（机械电子工程专业论文）基于虚拟样机技术的集装箱起重机动力仿真研究.pdf

；渔连皇塞堂亟土j 金塞基王虐越搓扭拄苤曲塞苤揎起重扭曲左垃皇班荭 摘要 虚拟样机技术是2 0 世纪8 0 年代随着计算机技术的发展而迅速发展起来的 一项计算机辅助工程技术。工程师们在计算机上建立样机模型，对模型进行各 种动态性能仿真分析，然后改进样机设计方案。用数字化形式试验代替传统的 实物样机试验。 本文以集装箱装卸桥为研究对象，运用虚拟样机技术探索动态设计理念在 大型起重机械上应用的技术路线。结合参数化建模，实现了基于可调速控制的 集装箱装卸桥刚柔耦合模型工况仿真。 研究主要由三个部分组成一一理论，建模，工况仿真与分析。 理论部分包括：虚拟样机技术理论；有限元法的基本理论；a d a m s 弹性体 动力学仿真求解原理；岸桥的吊重摆动系统的动力学模型等。 建模部分包括：运用s o l i d w o r k s 建立装卸桥三维模型；在a n s y s 中通过 a p d l 参数化语言，采用板梁耦合的形式对三维模型赋予物理属性，生成有限 元模型；a n s y s 与a d a m s 模型转换；在a d a m s 中运用m a c r o 语言建立离散 化柔性钢丝绳缠绕系统，添加约束与接触，生成装卸桥整机刚柔耦合系统。 工况仿真与分析部分包括：在a n s y s 中对整机进行模态分析；在a d a m s 中运用脚本仿真语言的对集装箱在前大梁最大前伸距处满载起升一一起升紧 停和满载起升加小车运行一一起升紧停一一小车运行紧停两种工况进行动力 学仿真与分析。 关键词：虚拟样机，集装箱装卸桥，参数化建模，模态分析，工况仿真 土渔盘蔓太堂亟迨塞基虐赵搓扭拉垄的塞苤煎起重扭动左笾真班荭 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n o l o g y ，a sac a et e c h n o l o g y ， v i r t u a lp r o t o t y p i n gt e c h n o l o g yh a sa l s od e v e l o p e dr a p i d l ys i n c et h e8 0 so f t h e2 0 t hc e n t u r y u s i n gv i r t u a lp r o t o t y p i n gm o d e lo nc o m p u t e r , e n g i n e e r s c a ns i m u l a t ev a r i o u sd y n a m i c sw o r k i n g p r o c e s sa n da n a l y z et h er e s u l t so f t h es i m u l a t i o n ，t h e ni m p r o v et h ev i r t u a lp r o t o t y p i n gm o d e lt om a k ei tm o r e r e a l i t y f i n a l l y , p e o p l e c a n r e p l a c et h e t r a d i t i o n a l p h y s i c a lp r o t o t y p e e x p e r i m e n tb ys i m u l a t i n gt h ev i r t u a lp r o t o t y p ed i g i t a lm o d e l t h i sp a p e ri st r y i n gt om a k eaw a yf o ri n t r o d u c i n gt h ed y n a m i cd e s i g n c o n c e p ti n t ol a r g e s i z e da n dc o m p l i c a t e ds t r u c t u r ed e s i g n i n go fc r a n e w i t h p a r a m e t e r i z e dm o d e l i n g ，t h i st h e s i s r e a l i z e st w ok i n d so f r i g i d f l e x i b l e c o u p l e dd y n a m i c sh o i s t i n gw o r k i n g - p r o c e s ss i m u l a t i o n so fas h o r ec o n t a i n e r c r a n eb a s e do nv a r i a b l es p e e dc o n t r 0 1 t h ep a p e ri sm a d eu po ft h r e ep a r t s t h e o r yi n t r o d u c i n g ，m o d e l i n g a n dw o r k i n g p r o c e s ss i m u l a t i o n t h e o r yi n t r o d u c i n gc o