虛擬樣機(jī)技術(shù)在混凝土泵車中的應(yīng)用研究

摘要: 混凝土泵車是商品混凝土運(yùn)輸、澆筑施工的主要設(shè)備之一。本文以混凝土泵車為研究對(duì)象, 探討虛擬樣機(jī)技術(shù)應(yīng)用于大型機(jī)電產(chǎn)品研發(fā)的應(yīng)用模式。建立了混凝土泵車的虛擬樣機(jī)模型, 并進(jìn)行多體動(dòng)力學(xué)分析和有限元分析, 提出了混凝土泵車集成化虛擬設(shè)計(jì)解決方案。

關(guān)鍵詞: 虛擬樣機(jī) 多體動(dòng)力學(xué) 有限元分析 混凝土泵車

 

    混凝土泵車是集機(jī)械、液壓傳動(dòng)以及電子技術(shù)為一體的高科技產(chǎn)品, 涉及多學(xué)科交叉的領(lǐng)域。本文探討虛擬樣機(jī)理論在混凝土泵車研發(fā)中的應(yīng)用, 以提高對(duì)混凝土泵車的自主研發(fā)能力[1~7]。

 

    混凝土泵車是一種用于輸送和澆筑混凝土的施工設(shè)備, 它集混凝土泵和臂架系統(tǒng)為一體并安裝在汽車底盤上, 能一次連續(xù)地完成水平運(yùn)輸和垂直運(yùn)輸混凝土?；炷帘密嚪譃闃?biāo)準(zhǔn)底盤、分動(dòng)裝置和液壓泵、底座和支腿、料斗和泵送機(jī)構(gòu)、臂架系統(tǒng)、電控系統(tǒng)和遙控裝置等幾大部分, 如圖1 所示。

結(jié)合并行工程, 本文的研究技術(shù)體系如圖2 所示。

 

 

 

具體的解決方案分為四步:

( 1) 建立虛擬樣機(jī)的數(shù)字模型, 該模型為后續(xù)CAE 分析提供數(shù)據(jù)源, 并用于進(jìn)行裝配仿真;

 

( 2) 應(yīng)用ADAMS 軟件對(duì)虛擬樣機(jī)進(jìn)行多體動(dòng)力學(xué)分析, 得出機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)和受力關(guān)系;

 

( 3) 將上述結(jié)果輸入有限元分析中, 應(yīng)用ANSYS軟件進(jìn)行混凝土泵車的有限元分析, 得出機(jī)構(gòu)和各零件的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài);

 

( 4) 依據(jù)有限元分析結(jié)果進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì), 并將優(yōu)化結(jié)果重新進(jìn)行各種分析。

 

    產(chǎn)品虛擬設(shè)計(jì)是虛擬樣機(jī)的基礎(chǔ)工作, 它的重點(diǎn)是三維幾何模型的建立和裝配仿真, 同時(shí)為后續(xù)分析、優(yōu)化設(shè)計(jì)及各種設(shè)計(jì)仿真提供產(chǎn)品模型的數(shù)據(jù)源。使用Pro/E 軟件做出的混凝土泵車在最大水平輸送距離工作狀態(tài)的三維設(shè)計(jì)圖如圖3 所示。虛擬裝配是虛擬樣機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)之一, 它通過對(duì)產(chǎn)品裝配結(jié)果和裝配的過程進(jìn)行仿真分析, 輔助設(shè)計(jì)人員、管理人員等對(duì)產(chǎn)品的可裝配性做出預(yù)測(cè)、評(píng)價(jià)和驗(yàn)證, 從而做出正確的工程決策。虛擬裝配包括: 裝配工藝規(guī)劃、裝配性能分析、裝配過程驗(yàn)證等內(nèi)容。其目的是在產(chǎn)品設(shè)計(jì)初期就考慮優(yōu)化裝配結(jié)構(gòu)、改善可裝配性的根本途徑, 對(duì)降低裝配成本和產(chǎn)品總成本尤為重要。

 

 

具體實(shí)施步驟如下:

