（机械电子工程专业论文）混凝土泵车臂架疲劳寿命研究.pdf

摘要 本文综述了国内外混凝土泵车发展概况，介绍了臂架系统的研究现状及混凝土泵车 臂架寿命的研究方法，并在总结国内外疲劳理论最新研究进展的基础上，提出基于有限 元和多体动力学联合仿真法对混凝土泵车臂架的疲劳寿命预测。主要内容如下： 1 通过对s o l i d w o r k s 、m s c n a s t r a n 和m s c a d a m s 软件的综合应用，建 立了混凝土泵车臂架的刚柔耦合模型。 2 通过对建立的臂架刚柔耦合模型进行动力学仿真，得到各臂架的边界条件和载荷 时间历程。 3 利用仿真得到的边界条件和载荷时间历程，在m s c f a t i g u e 软件中对各个臂架进 行寿命分析，绘出臂架的寿命云纹图。 4 基于混凝土泵车臂架动应力试验得到的危险点应力时间历程，估算出臂架危险点 寿命，并与仿真结果进行比较，验证仿真的实用性和有效性。 通过以上综合分析，本论文提出了一种对混凝土泵车臂架寿命的分析方法，论文 的分析结果对泵车臂架结构的改进提供了理论依据。 关键词：混凝土泵车臂架、多体动力学、有限元、柔性体、疲劳寿命 a b s t r a c t i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h ed e v e l o p m e n to fc o n c r e t ep u m pt r u c ka th o m ea n da b r o a di s r e v i e w e d t h er e s e a r c hs t a t u so fc o n c r e t ep u m pt r u c kb o o ma n dm e t h o d so ff a t i g u el i f ea r e i n t r o d u c e d b a s e do nt h es u m m a r i e so fn e wf a t i g u et h e o r ya th o m ea n da b r o a d ，ar e s e a r c h m e t h o dt op e r f o r mc o n c r e t ep u m pt r u c kb o o ms t r u c t u r ef a t i g u el i f es i m u l a t i o nw i t hf i n i t e e l e m e n ta n a l y s i s ( f e a ) a n dm u l t i b o d yd y n a m i c si sm a d e t h em a i nc o n t e n t sc a nb e s u m m a r i z e da sf o l l o w s ： 1t h r o u g ht h ec o m b i n e da p p l i c a t i o nw i t hs o l i d w o r k sm s c n a s t r a na n d m s c a d a m ss o f t w a r e ，t h ec o n c r e t ep u m pt r u c kb o o mr i g i d f l e x i b l ec o u p l i n gm o d u l ei s e s t a b l i s h e d 2t h eb o u n d a r yc o n d i t i o n sa n dt h el o a d t i m eh i s t o r ya lea t t a i n e dt h r o u g hd y n a m i c s i m u l a t i o no ft h ec o n c r e t ep u m pt r u c kb o o mr i g i d f l e x i b l ec o u p l i n gm o d u l e 3b a s e do nt h er e s u l t so ft h eb o u n d a r yc o n d i t i o n sa n dt h el o a d - t i m eh i s t o r y , t h ea n a l y s i s o fc o n c r e t ep u m pt r u c kb o o m