基于虛擬樣機技術(shù)的門式起重機動力學(xué)仿真分析

1、 基于虛擬樣機技術(shù)的門式起重機動力學(xué)仿真分析摘要造船起重機械設(shè)計多根據(jù)相關(guān)資料和經(jīng)驗公式采用常規(guī)的靜態(tài)設(shè)計,周期長,成本高,性能差。基于虛擬樣機技術(shù),本文利用Pro/Engineer 與ADAMS 聯(lián)合建模方法,建立了300t 造船門式起重機的三維實體模型,并將起重機模型導(dǎo)入ADAMS 軟件,對部件施加相應(yīng)的約束和載荷,最終建立起虛擬樣機。對虛擬樣機進行多剛體系統(tǒng)動力學(xué)仿真分析,實現(xiàn)了門式起重機在各種工況下運行狀態(tài)隨時間變化的過程,驗證了設(shè)計的正確性,預(yù)覽了產(chǎn)品性能,重現(xiàn)并分析了典型事故。仿真分析數(shù)據(jù)可用于估計和準(zhǔn)確推斷實際運行的各種數(shù)據(jù),為門式起重機結(jié)構(gòu)強度的動態(tài)分析和動態(tài)設(shè)計提供了依據(jù),為

2、設(shè)計經(jīng)濟、可靠、穩(wěn)定的高性能門式起重機提供了有力的工具和實現(xiàn)方法。關(guān)鍵詞門式起重機;建模;ADAMS 軟件;虛擬樣機;仿真中圖分類號TH210文獻標(biāo)識碼A 文章編號1000-7857(201002-0039-07胡曉光1,隋允康1,丁克勤2,宇慧平11.北京工業(yè)大學(xué)工程數(shù)值模擬中心,北京1001242.中國特種設(shè)備檢測研究院,北京100013Dynamic Simulation of Gantry Crane Based on Virtual Prototype Technology收稿日期:2009-10-16基金項目:“十一五”國家科技支撐計劃項目(2006BAK02B04-02-01;國

3、家自然科學(xué)基金項目(10872012;北京市自然科學(xué)基金項目(30933019;工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析國家重點實驗室基金項目(GZ0819;高等學(xué)校博士學(xué)科點專項科研基金項目(20060005010作者簡介:胡曉光,碩士研究生,研究方向為計算力學(xué)和多學(xué)科優(yōu)化,電子信箱:huxiaoguang_1985 ;隋允康(通信作者,中國科協(xié)所屬全國學(xué)會個人會員登記號:S030000050S ,教授,研究方向為結(jié)構(gòu)和多學(xué)科優(yōu)化,電子信箱:ysuiHU Xiaoguang 1,SUI Yunkang 1,DING Keqin 2,YU Huiping 11.Numerical Simulation Center

4、for Engineering,Beijing University of Technology,Beijing 100124,China2.China Special Equipment Inspection and Research Institute,Beijing 100013,ChinaAbstractThe design of shipbuilding gantry crane is mostly based on static methods,using statistics of similar products and empiricalformula,which often

5、 means a long cycle,high-cost and low-quality.In this paper,based on the technique of virtual prototype,a virtual prototype model of 300t shipbuilding gantry crane is established by integrating Pro/Engineer with ADAMS,that is,using the three -dimensional solid modeling software Pro/Engineer to estab

6、lish three-dimensional model of the system,then importing the model to ADAMS and adding corresponding constraints and loads on the components.With the virtual prototype,dynamic simulation of the multi -body system is carried out,including the running states of the mechanism under various working con

7、ditions.The simulation validates the design,shows the performance of production,reproduces typical accidents in true conditions and analyzes the causes of these accidents.Simulation results can be used to estimate parameters related with the gantry crane in actual running conditions,provide a refere

8、nce for the dynamic analysis of gantry crane's structural strength and dynamic design for economic,credible,stable and high-performance shipbuilding gantry crane.Keywords gantry crane;modeling;ADAMS software;virtual prototype technology;emulation研究論文(Articles 科技導(dǎo)報2010,28(239 0引言門式起重機具有起重量大、操作簡單、