( 1) 利用標(biāo)準(zhǔn)工藝擬定一個(gè)裝配工藝, 規(guī)劃裝配順序和裝配路徑; (2) 利用與Pro/E 的專用接口程序?qū)a(chǎn)品的三維模型和工藝數(shù)據(jù)引入到每個(gè)裝配工序中, 以step 格式進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換; (3) 對(duì)每道工序加仿真行為定義細(xì)化高層工藝, 檢查工藝可行性; (4) 選擇要仿真的工序和工藝仿真命令進(jìn)行裝配工藝仿真, 生成仿真動(dòng)畫; (5) 仿真中加入碰撞檢查和裝配公差檢驗(yàn); (6) 最優(yōu)化裝配方案生成裝配工藝, 驗(yàn)證可裝配性。

 

    泵車臂架系統(tǒng)是泵車的關(guān)鍵部件, 也是本文的研究重點(diǎn)?；炷帘密嚤奂芟到y(tǒng)多體動(dòng)力學(xué)分析是在給定系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下, 求出各零部件的運(yùn)動(dòng)位置和受力狀態(tài)。首先, 將Pro/E 建立的幾何模型經(jīng)過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換傳輸給ADAMS, 建立分析模型。在建立模型的時(shí)候應(yīng)注意ADAMS 與Pro/E 在單位制上須保持一致。其次, 設(shè)置零件材料屬性。ADAMS 默認(rèn)所有材料為鋼材, 多種材料的機(jī)構(gòu)就需要修改模型材料和屬性。模型的材料和屬性可以在Pro/E 的輸出文件中得到, 將此文件內(nèi)容輸入ADAMS 即完成ADAMS 材料屬性設(shè)置。第三, 施加約束條件。泵車臂架系統(tǒng)在定義機(jī)構(gòu)的約束條件時(shí), 將臂架機(jī)構(gòu)每個(gè)鉸接部位定義為一個(gè)鉸約束, 每個(gè)液壓缸定義為一個(gè)移動(dòng)約束, 底座相對(duì)地面為轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)副。第四, 施加液壓缸運(yùn)動(dòng)方程, 建立多剛體系統(tǒng)模型, 按照各液壓缸運(yùn)動(dòng)速度協(xié)調(diào)關(guān)系, 編寫了液壓缸運(yùn)動(dòng)的函數(shù)關(guān)系式見表1。第五, 設(shè)置測(cè)量對(duì)象, 測(cè)量臂架轉(zhuǎn)角和液壓缸行程進(jìn)行仿真計(jì)算。最后, 繪制仿真結(jié)果。輸出ANSYS 載荷文件.log 供給后續(xù)CAE 分析, 輸出仿真優(yōu)化的設(shè)計(jì)參數(shù)供Pro/E 修改設(shè)計(jì)方案。仿真分析結(jié)果如圖4 所示, 圖4a 為泵車臂架從折疊狀態(tài)旋轉(zhuǎn)展開到設(shè)計(jì)的極限尺寸狀態(tài)的過程, 圖4b 為仿真分析結(jié)果, 左邊曲線縱坐標(biāo)為臂架轉(zhuǎn)角, 圖中4 條曲線從上至下分別是底座液壓缸、臂架Ⅰ液壓缸、臂架Ⅱ液壓缸、臂架Ⅲ液壓缸的轉(zhuǎn)角隨時(shí)間的變化過程, 橫坐標(biāo)為仿真時(shí)間; 右邊曲線縱坐標(biāo)為液壓缸行程, 圖中4 條曲線從上至下分別是底座液壓缸、臂架Ⅰ液壓缸、臂架Ⅱ液壓缸、臂架Ⅲ液壓缸的行程隨時(shí)間的變化過程, 橫坐標(biāo)為仿真時(shí)間。

 

 