sf a t i g u el i f eh a sb e e nc a r r i e do u tb ym s c f a t i g u es o f t w a r e ，a n d t h ef a t i g u el i f em o i r ep a t t e r ni so b t a i n e d 4d e n p e n d i n go nt h es t r e s s t i m eh i s t o r ya td a n g e r o u sp o i n t so fd y n a m i cs t r e s st e s t ， e s t i m a t i o no nt h ef a t i g u el i f eo fc o n c r e t ep u m pt r u c kb o o m si sm a d e 。ac o m p a r i s o ni sm a d e b e t w e e nt h et e s tr e s u l t sa n dt h es i m u l a t i n go n e s ，r e a s o n a b l ea n de f f e c t i v eo fs i m u l a t i o na l e p r o v e d w i t ha b o v e m e n t i o nc o m p r e h e n s i v ea n a l y s i s ，am e t h o dt op e r f o r mc o n c r e t ep u m pt r u c k b o o ms t r u c t u r ef a t i g u el i f e i sm a d e t h er e s u l t st h a tt h et h e s i sp r o v i d e so f f e rs p e c u l a t i v eb a s i s t oi m p r o v et h ec o n c r e t ep u m pt r u c kb o o ms t r u c t u r e k e y w o r d s ：c o n c r e t ep u m pt r u c kb o o m ；m u l t i b o d yd y n a m i c s ；f i n i t ee l e m e n t ；f l e x i b l e b o d y ；f a t i g u e 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：王确 伽j 年月l e t 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 导师签名： 年月le t 每e 其e l 长安人学硕一l z 学位论文 1 1引言 第一章绪论 混凝土泵车是输送混凝土的专用机械，它借助臂架系统可以将混凝土的水平输送和 垂直输送结合起来，并能保证混凝土的均匀性和密实性【l 】。混凝土泵车具有机动灵活、 施工程序简单、工作效率高、浇注质量高等优点，而其最大的优点在于能够方便的垂直 输送混凝土，如高层建筑、高架公路、桥梁、堤坝以及地下工程等混凝土的浇注。由于 以上优点混凝土泵车受到人们的普遍重视，逐渐成为工程施工过程中不可缺少的机械设 备。在交通、能源、水利、城乡建设等领域中发挥着重要的作用。 1 2 混凝土泵车的发展概况 1 2 1 混凝土泵车国外发展概况 对混凝土泵的研究最早起始于德国，1 9 0 7 年德国就有人取得混凝土泵的专利权。 随后，美国人在1 9 1 3 年也制造出混凝土泵样机，同时取得了专利权。德国人弗瑞茨海 尔于1 9 2 7 年设计出了第一台可用于施工生产的混凝土泵。1 9 3 0 年德国制造出了立式单 缸的球阀活塞泵。1 9 3 2 年荷兰人库依曼( j c k o o y m a n ) 制造出卧式缸的混凝土泵，因 此也叫做库依曼型混凝土泵，在卧式缸的混凝土泵被制造出来之前所的混凝土泵在结构 上都与水泵有类似之处，都是立式单缸泵，工作性能较差，使用价值不大。库依曼型混 凝土泵的制造成功，解决了混凝土泵的构造原理问题，使混凝土泵的可靠性大大提高。 此后，混凝土泵进入了小规模的实用阶段【2 】【3 】。第二次世界大战之后，随着各国经济恢 复工作的陆续开始，建筑工程规模日益扩大，混凝土泵的销路渐好，应用日渐增多。