n s i s t so f ：v i r t u a lp r o t o t y p i n gt e c h n o l o g yt h e o r y ； f i n i t ee l e m e n tt e c h n i q u et h e o r y ；a d a m sf l e x i b l e b o d yd y n a m i c st h e o r y ； s h o r ec o n t a i n e rc r a n el o a ds w i n gd y n a m i cm o d e lt h e o r y v i r t u a lp r o t o t y p i n gm o d e l i n gc o n s i s t so f ：b u i l d i n ga3 - dm o d e lo fs h o r e c o n t a i n e rc r a n ei n s o l i d w o r k s ；m e s h i n gt h e3 dm o d e li na n s y sw i t h a p d l ；e x p o r t i n gt h ea n s y s sf i n i t ee l e m e n tm o d e lt oa d a m s ；b u i l d i n g d i s p e r s e ds t e e lr o p es y s t e mi na d a m sw i t hm a c r oa n dd e f i n ec o n s t r a i n t sa s w e l la sc o n t a c t so fr i g i d f l e x i b l ec o u p l e ds y s t e m w o r k i n g - p r o c e s ss i m u l a t i o n sc o n s i s t so f ：m o d a la n a l y s i so ft h ew h o l e s h o r ec o n t a i n e rc r a n em o d e li na n s y s ；s i m u l a t i o n sa b o u tt w ok i n d so f h o i s i n gw o r k i n g p r o c e s sa ts h o r ec o n t a i n e rc r a n e so u tr e a c hw i t hr a t i n g i o a di na d a m s 土攫攫璺厶堂亟垃奎 基王虐拯搓扭拉苤的塞苤箍趁重丑弛左篮墓班宜 k e y w o r d s ：v i r t u a lp r o t o t y p i n g ，s h o r ec o n t a i n e rc r a n e ，p a r a m e t e r i z e d m o d e l i n g ，m o d a la n a l y s i s ，w o r k i n g - p r o c e s ss i m u l a t i o n l i nl i ( m e c h a n i c a la n de l e c t r o n i c a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db ya s s o c i a t ep r o f e s s o rl i 垒凸g 鱼垒凸g 论文独创性声明 本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果a 论文中除了特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或者其他机构 已经发表或撰写过的研究成果。其他同志对本研究的启发和所做的贡献 均已在论文中作了明确的声明并表示了感谢。 作者签名：盎垂日期：垫2 。27 论文使用授权声明 本人同意上海海事大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校町以上网公布 论文的全部和部分内容，可以采用影印、缩印或者其它复制手段保存论 文。保密的沦文在解密后遵守此规定。 ；盘查皇丕堂鲤量：论塞基王虐越搓也基苤敛塞苤擅起重扭弛左伍墓班究 1 1 引言 第一章绪论 集装箱装卸桥( 也称岸桥) 是目前世界上用于货物装卸的主要机械设备。 随着集装箱运输量的增加，船舶的日益大型化，使得集装箱装卸桥不断地向大 型化、高速化、自动化的方向发展。这对其工作性能以及结构设计提出了很高 的要求，不仅要求岸桥重量轻、刚性好、作业空间大，而且希望小车和大车的 运行速度更快，作业效率更高。 同时，作为一种经常起动、制动和反复运动的机械，岸桥机构和结构承受 强烈的冲击振动。这种冲击振动产生的动载荷不仅在构件静强度计算中必须考 虑，而且对构件的疲劳强度也有不容忽视的影响o 。】。长期以来，在岸桥设计 中都是将这些动态载荷问题简化为静态问题处理。