9、起重靈活、可實現(xiàn)雙向移動等特點,被廣泛應(yīng)用于造船廠、露天料場、倉庫碼頭、車站、建筑工地等場所。造船業(yè)務(wù)迅速發(fā)展,決定造船起重機械發(fā)展趨勢:大型化、高速化、自動化、智能化,對設(shè)計和性能要求也越來越高:質(zhì)量輕、剛度好、工作空間大、工作速度快、作業(yè)效率高。由于門式起重機用途廣泛,受各種使用和安裝條件的影響,規(guī)格繁多,結(jié)構(gòu)復(fù)雜多樣,各構(gòu)件間關(guān)系復(fù)雜,產(chǎn)品具有較強的針對性,設(shè)計工作量重,采用傳統(tǒng)的手工設(shè)計方法已無法滿足需求。隨著計算機技術(shù)的不斷發(fā)展應(yīng)用以及CAD技術(shù)在工程各個領(lǐng)域的不斷滲透,起重機械的設(shè)計必然要與計算機相結(jié)合,應(yīng)用先進的計算方法和設(shè)計軟件,提高設(shè)計精度,縮短設(shè)計周期,降低設(shè)計成本,提高起

10、重機設(shè)計質(zhì)量。國內(nèi)外學(xué)者對起重機械的相關(guān)研究主要集中在對起重機械結(jié)構(gòu)局部或整體工作過程動作和受載情況的動態(tài)仿真。長期以來,起重機設(shè)計都是將動態(tài)問題簡化為靜態(tài)問題處理,一些國家和國際起重機協(xié)會的起重機設(shè)計規(guī)范均采用一個動載系數(shù)來考慮這種動力影響。雖然這樣可使問題簡單化,但其最大缺陷是不能較為準(zhǔn)確地反映起重機的實際工況和動態(tài)性能,導(dǎo)致分析和設(shè)計計算的不合理及不準(zhǔn)確性。國外學(xué)者對起重機起升過程的兩個階段(貨載離地前、后進行動力學(xué)分析,初步揭示了起重機結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)問題的實質(zhì)。Bpayue1系統(tǒng)地論述了起重機統(tǒng)計動力學(xué)的研究方法,以控制論為依據(jù)解決動力學(xué)問題,并提出概率設(shè)計方法。Delft工業(yè)大學(xué)1通過

11、分析橋式起重機建立了運動方程,并用有限元離散法建立的多自由度模型計算了橋架結(jié)構(gòu)的動力變形和起重機運行特性。Tanizumi Kazuya2運用狀態(tài)軌跡和Newton-Raphson方法確定的速度模式來研究起重機載荷的振蕩。日本長岡技術(shù)科學(xué)大學(xué)對裝卸機械的特點提出了機能設(shè)計的概念,機械的機能、構(gòu)造、方式等是設(shè)計技術(shù)的基礎(chǔ)。在進行機械系統(tǒng)設(shè)計時,由于機械系統(tǒng)是由許多裝置組成,所以只能在確定各裝置所必須的機能后,才能圓滿地設(shè)計這些機械裝置。對裝卸機械與所有工程機械進行動態(tài)設(shè)計能更好地滿足用戶的需要,由靜態(tài)設(shè)計向動態(tài)設(shè)計發(fā)展是一個必然趨勢,未來機械設(shè)計必以動態(tài)設(shè)計為主。不斷涌現(xiàn)出較為成功的以系統(tǒng)建模與

12、仿真技術(shù)為核心的商業(yè)軟件中,應(yīng)用最廣泛的是美國MDI公司的虛擬樣機技術(shù)商業(yè)軟件機械系統(tǒng)動力學(xué)分析軟件ADAMS。它集成了多體系統(tǒng)動力學(xué)理論成果和參數(shù)化的建模工具,可進行靜力學(xué)、運動學(xué)和動力學(xué)分析的求解器,功能強大的后處理模塊和可視化界面等,極大地提高了機械系統(tǒng)仿真的效率。然而這些軟件在建模方面還有很多不足,尤其是一些復(fù)雜機械系統(tǒng)零、部件的三維建模很難實現(xiàn),必須借助專業(yè)的CAD三維建模軟件,聯(lián)合建立機械系統(tǒng)的仿真模型3。當(dāng)前,選用美國PTC公司的Pro/Engineer(Pro/E和ADAMS聯(lián)合進行復(fù)雜機械系統(tǒng)的動力學(xué)仿真研究是一種較實用、較流行的仿真方案。應(yīng)用這種虛擬樣機技術(shù)可以建立任何系統(tǒng)