    零件強(qiáng)度是否滿足工況要求, 必須由有限元分析來完成?；炷帘密嚤奂芟到y(tǒng)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜, 布料機(jī)構(gòu)包括1 個(gè)底座、4 個(gè)臂架、3 個(gè)連桿、3 個(gè)角桿、4 個(gè)液壓缸等部件, 還有混凝土管道和管道支架, 零件數(shù)目有幾千個(gè)之多, 因此有限元模型創(chuàng)建是個(gè)極其艱難的工作。單用ANSYS 軟件的建模功能不能滿足要求。研究中采用Pro/E 和ANSYS 復(fù)合建模的方法,共同完成建立有限元模型。用Pro/E 軟件創(chuàng)建臂架系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模型, 經(jīng)簡化用接口程序?qū)⒛Ｐ蛿?shù)據(jù)傳遞給ANSYS 軟件, 創(chuàng)建臂架系統(tǒng)有限元分析模型。以ANSYS 創(chuàng)建臂架系統(tǒng)的混凝土管道和管道支架的模型。為減少計(jì)算量, 臂架分析采用SOLID45 單元, 混凝土管道、管道支架可以簡化為由兩端支撐的簡支梁模型, 因此采用BEAM188 梁單元建模。對(duì)于臂架是使各鉸接接觸面上對(duì)應(yīng)點(diǎn)的自由度全部耦合。混凝土管道支架與臂架上的節(jié)點(diǎn)也采用耦合方式連接。

 

    混凝土泵車臂架系統(tǒng)的約束條件依照結(jié)構(gòu)裝配關(guān)系確定為底座接觸面全約束。我們?nèi)』炷帘密囎畲笫芰顩r———臂架系統(tǒng)的最大水平伸長工況為研究對(duì)象, 實(shí)際受力狀態(tài)為臂架系統(tǒng)承受布料管中混凝土的重力作用、混凝土臂架系統(tǒng)自身的重力以及最大風(fēng)載荷的側(cè)向作用力的組合作用, 本文是靜載荷分析, 不考慮系統(tǒng)振動(dòng)和由液壓缸換向沖擊對(duì)臂架系統(tǒng)的作用。分析結(jié)果如圖5 臂架變形情況所示。

 

    模態(tài)分析是動(dòng)力學(xué)分析過程中必不可少的步驟, 是其它諧響應(yīng)分析、瞬態(tài)動(dòng)力分析、譜分析的基礎(chǔ)。模態(tài)分析用于確定設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)或機(jī)器部件的振動(dòng)特性, 即結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型, 他們是承受動(dòng)態(tài)載荷結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重要參數(shù)。模態(tài)分析具體的解決方案分為四步: ⑴建模, 采用上述靜力分析模型和約束條件。⑵加載及求解, 指定分析類型為模態(tài)分析與設(shè)置分析選項(xiàng)中相應(yīng)參數(shù)及求解。⑶擴(kuò)展模態(tài), 指定模態(tài)擴(kuò)展選項(xiàng)參數(shù)和載荷部參數(shù)等。⑷結(jié)果后處理, 輸出固有頻率和已擴(kuò)展的振型。分析結(jié)果如圖6 所示。圖6a 第一階振型是固有頻率為0.894 34E-03Hz 的縱向一階彎曲振型; 圖6b 第二階振型是固有頻率為0.106 75E- 02Hz 的橫向一階彎曲振型; 圖6c 第三階振型是固有頻率為0.226 65E- 02Hz 的縱向二階彎曲振型; 圖6d 第四階振型是固有頻率為0.309 08E- 02Hz 的橫向二階彎曲振型; 圖6e 第五階振型是固有頻率為0.447 44E- 02Hz 的橫向二階扭轉(zhuǎn)振型。

 

    本文以混凝土泵車為研究對(duì)象, 進(jìn)行了虛擬樣機(jī)技術(shù)的應(yīng)用研究。研究中使用了三維CAD軟件Pro/E、多體動(dòng)力學(xué)分析軟件ADAMS、有限元分析軟件ANSYS,對(duì)混凝土泵車進(jìn)行了虛擬設(shè)計(jì)、裝配仿真、多體動(dòng)力學(xué)分析、有限元靜力學(xué)分析和動(dòng)力學(xué)分析, 分析結(jié)果表明: 這種集成化設(shè)計(jì)方法和研究的技術(shù)解決方案是可行的, 對(duì)于縮短產(chǎn)品研發(fā)周期效果明顯; 產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案合理, 具有良好的可裝配性; 最大應(yīng)力值滿足要求, 設(shè)計(jì)方案合理、安全可靠; 在混凝土泵車研發(fā)中使用的研究方法, 對(duì)于其它大型機(jī)、電、液一體化產(chǎn)品同樣也能取得很好的研究結(jié)果。隨著我國科技水平的不斷提高, 多學(xué)科集成化的設(shè)計(jì)理念將向更加廣度和深度方向發(fā)展。

 

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