比如在我国，岸桥设计标准 采用的是1 1 的动力系数，在起升位置处最大载荷放大系数是2 0 ：而在f e m 中的相关标准中结构的动力响应系数是1 2 ，在起升位置处最大载荷放大系数 是1 6 一一以钢结构的有害系数形式出现1 8 。 虽然这样可使问题简单化，但其最大的缺陷是不能够较为准确地反映岸桥 的实际工况和动态性能，导致分析和设计计算不合理、不准确。同时，有些系 数过于保守，大量浪费资源；而有些系数又取得太小，给安全生产带来了隐患。 随着社会的发展、计算机技术和测试技术的突飞猛进，特别近一二十年来， 岸桥的动力学分析得到了很大的发展。这种矛盾的解决又变得比较现实起来。 主要表现在： 1 数值分析方法取得巨大进展，许多过去根本无法计算的复杂的结构动力学 问题现在大多能在计算机上得到解决。 2 数学模型建立的日臻完善，通过对实际结构或结构模型的试验研究以及采 用系统辨识、参数估计等理论结合试验的方法能使所建立的数学模型更符 合实际情况。 3 结构动力学分析已扩展至与周围介质的耦合分析，流体( 包括气体和液体) 与结构，土壤与结构的耦合分析已在工程中得到广泛的应用。 4 基于可靠性分析的结构动力优化设计和结构系统的主动控制等对提高工程 = 瀣盘壹盘堂亟论奎基王虐翅拄扭拉苤鲍塞苤箍起重扭动左笾慕班宜 结构的动力特性和经济性有重要作用的新方法、新技术的研究方兴未艾， 可望在不远的将来取得显著的成果。 近年来，国内外不少研究人员根据岸桥实际结构及受载特点，对岸桥结构 和机构的振动进行了大量的仿真计算和研究分析，并使动态仿真设计方法逐步 应用于岸桥的设计计算中1 9 。人们寄希望于通过这些计算和分析获得岸桥在实 际作业中自身结构动态响应的某种规律。然而，岸桥结构复杂且受计算机性能 的限制，很难完整、精确地将它所有力学属性表述出来，这也是设计人员碰到 的一大难题。 随着虚拟样机技术的迅速发展以及计算机计算能力的大幅度提升，这些困 难正在逐步得到解决。不少国内外学者已基于虚拟样机技术对岸桥结构进行了 动态特性分析和工况动力学仿真，得出一些有益的结果。 本文正是这些研究的继承和补充。 1 2 虚拟样机技术 原型或样机( p r o t o t y p e ) 开发最初产生于那些大批量生产的工程领域“。原 型开发，就是在生产过程中，首先建立或设计一个能反映最终产品所有预定性 能的模型( 原型或样机) ，通过对原型的实验、分析和评价，以指导进一步的优 化设计和开发生产，从而达到缩短研制周期，降低开发成本，提高生产效率的 目的。 虚拟样机( v i r t u a lp r o t o t y p i n g ，简称v p ) 技术是一种崭新的产品开发方法， 它是一种基于产品的计算机仿真模型的数字化设计方法。在物理样机生产出来 之前，它利用虚拟样机代替物理样机对产品进行创新设计、测试和评估。虚拟 样机技术是基于先进的建模技术、多领域的仿真技术、交互式用户界面技术和 虚拟现实技术的综合应用技术。 机械系统虚拟样机( m e c h a n i c a ls y s t e mv i r t u a lp o r t o t y p i n g ) 技术，是基于虚 拟样机的机械系统仿真技术，其核心是多体系统运动学和动力学建模理论及其 技术实现。是指在机械系统设计开发过程中，在制造的一台物理样机生产出来 之前，首先利用计算机技术建立该机械系统( 产品) 的三维数字化模型( 即虚 拟样机) ；对其进行静力学、运动学和动力学分析，较好地仿真该机械系统的 运动过程，以预测机械系统的整体性能；以迅速地分析、比较并改进系统的设 2 土鲞盘重盍堂亟监塞基王虐担搓拯拉垄酸塞夔箍型重熟弛应佐县班荭 计方案，提高产品的性能，最大限度地减少对物理样机的试验次数。 同传统的基于物理样机的设计方法相比，虚拟样机设计方法具有以下特 点： ( 1 ) 全新的研发模式。传统的研发方法从设计到生产是一个串行过程，这 种方法存在很多的弊端。而虚拟样机技术真正地实现了系统角度的产品优化， 它基于并行工程，使产品的概念设计阶段就可以迅速地分析、比较多种设计方 案，确定影响性能的敏感参数，并通过可视化技术设计产品、预测产品在真实 工况下的特征以及所具有的响应，直至获得最优工作性能。 ( 2 ) 更低的研发成本、更短的研发周期、更高的产品质量。采用虚拟样机 设计方法有助于减少或摆脱对物理样机的依赖。通过计算机技术建立产品的数 字化模型( 即虚拟样机) ，可以完成许多次物理样机无法进行的( 成本和时间 条件不允许) 虚拟试验，从而可改进或优化设计方案，因此不但减少了物理样 机的数量，而且缩短了研发周期、提高了产品质量。 ( 3 ) 实现动态联盟的重要手段。目前世界范围内广泛地接受了动态联盟 ( v i r t u a lc o m p a n y ) 的概念，即为了适应快速变化的全球市场，克服单个企业资 源的局限性，出现了在一定时间内，通过i n t e r n e t ( 或i n t r a n e t ) 临时缔结成的 一种虚拟企业。为实现并行设计和制造，参盟企业之间产品信息的敏捷交流尤 显重要，虚拟样机是一种数字化模型，通过网络输送产品信息，具有传递快速、 反馈及时的特点，进而使动态联盟的活动具有高度的并行性。 1 3 港口起重机发展趋势 起重机可以称得上是当今世界上最古老的机器之一，古埃及劳动人民为了 建造举世闻名的金字塔，采用了至今仍不失为起重机基本工作部件的杠杆、斜 面、滚轮、摩擦轮、滑轮组等工具。