編程的手段，借助軟件內(nèi)部函數(shù)調(diào)用軟件的相關(guān)功能，提升多體動(dòng)力學(xué)的仿真效率。

該文研究對(duì)象為全球首制的超大型海上油田設(shè)施一體化拆解裝備中的位移補(bǔ)償系統(tǒng)，拆解裝備主要由2艘起重船和1艘半潛運(yùn)輸船組成，起重船上配備舉升系統(tǒng)及位移補(bǔ)償系統(tǒng)，具有橫向、縱向和垂向的補(bǔ)償能力，可滿足惡劣海況的作業(yè)環(huán)境需求。

補(bǔ)償系統(tǒng)由油缸、連桿以及托架等組成，油缸為補(bǔ)償系統(tǒng)提供驅(qū)動(dòng)力，連桿及托架具有托舉及位移補(bǔ)償功能。系統(tǒng)中油缸安裝點(diǎn)的位置、連桿長(zhǎng)度等參數(shù)直接影響油缸和鉸接點(diǎn)的載荷，因此需要使用多體動(dòng)力學(xué)軟件對(duì)各種不同參數(shù)的模型進(jìn)行計(jì)算并選擇最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。

由于變量較多，建模和仿真工作量大，因此該項(xiàng)目開發(fā)了一套位移補(bǔ)償系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析專用模塊，可實(shí)現(xiàn)快速補(bǔ)償系統(tǒng)參數(shù)化建模、邊界條件快速加載和批量后處理，大幅提高了位移補(bǔ)償系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)仿真效率，可以對(duì)多種設(shè)計(jì)方案進(jìn)行快速驗(yàn)證。

1 分析模塊介紹

位移補(bǔ)償系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析模塊可以用于對(duì)分析對(duì)象的快速建模、自動(dòng)仿真和后處理，包括連桿系統(tǒng)參數(shù)化建模、自動(dòng)生成運(yùn)動(dòng)副、自動(dòng)施加邊界條件、設(shè)定求解時(shí)間、設(shè)定時(shí)間步以及自動(dòng)輸出速度和力曲線等[1]。模塊分為三級(jí)：主菜單、子菜單和對(duì)話框。主菜單包括建模、仿真、后處理和模型刪除4個(gè)子菜單，進(jìn)入子菜單后又可單擊響應(yīng)按鈕彈出對(duì)話框，詳細(xì)地對(duì)各參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

1.1 主菜單

基于多體動(dòng)力學(xué)軟件建立1個(gè)Ship Toolkit分析模塊，該模塊包括4個(gè)主菜單，分別為Create Driving Shaft（模型創(chuàng)建）、Simulation（仿真計(jì)算）、Result（結(jié)果提取）和Delete（模型刪除）菜單。

模型創(chuàng)建菜單主要用來(lái)建立仿真模型，包括三維參數(shù)化建模，在模型中自動(dòng)施加約束條件和載荷。仿真計(jì)算菜單主要用于進(jìn)行計(jì)算相關(guān)的設(shè)置，包括設(shè)置計(jì)算時(shí)間、設(shè)置計(jì)算步以及重置計(jì)算后模型。結(jié)果提取菜單主要用于結(jié)果后處理操作，包括自動(dòng)生成速度、力曲線和報(bào)告。模型刪除菜單用于刪除已經(jīng)建立的仿真模型。

用戶按照要求，按照子模塊的順序依次進(jìn)行三維建模、施加邊界條件、仿真設(shè)置以及后處理操作，每個(gè)模塊后臺(tái)均包括腳本程序，可將用戶的操作自動(dòng)關(guān)聯(lián)到動(dòng)力學(xué)軟件函數(shù)庫(kù)，完成相關(guān)操作。