1 9 5 9 年，联邦德国的施文英( s c h w i n g ) 公司生产出第一台全液压的混凝土泵，它由液压系统提 供动力来驱动活塞和阀门，使用后用压力水对泵和输送管进行冲洗。这种液压泵功率大， 排量大，输送距离远，而且可做到无级调节。泵的活塞还可逆向动作，大大减少了工作 过程中混凝土堵塞的情况，因而使混凝土泵的设计、制造和泵送施工技术日趋完善。此 后，为了使混凝土泵施工程序更简便，具有更高的机动性，在六十年代中期又研制了混 凝土泵车，将工作系统安装在汽车的底盘上，并配备了可以回转和伸缩的布料杆，使混 凝土泵的浇筑工作更加灵活多变。汽车式混凝土泵到达新工作地点后不需要进行太多准 备工作即可进行浇筑，具有移动方便，机动灵活等优点，因而是目前大力发展的机种。 第一章绪论 现在，国外混凝土泵车设计制造技术己发展到很高的水平，产品已形成系列化。布料杆 垂直高度有1 6 - 7 0 m ，混凝土输送量有5 6 , - - , 2 0 0 m 3 h ，布料杆节数有二节、三节、四节， 最多有五节。普茨曼公司生产的m 7 0 5 型泵车，臂架长度达到近7 0 m ，r z 折叠型5 节 臂布料杆能在5 3 m 高度形成1 7 m 的水平布料运动半径，该泵车拥有最大的布料杆运动 半径，大幅提高了混凝土施工的覆盖范围。 1 2 2 混凝土泵车国内发展概况 2 0 世纪8 0 年代初，国产混凝土泵车的总量不足2 0 0 台，臂架式混凝土泵车是空白。 当时，我国的一些大型混凝土浇筑工程基本依靠进口设备。我国臂架式混凝土泵车的生 产起步于2 0 世纪8 0 年代初，最初是引进散件组装，或者是通过技贸结合方式引进技术生 产与部分零件引进相结合的生产模式。经过2 0 多年的努力，我国臂架式混凝土泵车取得 了长足的发展，设计水平、制造能力都有了很大提高。目前国内生产混凝土泵车能力比 较强的企业有三一重工、中联重科、徐州重型、福田重机、辽宁海诺、安徽星马以及上 海鸿得利等企业。 臂架式混凝土泵车作业时常受上部空间所限制，通过采用多种折叠方式混合使用， 使臂架系统更加灵活，自重更轻。4 节以下的臂架折叠一般采用单一的r 或z 形折叠型式。 5 节以上臂架一般采用r z 组合折叠型式来实现臂架的展开、收拢。混凝土泵车支腿的形 式也越来越灵活，单边支腿的广泛使用，使臂架式混凝土泵车能够适应不同的工地工况。 随着施工条件与环境的不断改善，以及臂架制造技术的不断发展，长臂架、高效率的臂 架式混凝土泵车将会越来越受到用户的青睐。国内此类产品型谱和生产企业不断增加， 产品性能、质量都在迅速提升。随着商品混凝土行业的发展，混凝土泵送机械规格更全， 档次更高，泵车布料臂架朝更长的方向发展，由过去的3 7 m 占主流，逐步过渡至u 4 2 - - 4 5 m 为主，4 7 - - - 5 6 m 同样受到市场青睐。2 0 0 3 年三一重工研制出臂架长度5 6 m 的混凝土泵车， 一举成为当时世界能够生产这种长臂泵车的3 家企业之一，使中国在泵车及臂架研发领 域进入世界先进行列。2 0 0 7 年三一重工又研制成功了最大垂直高度达6 6 m 的臂架泵车， 2 0 0 8 年三一重工自主研发的7 2 m 臂架泵车成功下线，成为世界上臂架最长的泵车。 今后国产混凝土泵车另外的发展趋势是泵送系统向着更大排量的方向发展。在国 内，臂架式混凝土泵车的设计初期，混凝土输送泵的缸径大多在2 0 0 m m 上下，输出排量 一般不超过1 0 0 m 3 h ，2 0 0 4 年以后，缸径为2 0 0 m m 的混凝土输送泵已基本被淘汰，只有 在少数的拖式混凝土泵中有所应用。目前，市场上输送泵的缸径大多集中在2 3 0 m m 左右， 2 k 安人学硕上学位论文 行程可以达n 2 1 0 0 m m 或以上，输出排量在1 2 0 m 3 h 以上。随着臂架式混凝土泵车臂架越 做越长，车型越做越大，为了改善臂架的振动情况，降低混凝土泵车的泵送频率，要求 输送缸的缸径越来越大，国内使用最大的缸径已达2 6 0 m m ，混凝土输出排量也更大。此 外，泵送压力越来越高。1 9 7 1 年以前，混凝土出口压力大多在2 9 4 m p a 以下，现在出口 压力最高可以达到2 2 m p a ，而且还有继续提高的趋势。 提高设备的节能、环保性能也是混凝土泵车的一大发展趋势。发动机水冷却逐步 被风冷却所替代，排放标准也已经与国际接轨，现在生产的混凝土泵车让大多数已达到 欧i i 或欧m 标准。