13、模型的動力學(xué)數(shù)字化虛擬樣機模型,并在此基礎(chǔ)上進行運動學(xué)、動力學(xué)分析和仿真,可在產(chǎn)品設(shè)計初期檢驗產(chǎn)品性能、減少產(chǎn)品缺陷、優(yōu)化設(shè)計、縮短研制周期、節(jié)約開發(fā)成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量。本文利用Pro/E和ADAMS建立造船門式起重機虛擬樣機,對若干工況進行虛擬試驗,收到良好的效果。1建立幾何模型采用Pro/E與ADAMS聯(lián)合建模的方法,利用Pro/E軟件對機械零部件進行三維實體建模、裝配;在裝配狀態(tài)下進入MECHANISM/Pro(MECH/Pro模塊,在該模塊下定義剛體,之后還可以根據(jù)需要創(chuàng)建Markers、Forces、Constraints等;完成模型后,生成aview.cmd文件,可以將該文件加載到

14、ADAMS/ Solver(ADAMS的求解器中直接進行動力學(xué)求解,也可以將該文件加載到ADAMS/View或其他專用模塊(如ADAMS/ Flex、ADAMS/Car、ADAMS/Engine等中,添加更復(fù)雜的約束副或驅(qū)動后,再用ADAMS/Solver進行仿真分析,相關(guān)流程如圖1所示。1.1用Pro/E三維建模軟件建立樣機的幾何模型完整的門式起重機幾何模型包括許多零部件,仿真分析建立完整的幾何模型既費時,也沒有必要。根據(jù)門式起重機結(jié)構(gòu)特點,對模型進行了合理簡化,模型由主梁、剛性支腿、柔性支腿、上小車、下小車、大車運行機構(gòu)等組成,如圖2所示。在導(dǎo)入ADAMS/View界面后,可根據(jù)具體情況合

15、理修改和補充其余零部件。圖1工作流程圖Fig.1Flowchart of the simulation研究論文(Articles 40科技導(dǎo)報2010,28(2 構(gòu)件名稱正面風(fēng)載荷風(fēng)力系數(shù)迎風(fēng)面積/m 2迎風(fēng)面積/m 2小車主梁支腿1支腿21.31.31.31.3 6.91100.313.9913.99 5.523.2713.0513.05風(fēng)力系數(shù)1.31.31.31.3側(cè)面風(fēng)載荷1.2Pro/E 模型與ADAMS 幾何模型轉(zhuǎn)換三維模型轉(zhuǎn)換為ADAMS 環(huán)境下的幾何模型通常有兩種方法:利用Pro/E 的MECH/Pro 接口程序?qū)階DAMS ;運用標(biāo)準(zhǔn)格式的圖形文件實行幾何模型轉(zhuǎn)換。經(jīng)過對比

16、研究發(fā)現(xiàn),采用MECH/Pro 無縫接口導(dǎo)入幾何模型,如圖3、圖4所示,可以減少模型轉(zhuǎn)換過程中幾何信息的丟失。2在ADAMS/View 下創(chuàng)建虛擬樣機建立能夠反映門式起重機真實情況的各種約束關(guān)系并施加合理的載荷和各種運動,是基于虛擬樣機的門式起重機虛擬仿真是否準(zhǔn)確可靠的關(guān)鍵所在,本文在大量試驗的基礎(chǔ)上,確定了模型各構(gòu)件間的約束關(guān)系、模型所受的風(fēng)載荷及模型的運動。2.1起重機虛擬樣機模型各構(gòu)件之間的約束關(guān)系剛性支腿上下兩端及地平梁為焊接,在樣機中簡化為固定連接;柔性腿上端與主梁之間為柔性鉸,簡化為球鉸;所有輪子與車體的連接、平衡梁與地平梁的銷釘,均簡化為旋轉(zhuǎn)副;大車通過8個車輪與軌道接觸,產(chǎn)生法