1.2 子菜單

Ship Toolkit分析模塊每個(gè)主菜單下面都有與其對(duì)應(yīng)的子菜單，例如模型創(chuàng)建主菜單下面有Bodies（模型實(shí)體創(chuàng)建）和Boundary Condition（邊界條件添加）子菜單。子菜單下有相應(yīng)的功能按鈕，例如邊界條件添加子菜單下面有Create Constraints（添加約束）、Create Motion（添加驅(qū)動(dòng)）以及Add Force（添加載荷）按鈕。通過(guò)單擊按鈕可在彈出的對(duì)話框中設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)。

其中Bodies（模型實(shí)體創(chuàng)建）按鈕可以建立補(bǔ)償系統(tǒng)中的所有實(shí)體模型，包括不同界面尺寸和長(zhǎng)度的舉升臂結(jié)果、油缸安裝點(diǎn)位置、缸體的直徑和長(zhǎng)度、活塞的直徑和長(zhǎng)度、三角支撐裝置的鉸接點(diǎn)位置以及連桿長(zhǎng)度等。Boundary Condition（邊界條件添加）按鈕可以對(duì)模型中的油缸施加速度驅(qū)動(dòng)，在舉升臂、三角支撐、連接板以及油缸之間自動(dòng)建立鉸接，并在托架位置自定義載荷的大小和方向。

1.3 對(duì)話框

通過(guò)多體動(dòng)力學(xué)軟件對(duì)話框編輯器創(chuàng)建和修改對(duì)話框，以更好地滿足用戶需求。創(chuàng)建自定義對(duì)話框后，通過(guò)單擊菜單上的按鈕就可以彈出用戶自定義對(duì)話框[2]，在其中輸入補(bǔ)償系統(tǒng)參數(shù)，單擊確定即可自動(dòng)生成相應(yīng)的模型。建模對(duì)話框如圖1所示，位移補(bǔ)償系統(tǒng)主驅(qū)動(dòng)液壓缸結(jié)構(gòu)參數(shù)化建模對(duì)話框如圖2所示，驅(qū)動(dòng)參數(shù)化對(duì)話框如圖3所示。在相應(yīng)參數(shù)輸入欄中鍵入不同參數(shù)，即可生成自定義幾何模型及其邊界條件。

圖1 建模對(duì)話框

圖2 結(jié)構(gòu)參數(shù)化建模對(duì)話框

圖3 驅(qū)動(dòng)參數(shù)化對(duì)話框

2 位移補(bǔ)償系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真

上文主要介紹了位移補(bǔ)償系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析模塊的功能，下面將介紹如何利用二次開發(fā)的位移補(bǔ)償系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析模塊，對(duì)不同結(jié)構(gòu)形式下的位移補(bǔ)償系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，幫助設(shè)計(jì)人員快速地進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)證。

2.1 分析對(duì)象介紹

如圖4所示為位移補(bǔ)償系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖，位移補(bǔ)償系統(tǒng)由主臂、連桿、可更換端部托架、Z向主舉升液壓缸以及主要承載三角杠桿組成。其中主舉升液壓缸為系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)提供驅(qū)動(dòng)力，通過(guò)連桿和三角杠桿組成的連桿機(jī)構(gòu)將動(dòng)力傳遞至托架，實(shí)現(xiàn)對(duì)拆解平臺(tái)的托舉及位移補(bǔ)償。

圖4 位移補(bǔ)償系統(tǒng)分析模型

2.2 參數(shù)化建模

參數(shù)化建模首先需要設(shè)置幾何模型的各特征變量及變量之間的相互關(guān)系，通過(guò)生成的變量直接建立模型，并且修改參數(shù)后可自動(dòng)生成模型，無(wú)須進(jìn)行手動(dòng)建模，在設(shè)計(jì)階段可進(jìn)行多參數(shù)快速建模。

位移補(bǔ)償系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析模塊通過(guò)集成的參數(shù)化腳本調(diào)用軟件函數(shù)庫(kù)，自動(dòng)驅(qū)動(dòng)仿真軟件運(yùn)行?？杀苊庖恍┲貜?fù)或復(fù)雜的工作，縮短建立模型的時(shí)間，大大提高了工作的效率[3]。