1 8 9 2 年，在德国汉堡出现的世界上第一 台电动机驱动的港口起重机，可以说标志着现代化起重机时代的开始。 本世纪六十年代，世界起重机技术的发展，已经具有了一定的水平。为了 有利于组织生产，出口竞争以及国际间的技术交流，在设计、制造、科学研究 的基础上，美、英、德、日、欧洲搬运技术协会( f e m ) 和国际标准组织( i s o ) 自六十年代以来，陆续修订了有关的标准和规范【l l 】。一些国际知名的起重机 制造工厂完善了自己的厂标，并且采用了计算机辅助最佳方案设计，设计出满 足不同工作条件的多种产品系列，对产品的主要部件进行了更新性的研究。例 3 土耋盔皇占堂亟论室基王虐拯挂挺越苤鳆塞筮箍笸重也动盘值裹班盔 如在起升机构中应用电动机、制动器、减速器结合为一体的“三合一”部件。 研制成功体积小，重量轻，制动平稳的盘式电磁制动器和镍镉钼合金钢材料的 高寿命车轮。在制造工艺上，普遍采用数控火焰切割及埋弧自动或半自动焊接， 按照国际焊接协会( i i w ) 的标准，通过z 射线，射线或超声波检查焊缝。 应用数控机床加工齿轮等精密零件，并以超声波微观应力消除装置加工应力。 随着冶金工业的发展，新钢种，新型材的品种日益增多，起重机使用的材 料也在不断演变。美、英、德、日等国已经制造出铝合金材料的桥式起重机， 于一般结构钢制成的桥架相比，冷脆性温度低，抗腐蚀，白重轻( 同吨位，同 跨度，同工作类型时，桥架自重轻2 9 4 一6 1 4 ) ，但也有费用昂贵、变载荷 下截面应力集中敏感，型材杆件容易失稳等缺点。另外，塑料和工程硬制塑料 也在起重机上得到逐步应用，例如用塑料制造导轮、走轮、司机室等，玻璃纤 维加固聚醇( f r p ) 也从汽车，飞机推广应用到起重机上。这些材料对于减轻 结构自重，降低制造成本，方便维修保养，低抗腐蚀损坏均具有很大的优越性， 并且制造、加工也容易，缺点是承受冲击性能差，抗拉强度小。 随着电控设备与控制系统的发展，港口起重机正朝着轻型化，大型化，高 速化以及程序控制和遥控的方向迈进。因此，如何保证起重机安全工作是一个 重要的课题，例如对手防止集装箱装卸桥运行小车碰撞而言，除采用一般的弹 簧缓冲器，橡胶缓冲器以外，有的已经采用了特制的弹性塑料缓冲器。由于起 重机尤其是集装箱装卸桥小车的运行速度越来越高，当运行速度超过 1 2 0 m m i n 时，上述缓冲器已不能满足要求，现又出现了利用或红外线反射器 以及超声波和励磁线作用的新式缓冲器。有的起重机还采用半导体元件制成的 安全检查装置，在起重机遇到障碍时，及时发出信号，由电子计算机处理后使 起重机停车，以策安全。 本文所讨论的集装箱装卸桥是装卸集装箱的专用设备。从1 9 世纪初集装 箱运输这种形式诞生以来，集装箱运输的发展经历了极其漫长的过程。到1 9 8 4 年以后，世界航运市场摆脱了石油危机所带来的影响，开始走出低谷，集装箱 运输走上了稳定发展的道路。目前，发达国家件杂货运输的集装箱化程度已超 过8 0 。随着集装箱运输进入成熟阶段，世界海运货物的集装箱化已成为不可 阻挡的发展趋势。这些年来，美、日、德、芬兰、澳大利亚等几乎毫无例外地 均致力于提高集装箱装卸桥的效率；即通过改进驱动、操作性能、提高工作速 度和消除集装箱在装卸过程中的摆动。根据其工作特点，在目前和今后不太长 的一段时期内，应该作为科学研究的几个重点问题将是： 4 土盘盥皇厶堂亟边塞基王虐担挂复l 挂盔的塞筮筮趁重扭盘盘值直鲤蕴 以发展大型、专用设备为主，中、小型通用设备为辅。 为了减轻机器的自重，应该设计出合理的结构，并且积极采用新型材料。 改进电力驱动系统的性能，应用自动控制技术。 提高设备的工作速度，增加设备的通过能力。研究并解决由此在设备上弓 起的振动影响。 适应港口起重机工作要求的人体工程学及环境保护方面的研究。 新型输送方式( 例如管道输送) 以及新型卸船方式( 例如连续卸船设备) 的研究。 物流合理流送技术。 1 4 本课题研究对象及意义 1 4 1 本课题研究对象 集装箱装卸桥又称集装箱桥吊、岸边榘装箱起重机，有时虢询称为犀轿或 桥吊，属于桥式起重机范畴。岸桥是在码头前沿进行集装箱装卸作业的装卸设 备，有各种不同的结构型式。通常按不同的分类方法划分以下类型”“。如图 1 1 所示。 本课题研究对象为6 0 吨超巴拿马级集装箱装卸桥。按主梁结构型式分类 它属于双箱型梁结构主梁式岸桥；按起重小车型式分类属于绳索牵引小车式岸 桥；按降低净空高度分类属于俯仰式桥吊；按供电方式分类属于电缆卷筒供电 式桥吊；按接卸船型分类属于超巴拿马型岸桥。 它是由前后两片门框和拉杆组成的门架，沿着与岸线平行的轨道行走， 桥架支撑在门架上，行走小车沿着桥架上的轨道吊运集装箱，进行装船和卸船 作业，装卸桥装有集装箱专用吊具以及吊具防摇装置。主梁由两根箱形梁组成， 两根箱形梁之间为了加强结构的刚度用横梁连接。小车的运行驱动机构和主起 升机构均设置在小车上，并安装在机器房中。起升和小车牵引钢丝绳经过一套 卷绕系统以达到牵引小车运行和起升下降。为了便于船舶靠离码头，桥架伸出 码头外面的部分可以俯仰至8 0 。它由电缆供电。该岸桥整机外形如图l 一2 所 示。 这类岸桥应用范围广，结构设计简洁、成熟，已在许多码头上得到广泛的 应用，故选其作为研究对象。