17、向接觸作用力和切向摩擦力。如果車輪與軌道脫離,則車輪與軌道間作用力為零,在車輪與軌道間施加接觸力約束,主動車輪按照指定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn),車體在車輪與軌道之間摩擦力的作用下行走,兩部起重小車車輪接觸同理;在大車軌道的端部設(shè)置有端部擋塊,用來防止大車制動失敗時駛出軌道,在緩沖器與擋塊之間添加接觸力約束,模擬大車與擋塊的撞擊,上下小車對應(yīng)的軌道端部擋塊同理;門式起重機通過卷筒來卷繞鋼絲繩,實現(xiàn)重物提升下降的動作,吊鉤所連接的吊物在提升過程中會產(chǎn)生擺動,本文采用球面副和平移副組合的方式,成功地實現(xiàn)重物的起降、擺動,較好地模擬了鋼絲繩4。2.2風(fēng)載荷分析根據(jù)起重機械設(shè)計規(guī)范,認為風(fēng)載荷是任意方向的水平力,風(fēng)載

18、荷可以按照下式計算:p w =C ·K h ·q ·S其中,p w 為作用在起重機或物品上的風(fēng)載荷,N ;C 為風(fēng)力系數(shù);K h 為風(fēng)壓高度變化系數(shù),值取1;q 為計算風(fēng)壓,N/m 2;S 為垂直于風(fēng)向的迎風(fēng)面積,m 2。本文僅分析正面和側(cè)面的風(fēng)載荷,其他方向的風(fēng)載荷視為正面和側(cè)面風(fēng)載荷組合,各部件的風(fēng)載荷計算如表1所示。2.3施加運動根據(jù)門式起重機的工作狀態(tài),結(jié)合ADAMS 編程,虛擬樣機可實現(xiàn)以下3個運動:兩個大車在主動輪的驅(qū)動下,前后行走;兩部起重小車在驅(qū)動輪的作用下沿各自的軌道行走,相互配合實現(xiàn)起吊重物的翻轉(zhuǎn);吊物在卷筒的拉動下起吊或下放。在ADAMS 軟

19、件中,常用ADAMS/View 的函數(shù)編輯器來創(chuàng)建、修改定義力(Force 、測量(Measure 與運動副轉(zhuǎn)動(Motion 的表達式、函數(shù)和子程序。函數(shù)編輯器主要有兩種類型的函數(shù):設(shè)計-時間函數(shù)(design-time 和運動-時間函數(shù)(run-time 5-6。具體函數(shù)根據(jù)不同工況具體設(shè)置。圖2幾何模型Fig.2Geometry model圖4轉(zhuǎn)換到ADAMS 中的模型Fig.4Model in ADAMS圖3在MECH/Pro 接口中的模型轉(zhuǎn)換(帶誗的選項必須執(zhí)行Fig.3Conversion operations for a model in MECH/Pro(The item fo

20、llowing 誗must be executed表1風(fēng)載荷計算參數(shù)Table 1Parameters of wind load研究論文(Articles 科技導(dǎo)報2010,28(241 圖6大車4個輪與軌道接觸力時間歷程曲線Fig.6Force-time curve for contact between four wheels and rail for a big car3門式起重機虛擬樣機仿真試驗與分析3.1工況1工況1為在大車行進方向有風(fēng)的環(huán)境下,兩個小車滿載,處于靜止?fàn)顟B(tài),并位于主梁的跨中部位。大車由額定速率9.29m/min 制動至靜止。大車輪施加的制動力較小,未能及時制動,撞擊到