以下是利用位移補(bǔ)償系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析模塊建立的位移補(bǔ)償系統(tǒng)三維模型：位移補(bǔ)償系統(tǒng)三角杠桿的初始位置水平，三角杠桿和液壓缸缸體在主臂上安裝點(diǎn)的水平距離為DX_tt=11000 mm。其虛擬樣機(jī)模型，如圖5所示。其中，油缸安裝點(diǎn)的位置不同，傳遞到托架上的載荷也不同，需要根據(jù)多輪計(jì)算確定最優(yōu)位置，因此將安裝點(diǎn)位置設(shè)定為變量。

圖5 參數(shù)化建模生成的位移補(bǔ)償系統(tǒng)三維模型

2.3 分析工況介紹

如圖6所示，位移補(bǔ)償系統(tǒng)托架補(bǔ)償位移為豎直方向±2.5 m，該仿真模擬托架由水平向下2.5 m的位置上升至水平向上2.5 m的過(guò)程。其中位移補(bǔ)償系統(tǒng)仿真模型中的可變參數(shù)如下：1） 液壓缸安裝點(diǎn)與三角杠桿安裝點(diǎn)之間的距離DX_tt。2） 液壓缸前后鉸點(diǎn)的距離Ls。

圖6 位移補(bǔ)償系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)化圖

設(shè)定液壓缸活塞運(yùn)動(dòng)速度Velocity=50 mm/s，通過(guò)設(shè)定不同的DX_tt及Ls數(shù)值進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證不同的油缸安裝位置對(duì)動(dòng)力學(xué)性能的影響，計(jì)算工況見表1。

表1 分析工況列表

2.3 分析結(jié)果

對(duì)表1提到的6種不同油缸安裝點(diǎn)的模型進(jìn)行分析，分別對(duì)比不同安裝位置對(duì)油缸載荷和托架移動(dòng)速度的影響。圖7為Z向主驅(qū)動(dòng)液壓缸運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的載荷曲線圖，從計(jì)算結(jié)果可以看出，當(dāng)油缸安裝間距為Dx_tt=9000 mm時(shí)舉升同樣載荷下油缸受到的載荷最小，隨著安裝點(diǎn)距離的增加，油缸受到的載荷也會(huì)增加。圖 8為可更換的端部托架的補(bǔ)償速度曲線圖，從計(jì)算結(jié)果可以看出，托架由最低點(diǎn)向最高點(diǎn)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，托架速度呈非線性變化的趨勢(shì)。油缸安裝點(diǎn)位置不同，托架的速度特性也不同。

圖7 各工況下液壓缸載荷曲線

圖8 各工況下托架舉升速度曲線

3 結(jié)語(yǔ)

該文介紹了超大型海上油田設(shè)施一體化拆解裝備位移補(bǔ)償系統(tǒng)多體動(dòng)力學(xué)分析模塊的開發(fā)過(guò)程，并以該模塊為基礎(chǔ)進(jìn)行多參數(shù)下位移補(bǔ)償系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真分析。

該分析模塊與傳統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)分析軟件相比，該模塊通過(guò)參數(shù)輸入的方式自動(dòng)建模和仿真，可大大提升建模和仿真的效率。同時(shí)，通過(guò)批處理程序進(jìn)行多工況計(jì)算，可降低重復(fù)操作操作出錯(cuò)的概率。仿真完成后可以自動(dòng)提取和保存結(jié)果，避免了重復(fù)性勞動(dòng)和復(fù)雜的軟件操作。

該文應(yīng)用位移補(bǔ)償系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析模塊輸入?yún)?shù)的方式，自動(dòng)建立不同油缸安裝點(diǎn)的多體動(dòng)力學(xué)模型，并自動(dòng)對(duì)邊界條件進(jìn)行設(shè)置、求解和后處理，清晰地表達(dá)了油缸安裝點(diǎn)對(duì)托架運(yùn)動(dòng)速度和油缸載荷的影響，可幫助設(shè)計(jì)人員快速地對(duì)各種設(shè)計(jì)變量進(jìn)行驗(yàn)證。