其a u t o c a d 结构总图如图1 3 所示： 5 l 2 3 4 5 6 7 上连盘塞太堂亟诠塞 基壬虚越搓扭拄盔的塞苤筮起重担动盘值墓硒盔 图i - i 岸桥的分类 6 土照盘皇厶堂亟i ：监室 基壬虚越搓扭撞苤鲍塞苤擅起重熟动虚值矗班豇 图1 - 3 岸桥设计总图 7 土盘盘蔓厶兰亟土j 金塞 基虐越搓扭拉盔鲍塞装箍起重担动左值真班窥 1 4 2 本课题研究意义 港口的发展对港口机械的要求越来越高，因此港口装卸机械的设计计算方 法需要不断地更新、充实和完善，使港口机械向更注重功能性、经济性、可靠 性和安全性的方向发展。 本文根据动力学的相关理论，结合桥式集装箱装卸桥的工作循环特点对装 卸桥钢结构有限元模型进行工况动力响应仿真及模态分析，从而得到装卸桥机 各个部件在正常工作状态下的动力响应变化曲线和其低阶主振型，其意义有： 1 对岸桥结构优化，动载、疲劳寿命估算提供有价值的参考数据。集装箱装 卸桥的工作特点是间歇、重复、循环、频繁地启动制动，所以在工作过程中各 个机构都会产生动力载荷。比如：在起升机构，当货物起升和下降时，由于不 断开闭起升电机和制动装置会产生力矩冲击的动力载荷；起升、小车机构的绳 索都属于弹性系统，当绳索从松弛状态突然起升会产生较大的冲击并引起动力 载荷：在大车和小车运行机构中，机构的启动和制动，货物的摆动，风力载荷， 集装箱质量的偏心，通过不平整的轨道接头处，以及与缓冲器发生碰撞等都会 引起振动和冲击，在机构中产生较大的动力载荷“。这些动力载荷对计算结 构疲劳寿命的结果影响很大。通过分析岸桥虚拟样机各种工况可较准确的将上 述动态特性反映出来。 2 如何提高集装箱装卸桥的生产率已成为今后需要解决的重要课题。在吊装 作业中，干扰源会引起起升装置的摆动，降低生产率。根据人体工程学的研究， 当振动频率超过一定范围时，会降低司机的工作能力甚至有害身体健康。因此， 从提高司机的工作效率以及保护人身健康的观点考虑，必须控制振动引起的动 力载荷及振动频率。同时，任何金属结构都有其固有振动频率，设计时要尽量 使这些固有频率避开外激振力的频率以免发生共振，从而减小震动幅值。结构 的每个固有频率都对应一定的固有振型l l ”，可以使我们分清在什么样的激振 力下会发生什么样的振动，从而控制相应激振力的频率，避免在该振型下的共 振，防止重大事故的发生。针对这两个问题，本文对岸桥整机进行模态分析， 分析的结果可以为设计人员设计出更舒适、高效、安全的岸桥提供依据。 3 长期以来，集装箱装卸桥的设计往往以静态设计为主，方法多采用以古典 力学和数学为基础的半理论、半经验设计法、类比法和直觉法等传统设计方法。 显然这些设计方法都具有局限性。要准确分析港口机械的动态性能，实验是最 有效和直接的方法，它可以实际测量港口机械所承受的载荷和结构应力。但港 土涅蠹蔓盍堂硒硷塞基王虐越搓扭拉盔酸塞茧箍起重扭蓟出值襄班宜 口机械的实测只有在产品生产完成后才有可能实现，这样做风险大，成本大， 周期长，占用资源多。在本课题所建立虚拟样机上可以从容得对各种工况，尤 其是危险性较高的极限工况进行仿真实验而不必担心上述不利因素。这些仿真 结果对岸桥设计人员和用户具有实用意义。 4 该虚拟样机还可以作为仿真试验平台，应用于对岸桥其他方面的改进，比 如研究岸桥各种工况对钢丝绳受力的影响、对操作人员的影响，电机运行时产 生的振动对岸桥的影响，恶劣天气对岸桥的影响，也可作为吊具防摇或优化的 仿真平台。 综上所述，本文所进行的研究不仅具有一定的理论价值，而且具有较强的 工程应用背景。 1 5 本文主要特色及主要工作 本文主要工作内容及特色有： 1 基于a d a m s 弹性体动力学仿真求解原理与a n s y s 模态分析理论，建立 集装箱装卸桥虚拟样机模型。 2 从简化模型计算量角度出发，考虑到箱型梁结构的复杂程度，综合应用 s o l i d w o r k s 与a n s y s 建立起整机结构的有限元模型。该有限元模型主要 采用板梁耦合的形式。 3 在a n s y s 中，对整机结构进行模态分析，从而了解结构的动态特性。提 取了模型前七阶固有频率与对应主振型图，并对此结果进行动态分析。 4 通过a n s y s 软件与a d a m s 软件的数据接口将有限元模型文件以m n f 格 式从a n s y s 中导入到a d a m s ，生成整机柔性体模型。在此基础上，依 次构造小车简化模型，生成离散化钢丝绳缠绕系统，建立钢丝绳与小车、 小车与哑元之间的接触，添加适当的约束条件等。最终生成一个大型刚柔 耦合动力学模型。 5 结合a d a m s 脚本仿真控制与s t e p 函数，实现虚拟样机连续动态控制。与 以往静态或准静态仿真相比，控制目标不再是岸桥的载荷，而是电机的输 出转速。结合柔性化钢丝绳，这种控制方式更逼近真实，同时还能适应多 机构同时运行的工况，较好的体现岸桥的动态特性。 6 通过参数化建模，实现了基于可调速控制的集装箱装卸桥刚柔耦合模型动 力学仿真。在此基础上，结合岸桥实际工作情况，在a d a m s 模型上布置 9 土盘盘蔓占堂亟= 论窑 基虐擅搓扭拄苤的塞苤箍起重扭动左笾真班窥 恰当的测点，分别模拟出岸桥在前大梁最大前伸距处满载起升一一起升紧 停和满载起升加小车运行一一起升紧停一一小车运行紧停这两个工况。