21、軌道盡頭的擋塊。在此過程中,小車車輪與軌道的接觸力發(fā)生變化,如圖5所示(車輪對稱,只列出一側(cè)車輪的測量結(jié)果曲線。小車車輪1的垂直方向(Y 方向的最大反力為4.3199×106N ,小車車輪2的垂直方向的最大反力為4.3108×106N 。大車運行碰撞端部擋塊過程,大車車輪與軌道的接觸反力如圖6所示。碰撞時大車車輪與軌道間發(fā)生連續(xù)的跳躍碰撞,產(chǎn)生很大的沖擊力。碰撞前后大車車輪抬起高度的變化曲線如圖7所示。在發(fā)生碰撞的瞬間,大車后車輪抬起約2530mm ,但未傾覆。圖5小車車輪與軌道接觸力時間歷程曲線Fig.5Force-time curve for contact betwe

22、en two wheels and rail for a small car圖7大車4個輪抬起高度的時間歷程曲線Fig.7Elevation-time curve of four wheels of a big car研究論文(Articles 42科技導(dǎo)報2010,28(2 圖9大車4個輪與軌道接觸力時間歷程曲線Fig.9Force-time curve of contact between four wheels and rail for a big car圖8小車車輪與軌道接觸力時間歷程曲線Fig.8Force-time curve of contact between small wh

23、eels and rail for a small car圖7大車4個輪抬起高度的時間歷程曲線(續(xù)Fig.7Elevation-time curve of four wheels of a big car (continued3.2工況2工況2為大車行進方向側(cè)面有較大風(fēng),小車滿載靜止,大車以額定速率勻速前進。圖8給出了小車車輪接觸力變化曲線。由于風(fēng)載荷比較大,導(dǎo)致門式起重機結(jié)構(gòu)彈性變形的強烈反彈,致使小車與主梁之間產(chǎn)生很大的相互作用力。故應(yīng)避免大風(fēng)天氣。大車車輪與軌道的接觸反力如圖9所示?？梢钥闯?在來風(fēng)方向的大車車輪與軌道間的作用力較小一些。碰撞前后大車車輪抬起高度的變化曲線如圖10所示。大

24、車后車輪抬起較高,約120200mm 。但未傾覆。研究論文(Articles 科技導(dǎo)報2010,28(243研究論文（Articles ） 圖 10 大車 4 個輪抬起高度的時間歷程曲線 Fig. 10 Elevation-time curve of four wheels of a big car 以工況 2 為基礎(chǔ)建立新的啃軌可能性評價方法 常規(guī)啃軌評價方法是在起重機靜止情況下 ，對大車軌道 施工技術(shù)參數(shù)及起重機的安裝技術(shù)參數(shù)測量 ，通過測量偏差 與允許偏差范圍的比較 ， 對起重機的啃軌可能性做出評價。 這種方法與起重機的運行狀態(tài)脫離 ，不能解釋起重機在施工 和安裝技術(shù)參數(shù)許可偏差范圍內(nèi)運

25、行時仍發(fā)生啃軌情況。 實際工作中 ，小車不在跨中會引起吊重在兩側(cè)端梁上分 配不均勻。 小車靠近某一側(cè)端梁，該端梁上分配的壓力大，另 一側(cè)端梁上分配壓力小。 大車兩側(cè)車輪與軌道接觸的輪壓差 過大 ，引 起 兩 側(cè) 車 輪 滾 動 摩 阻 力 偶 不 等 ，導(dǎo) 致 兩 側(cè) 支 腿 不 同 步現(xiàn)象。 本文通過虛擬仿真 ，計算該工況下理論輪壓差值與 許可輪壓差值，判斷起重機在運行中出現(xiàn)啃軌的可能性。 測定該起重機大車車輪與運行軌道滾動摩擦系數(shù) ， 結(jié)合 起 重 機 滿 載 功 率 ， 可 知 大 車 兩 側(cè) 車 輪 的 輪 壓 差 值 F 3.3 410kN ，大 車 行 走 出 現(xiàn) 啃 軌 ，取 安