自检测、自保护、自调整及多传感技术、恒功率控制技术及g 略定 位技术也逐步应用到混凝土泵车的设计中。在驾驶方面也将会更舒适，更具人性化【4 】【5 1 。 1 3 混凝土泵车臂架的研究现状 在混凝土泵车结构中，臂架系统是其最关键的部件之一，臂架结构复杂、受力多样， 混凝土主要通过臂架系统连续不断地泵送到浇注点，因此臂架性能的好坏直接影响混凝 土浇注质量，是评价混凝土泵车整体性能的关键，因此对臂架系统的研究一直是设计者 关心的重点和难点问题。要求臂架系统具有较高的整体刚度、强度，具有良好的工作适 应性和可靠性，并且具有合理的动态特性。目前来说，对臂架系统的研究主要有以下几 个方面： 1 基于有限元软件对泵车臂架进行静强度分析和稳定性分析； 2 基于有限元软件对泵车臂架系统的结构进行优化； 3 基于虚拟样机的泵车臂架系统的动力学仿真分析、运动学仿真分析和振动分析； 4 通过对混凝土泵车液压系统的仿真分析，得到液压系统对臂架运动的影响； 5 臂架系统的机器人化，研究浇注点到浇注点的自动控制和给定轨迹的自动控制的 计算机自动控制仿真【6 】。 混凝土泵车臂架的疲劳寿命同样是混凝土泵车性能的重要指标。但因为混凝土泵 车臂架的结构复杂，受力多样，致使测试动载荷和确定受力部位困难，因此对这方面的研 究较少。传统的虚拟疲劳仿真流程来说除了几何信息来源于c a e 模型外，一般还需要 两方面的输入，一是材料的疲劳性能参数，二是应力应变时间历程。材料参数可根据 相关标准从试验中直接获得，也可以从材料手册等出版物，或材料数据库软件中获得。 获取应力应变随时间的变化历史采用有限元虚拟仿真技术，只要知道载荷工况和边界条 件，在实物样机制造出来之前，我们就可以了解整个零部件内的应力应变状况。 3 第一章绪论 载荷数据是有限元虚拟仿真分析的一个主要输入，获取实际工况下的载荷变化历 史是一项复杂但又非常重要的任务。目前我们一般有二种方法可获得载荷。一是实验法， 从实物样机中直接测定应力( 应变) 信号。二是虚拟仿真方法，它提供了一种虚拟测试 动载荷的方法。它基于多体系统动力学理论，实现了机械系统的图形化建模，解决了机械 系统的数学建模，数值求解和响应检测的自动化问题，从而为获取机械系统的随机振动响 应提供了一条可行的途径【7 - 8 】。例如，用多体动力学软件( 例如m s c a d a m s ) 模拟出 一些实际工况中的载荷历程变化。 国内外对大型复杂结构设计的研究重点己经开始从静强度和常规疲劳设计方法， 逐步向考虑结构刚柔耦合的多体动力学特性和随机振动特性的结构疲劳设计方法的研 究方向发展1 1 。 1 4 本文的主要研究内容 论文的内容安排如下： 论文的第二章建立泵车臂架的刚柔耦合模型。介绍了多柔体动力学的理论体系和 软件基础。研究在泵车臂架刚柔耦合模型建立过程中，模型数据的交换方法，确保数据 的有效传递。 论文的第三章在泵车臂架的刚柔耦合模型的基础上，利用a d 蝴s 软件进行动力学 仿真，在不同工况下，分析臂架系统在泵送混凝土过程中各构件的受力情况。 论文的第四章对泵车的臂架进行寿命预测。介绍了疲劳寿命的预测方法。基于实 验得到的试样焊接接头的p s n 曲线和第二章中得到的泵车臂架的载荷时间历程及边界 条件完成了泵车臂架的疲劳寿命仿真分析。 论文的第五章通过基于实测载荷时间历程的泵车疲劳寿命结果和泵车臂架的疲劳 寿命仿真结果对比分析以验证论文计算结果的实用性和有效性。 论文的第六章对全文的研究内容进行了总结，并对进一步的工作提出展望。 4 长安人学硕十学位论文 第二章混凝土泵车刚柔耦合模型的建立 2 1本章概述 混凝土泵车在实际施工过程中，臂架系统在浇筑过程中出现了大范围运动与较大 的弹性变形，这不仅对浇筑工作产生了较大影响，而且还降低了臂架系统的安全性能。 以往对臂架的研究大多是基于刚性臂架模型的研究，忽略其自身的弹性变形，在计算精 度要求不是很严格的情况下，这种假设下的结果基本都能满足要求。随着臂架式混凝土 泵车臂架越做越长、结构越来越庞大、浇筑质量要求越来越高，使得传统的刚性体建模 已经难以准确地模拟实际工况。所以在臂架系统的研究过程中需要考虑臂架的弹性变形 对臂架系统的影响，这样可以大大提高计算结果的精度。计入构件弹性变形的研究方法 就是多柔体动力学研究的范畴。多柔体系统是指系统在运动过程中，部件随着整体运动 的同时自身出现了较大的弹性变形，对系统的运动产生较大影响，因此必须把产生弹性 变形的部件当作柔性体处理，大型、轻质而高速运动的机械系统常属此类。