归 纳、分析所有测点在这两工况的仿真结果。 7 在a n s y s 与a d a m s 建模过程中，分别使用大量的a p d l 与m a c r o 语 言形成参数化建模，基本做到从s o l i d w o r k s 几何模型到a d a m s 刚柔 耦合模型的一体化建模。 论文的结构如图1 - 4 所示： 图1 - 4 论文结构图 1 0 土壅渔皇占堂亟土i 金塞基虐型搓赳蕴丕的塞菱筮趁重扭曲丑笾基班宜 2 1 引言 第二章虚拟样机理论综述 近年来，制造业间的竞争日趋激烈。激烈竞争的核心是以知识为基础的新 产品的竞争，在可持续发展战略下，为了提高产品竞争力。各类制造企业必须 解决其新产品的“t ( 上市时间) ”、“q ( 质量) ”、“c ( 成本) ”、“s ( 服务) ”、 “e ( 环境) ”等难题。另一方面，世界进入全球的知识经济时代，现代信息技 术得到飞速发展与广泛应用，这一切都极大地促进了传统制造业的发展与革 命。其中，作为2 l 世纪新的先进制造模式一虚拟样机技术( v p ：v i r t u a l p r o t o t y p i n g ) 正成为各国纷纷研究的新热点。 2 2 1 虚拟样机的产生及其内涵 传统新产品的开发通常要经过设计、样机试制、工业性试验、改进定型和 批量生产几个阶段“。由于技术的限制，在设计阶段获取的产品的各类相关 信息极为有限，设计人员对详细设计方案的仿真和评估也很有限，很难保证设 计中没有差错。由于产品的复杂程度加大，很少有人能够在开始阶段全面细致 地了解整个系统。对于岸桥这类成本很高的产品，一旦出现难以弥补的设计错 误，就会造成极大的损失。为了减少这种风险，通常需要建立一个等同于真实 产品的物理样机，以获得产品的机械、物理、外观以及可制造性、可装配性等 的全面信息反馈，从而更好地消除设计阶段难以发现的重大设计错误。但是复 杂产品的物理样机通常造价昂贵，而且耗时长久。在迭代的设计过程中，一旦 设计方案有重大修改，就需要重新建立物理样机，导致设计成本的增加和设计 周期延长。 以汽车为例，汽车动力学性能中较为复杂的是操纵稳定性。操纵稳定性是 指汽车响应操作输入与抵抗外界扰动的能力。其中操纵性指汽车系统作为随机 系统，对驾驶员转向输入产生跟随响应的能力；稳定性指抵抗外界路面或阵风 扰动的能力。传统的操纵稳定性评价主要通过试验评价方法，需要多轮样车试 制与反复试验，不仅花费大量的人力、资金、时间，而且有些实验因其危险性 上盘盘皇厶堂亟土逾塞蒸王虐拯搓扭拉盔酸塞蕉箍趁重扭麴左值真鲤究 而难以进行。德国宝马( b m w ) 公司的3 系列汽车的设计时间为5 年，其问 总共制造了1 3 0 多个实物模型或实物整机，2 4 0 0 多个实物部件：而且每个实 物整机平均花费2 5 万美元。 面对越来越激烈的市场竞争，企业要保持竞争优势，就必须在最短时间里 设计并生产高质量的满足用户需求的新产品。而物理样机存在着上述的缺点， 成为企业保持竞争优势的一大障碍。如何有效地克服这一瓶颈成为越来越多的 企业和研究机构关心的课题。在这种形势下，虚拟样机技术应运而生，其目的 是取代物理样机，降低开发成本和周期，提高设计质量。 虚拟样机是由分布的、不同工具开发的、甚至异构的子模型组成的模型联 合体，主要包括：产品的c a d 模型、产品的外观表示模型、产品的功能和性 能仿真模型、产品的各种分析模型( 可制造性、可装配性) 、产品的使用和维 护模型以及环境模型等。借助虚拟样机，设计人员可以通过成熟的三维计算机 图形学，模拟在真实环境下产品的各种运动和动力特性，并能根据方针结果优 化产品的设计方案。 美国波音7 7 7 飞机采用了虚拟样机技术获得了无图纸设计和生产的成功， 是近年来引起科技界、企业界瞩目的一次重大突破。波音公司在s g i 图形工作 站上建立了波音7 7 7 飞机的虚拟原型，是设计师、工程师们能够漫游于这个虚 拟飞机中，审视飞机的各个部分，并能方便地调出其中的任何一个零件进行修 改。波音公司大大缩短了原来的7 到8 年甚至更长的设计周期，试验了3 年内 从设计到一次试飞成功的目标。 目前虚拟样机系统的建立主要通过建立系统的整体构架，以网络，数掘库 为基础，将当前的工程c a d 软件、仿真软件、虚拟现实技术和工具集成起来。 已有一些大型企业和跨国公司( 主要是大型工程机械设备、汽车和飞机制造企 业) 成功地进行了虚拟样机的初步实施，并取得了不小的经济效益。目前，虚 拟样机技术在企业中的应用主要集中在虚拟现实技术的应用，比如使用虚拟现 实技术进行产品的可视化设计，产品模型的人体工学、可装配性和可维护性的 仿真，以及异地协同虚拟设计。 另外，多家专业软件公司已开发支持虚拟样机的专业软件，如m c s a d a m s 、 p l u g & s i m 、s t a t e m a t e 、0 v f 、d a k o t a 等。 土塞盘童盔堂硒监塞基壬虐翘挂扭茧垄鳆塞蕉箍起重扭动出笾墓班究 2 2 2 机械系统虚拟样机系统的发展 机械系统虚拟样机技术源于对多刚体系统动力学理论的研究d 7 。由于受 计算能力的限制，经典刚体动力学的主要研究范围仅局限于简单系统。