26、 全 系 數(shù) n=1.13 ，則 許 用 輪 壓 差值 F =350kN 。 虛擬仿真小車在 1/4 跨中橋架沿軌道方向平穩(wěn)運行，計算 大車兩側(cè)輪壓與軌道的接觸力時間歷程曲線，如圖 11 所示。 由圖 11 可知，起始時刻到 1.67s ，橋架為靜止到啟動的過 程 ；在 1.6712s 內(nèi) 為 起 重 機 平 穩(wěn) 運 行 過 程 ；在 1.67s 時 刻 ，橋 架由勻速運行轉(zhuǎn)化為平穩(wěn)運行 ， 受到吊重沖擊力的作用 ，大 車車輪對軌道產(chǎn)生沖擊力。 進一步考查橋架平穩(wěn)運行過程中 兩側(cè)輪壓最大差值，從而判斷出現(xiàn)啃軌的可能性。 1 ） 2 號、4 號車輪輪壓差值比較 t=9.5042s 時 刻 ，2

27、號 輪 輪 壓 峰 值 F2max =7.9309×105N ，4 號 輪 輪 壓 峰 值 F4max =2.9450 ×105N ， F 2,4 =F2max F4max =5.0859 × 圖 11 大車 4 個輪接觸力的時間歷程曲線 Fig. 11 Force-time curve of 4 wheels of big car and rail 44 科技導(dǎo)報 2010 ，28 （2 ） 研究論文（Articles ） 圖 11 大車 4 個輪接觸力的時間歷程曲線（續(xù)） Fig. 11 Force-time curve of contact between

28、four wheels and rail for a big car (continued 105N ， F 2,4 > F 。 5 及隨 時 間 的 變 化 過 程 進 行 仿 真 模 擬 ，輸 出 參 數(shù) 和 結(jié) 果 ，以 此 來估計和準(zhǔn)確推斷實際運行的各種數(shù)據(jù) ，并對起重機進行動 態(tài)分析和計算，為設(shè)計經(jīng)濟 、可靠、穩(wěn)定的高性能門式起重機 提供了有力的工具和實現(xiàn)方法。 參考文獻（References ） 1 Software MSC. MSC.ADAMS/View 高級培訓(xùn)教程 M. 邢 俊 文 , 陶 廖 忠 , 譯 . 北京 : 清華大學(xué)出版社 , 2004. t=9.551s

29、時刻，4 號輪輪壓峰值 F4max=6.9947×10 N ，2 號 輪 輪 壓 值 峰 值 F2max =4.2398 ×105N ， F 4,2 =F4max F2max =2.7549 × 105N ， F 4,2< F 。 2 ） 1 、3 號車輪輪壓差值比較 t=11.9019s 時刻，1 號輪輪 壓 峰 值 F1max=7.6553×105N ，3 號 輪 輪 壓 峰 值 F3max =4.0125 ×105N ， F 1,3 =F1max F3max =3.6428 × 105N ， F 1,3 > F 。

30、5 Software MSC. MSC.ADAMS/View advanced training tutorial M. Xing Junwen, Tao Liaozhong, trans. Beijing: Tsinghua University Press, 2004. 2 Kazuya T, Toshio Y, Junichi H. Modelling of dynamic behavior and control of truck cranes J. Transactions of the Japan Society of Mechanical Engineers C, 1995, 6

31、0(572: 1262-1269. 3 Masoud Z N, Nayfeh A H, Mook D T. Cargo pendulation reduction of ship-mounted cranesJ. Nonlinear Dynamics, 2004, 35(3: 299-311. 4 李軍 , 邢俊文 , 覃文潔 . ADAMS 實例教程 M. 北京 : 北京理工大 學(xué) 出 版社 , 2002: 139-150. t=11.9964s 時刻，3 號輪輪 壓 峰 值 F3max=4.9201×105N ，1 號 輪 輪 壓 峰 值 F1max =3.8025 ×10 N ， F 3,1 =F3max F1max =1.8751 × 10 N ， N 5 3,1 < F 。 由以上分析結(jié)果可以看出，在 9.5024 、11.9019s 時刻，兩側(cè) 輪壓差值超過許用輪壓差值，會出現(xiàn)啃軌情況。 此時，可采取 增加車輪方法，減輕輪壓差值，防止啃軌現(xiàn)象。 4 結(jié)論 在造船起重機的設(shè)計階段，建立虛擬樣機，進行虛擬仿真 Li Jun, Xing Junwen, Tan Wenjie. ADAMS ex