但随着 科学技术的发展，人们越来越多地面临着更复杂的机械系统的运动学和动力学 问题，如：车辆、飞机、机器人、航天器、水下工作器等的研制和开发。由于 复杂机械系统都是由多个零部件组成，各零部件阃又以各种不同的方式相连 接，机械系统在工作时刚体部件间会产生大位移运动和空间的非线性关系，这 使得工程技术人员在构造机械系统的运动学和动力学方程时不得不面对大量 复杂的代数和微分运算，以及通常无法求得理论上的解析解的大规模复杂微分 代数方程组( d i f f e r e n t i a la l g e b r a i ce q u a t i o n ，简称d a e ) 。这些问题曾一度使 经典刚体力学的理论和方法受到了巨大冲击。然而，随着现代电子计算机技术 的出现和飞速发展以及数值分析理论和算法的日趋完善，人们又对借助于计算 机技术分析复杂机械系统的运动学和动力学问题充满了希望m 1 。 机械系统虚拟样机仿真分析软件系统的开发，最早可以追溯到1 9 6 1 年， 当时通用汽车公司为了进行车辆系统动力学分析，开发了一个用于分析计算简 单的质量一弹簧一阻尼系统的动力学分析软件d y a n a ( d y n a m i c a n a l y z e r ) 。从 那时起，对于机械系统虚拟样机仿真分析软件系统的开发工作就未中断过。近 4 0 年来，发展起来了一门利用电子计算机专门研究由多刚体链接形成的复杂 机械系统的运动学和动力学问题的新学科一一多刚体系统动力学，其主要任务 是：( 1 ) 建立机械系统的运动学和动力学模型并且开发相应的软件系统，用户 只需要输入基本数据，计算机将自动列写出所需要的方程；( 2 ) 建立有效、稳 定的数值算法，自动求解运动学和动力学方程：( 3 ) 提供计算机仿真结果的图 形输出，将分析结果传送给用户。它所面临的关键问题是：如何将计算机科学、 动力学和数学的理论、方法和成果结合起来，以便更好地解决复杂机械系统的 问题。 世界各国的学者们，对于发展和完善多刚体系统动力学的理论和方法作了 大量的工作，其中最著名的有：c h a c e 等人、h a u g 等人、r o b e r s o n 和w i t t e n b u r g 等人、s c h i e h l e n 等人、k a n e 等人、h u s t o n 等人，其他还有a m i r o u c h e 、s h a b a n a 等等。 c h a c e 等人的工作以及h a u g 等人的工作都是采用拉格朗日方程对机械系统 进行建模。采用拉格朗日方程可以避免出现不作功的铰的理想约束反力，使未 盘盘塞太堂亟：j 金塞 基壬虚担拄扭技苤鲍塞蕉箍起重扭曲出值墓班宜 知变量的数目减小到最少程度。但随着刚体数和自由度的增多，动能和势能函 数的项数急剧扩张，求导数的计算工作量庞大，推导过程繁琐枯燥且容易出错。 当系统稍有改变或物理模型稍有变化时，就必须重新推导。尤其是当采用传统 的独立的拉格朗日广义坐标时，在建立系统的动力学方程时会变得非常困难， 不过若采用不独立的笛卡儿广义坐标则会方便一些。此外，虽然方程的推导过 程非常萦琐但形式化程度比较高，因此在建立动力学方程时有可能利用计算机 代替手工推导。c h a c e 选取机械系统中各刚体质心在惯性参考坐标系中的3 个直 角坐标和确定刚体方位的3 个欧拉角作为笛卡儿广义坐标。用欧拉角作为转动 广义坐标，其优点在于广义转动坐标数最少且无需附加约束方程，但在解动力 学逆问题时可能存在奇点，在奇点附近进行数值计算会出现问题，因此必须另 行处理。h a u g 贝i j 选用4 个欧拉参数作为确定刚体方位的转动广义坐标。这样转 动广义坐标数不太多，但在解动力学逆问题时却不会出现奇点。对于具有多余 坐标的完整约束系统或非完整约束系统，用带乘子的拉格朗日方程是一种相当 规格化的方法。由此导出的以笛卡儿广义坐标为变量的系统动力学方程，是与 广义坐标数相同的带乘子的微分方程组，再补充以广义坐标的代数约束方程， 最终形成一个代数一微分方程组。该方程组不但规模可观，而且其微分方程通 常都是刚性的由此使得对代数一微分方程组的数值求解算法进行研究，也成 了多刚体系统动力学的一个重要问题。c h a c e 等人开发了a d a m s ( a u t o m a t i c d y n a m i ca n a l y s i so f m e c h a n i c a ls y s t e m ) 软件；h a u g 等人开发了d a d s ( d y n a m i c a n a l y s i s a n dd e s i g ns y s t e m ) 软件。 r o b e r s o n 和w i t e n b u r g 等人创造性地将图论引入多刚体系统动力学，成功地 利用图论的一些基本概念和数学工具描迷了机械系统内各个刚体之阃的结构 特征。借助图论工具可使各种不同结构的系统能用统一的数学模型来描述，选 用铰链相对运动变量作为系统的广义坐标可导出多刚体系统一般形式的动力 学方程。r w 方法不但可赋予动力学方程的系数以明确的物理意义，并可使 方程的形式得到简化。w i t e n b u r g 等人还建立了一个符号推导方程的计算机程 序m e s a v e r d e ( m e c h a n i s m ，s a t e l l i t ev e h i c l ea n dr o b o td y n a m i c se q u a t i o n s ) 。 s c h i e h l e n 等人直接采用牛顿一欧拉方法对机械系统进行建模。由于随着组 成机械系统的刚体数目的增多，刚体之间的链接情况和约束方式就会变得非常 复杂，当对作为隔离体的单个刚体列写牛顿一欧拉方程时，铰约束力的出现会 使未知变量的数目显著增加，因此牛顿一欧拉方法必须加以发展以便于计算机 能自动识别刚体的联系状况并根据不同的约束形式自动形成约束方程。 土瀣渔皇盘堂亟论室 基王虐越搓拯拉盔的塞装筵起重扭动盘值墓鲤究 s c h i e h l e n 等人在列写出机械系统的牛顿一欧拉方程式后，将笛卡儿广义坐标变 换成独立的变量，对于完整约束系统用达兰贝尔( d a l e m b e r t ) 原理消去约束反 力，对于非完整约束则运用约当( j o u r d a i n ) 原理消去约束反力，最后得到与系 统自由度数相同的动力学方程。1 9 8 7 年，德国研究委员会( g e r m a nr e s e a r c h c o u n c i l ) 确立了一项为期5 年的多体系统动力学的研究项目，该项目由多所大学 和研究中心中从事数学、计算机科学、力学和控制理论等方面研究的学者们合 作进行，其目的是开发一个通用的多体系统动力学软件包。他们使用标准 f o r t r a n 7 7 语言和r s y s t 数据库设计开发了一套面向对象的多体系统模型。 k a n e 等人发展了一套用于分析复杂机械系统的新方法。该方法最先用于分 析复杂航天器，以后发展成为使用范围更广泛的普遍方法。这种方法源于吉布 斯( g i b b s ) 和阿沛耳( a p p e l l ) 的伪坐标概念。其特点是以伪速度作为独立变量来 描述系统的运动，该方法既适用于完整约束，也适用于非完整约束。此外，用 该方法建立系统的动力学方程既不会出现理想约束反力，也不必计算动能等动 力学函数及其导数，而且推导计算十分规格化，所得结果是一阶微分方程组。 因而兼具有矢量力学和分析力学的特点。但它只是一个普遍的方法，必须对每 个具体的多刚体系统作具体处理，而不象r & w 法那样可得到一个普遍的公式。 作为k a n e 方法的具体应用，h u s t o n 等人发展了一种几何与计算相统一的方法。 k a n e 等人开发了基于符号推导的多刚体系统动力学分析软件a u t o l e v ； h u s t o n 等人则开发了软件d y n o c o m b s ( d y n a m i c so f c o n s t r a i n e dm u l t i b o d y s y s t e m ) 。这些软件系统的开发和使用，极大地推动了机械系统虚拟样机技术 的发展和实用，促进了机械系统虚拟样机技术由分析专家的专用研究工具逐渐 向普通工程技术人员易于掌握的工程设计实用工具的转变。 国内对机械系统虚拟样机技术的研究起步比较晚，无论在基础上，在软件 工具，或是应用情况上，相对于国际先进水平还有相当大的差距。但在多动体 系统动力学和机构学的领域中以及相关软件开发方面，国内许多学者也作了大 量而有益的工作。如：上海交通大学刘延柱教授等人，采用矩阵技法与图论相 结合的方法，列写旋转形式的牛顿一欧拉方程，可使任意结构的多刚体系统动 力学方成具有简练的表达式形式；1 9 8 3 年梁崇高开发了一个平面连杆机构运动 分析的通用程序s k a l ；1 9 9 2 年张纪元等开发了进行任意平面连杆机构运动分 析的通用程序k a p l 和一类空间连杆机构运动学分析的通用程序k a s l ；1 9 8 8 年，北京理工大学先后开发了针对空间机构进行运动学分析的软件 k a s m ( k i n e m a t i c a n a l y s i so f s p a t i a lm e c h a n i s m ) 和通用机构运动学动力分析软 连盥璺鲞堂煎监塞基虐越搓担燕垄曲墓苤堑篚重扭弛左笾基鲤宜 件g m k d s ( g e n e r a lm e c h a n i s mk i n e m a t i cd y n a m i cs y s t e m ) ，1 9 9 0 年又进一步开 发出了在微机平台上运行的m g m k d s ( m i c r o c o m p u t e r - b a s e dg e n e r a l m e c h a n i s mk i n e m a t i cd y n a m i cs y s t e m ) 。虽然这些软件都仅停留在实验室阶段， 难以在工程实践中应用。但对于缩小我国与国际上先进的机械系统虚拟样机技 术的差距，起到了重要作用。 2 3 虚拟样机软件介绍 2 3 1a d a m s 简介”1 美国m s c 公司开发的机械系统动力学分析软件a d a m s 软件由于具有通 用、精确的仿真能力，方便、友好的用户界面和强大的图形动画显示能力，已 在全世界数以千计的著名大公司中得到成功得应用，国外的一些著名大学也已 开设介绍a d a m s 软件的课程，而将