如果多柔体 系统中有的部件变形较小，对系统的运动影响可以忽略，这时可以把这样的部件当作刚 体来处理，那么该系统就是刚柔混合多体系统，就是多体系统中最一般的模型【l 2 1 。 本章的主要内容是在多柔体动力学理论基础上，通过多体系统动力学软件和有限 元软件，运用模态综合法对某国产4 5 m 混凝土泵车建立刚柔耦合模型。 2 2 多柔体动力学简介及软件基础 2 2 1 多柔体系统动力学简介 多柔体系统动力学是多刚体动力学、连续介质力学、结构动力学、计算力学等构 成的- - i l 交叉性性学科，多柔体系统动力学主要研究大范围的刚体运动和柔性变形的相 互影响。多柔体系统动力学以多刚体系统动力学的研究为基础，可以看作是多刚体系统 动力学的自然延伸。主要是对多刚体系统中的刚体进行柔性处理，在机械系统中常用的 处理方法有离散法、模态分析法、形函数法和有限单元法等。将柔性体的分析结果与多 刚体系统的研究方法相结合，最终得到系统的动力学方程【1 7 1 2 2 2 模态综合法理论基础 随着现代工程技术的飞速发展，使得结构系统越来越庞大、越来越复杂。在对这 些大型复杂结构进行动力响应分析时，通过有限元离散化方法得到的多自由度系统，其 第二章混凝土泵车刚柔耦合模型的建妒 自由度往往是成千上万阶，有时甚至几十万阶。求解一个如此庞大的多自由度系统是十 分困难的，有的情况更是无法求解。另外由于受到计算机容量的限制，使得求解结果误 差太大，不仅需要花费大量的时间而且求解精度也不能保证。动态子结构法【18 】很好地解 决了上述问题，本文在研究泵车臂架系统动力学时就采用这种方法。在建立大型复杂结 构系统的动力学模型时，利用动态子结构法可以从量级上大幅度缩减整体结构的自由度 而不改变问题的实质。它把拥有大量自由度的复杂结构划分成若干个子结构，然后通过 分析研究每个子结构的动态特性，得到其低阶主要模态信息，最后再将这些子结构根据 他们之间交界面的协调关系组装成整体结构，得到整体结构的动态特性。这样通过分析 拥有较少自由度的子结构，就可以得到大型复杂结构的动态特性。利用动态子结构法求 解得到的大型复杂结构动态特性结果，在满足实际工程中各种问题求解要求的同时，能 够保证结果具有足够的精度。 关于动态子结构法，模态综合法是最具代表性的方法之一，经过多年的发展，现 在的应用也已比较成熟。模态综合法的实现可以分为四步，具体步骤如下： 1 、分割总系统。按照工程观点( 结构部件的自然组合情况) 或几何轮廓人为地将总 系统分割成若于个子结构。分割后的子结构要求能够独立的进行试验，而且要求便于计 算。 2 、子结构的模态分析。这是动态子结构方法最关键的步骤之一，主要是对从整个 系统分割出来的各子结构分别进行模态分析，各子结构的模态信息可通过理论计算、数 值分析和试验方法来获得，按照某些规则略去对动态特性贡献小的模态，保留其主要模 态信息，进而达到进一步缩减自由度的目的。 3 、将各子结构按照交界面的协调关系，组装成整体结构而得到总体系统方程并求 解。这种组装过程实质上是一种坐标变换，得到的是大大缩减自由度后的总体系统方程。 求解此系统方程，就可以得到系统的模态信息，包括固有频率和固有振型，在给出系统 阻尼比和设置相应的驱动后，便可进行动态响应分析。 4 、再现子结构。将各子结构的模态坐标返回到整体结构的物理坐标中，以得到实 际结构的主振型和位移及应力等动态响应。模态综合法最主要的优点是大大缩减了系统 的自由度，从而减小求解规模。其具体的降阶过程可以从以下的推导中体现【1 9 】。系统无 阻尼自由振动方程表达为： k 】扛 + 瞳k = 1 0 ( 2 1 ) 6 长安大学硕士学位论文 利用模态叠加法，系统的物理坐标矢量都可以用主模态坐标的叠加来表示，即： 龇) ) = i x ( f ) ) ( 2 2 ) 式中白o ) ) 的坐标即为系统主模态坐标，b 】称为系统的主模态矩阵。 工程实际中，在分析结构的动态特性时，设计者们主要关心的是系统的前几阶主 要模态，因此，可以使用截断的模态叠加法将拥有大规模节点自由度的部件变形提取为 少量的模态自由度。这种方法的最大优越性在于在求解近似特征对时降低方程阶数。当 提取的模态为l 时，即为瑞利一利兹法( r a y l e i g h r i t z ) 。 由瑞利商特性，有： 五= 九。= m i n r ( x ) = 渊 ( 2 3 ) 选取已知线性无关量化 ( 利兹基) ，令口) 为利兹基的线形组合，有： 肛) = 口。瓴) + a 2 也) + + 舷j = 陟弘 ? ( 2 4 ) 1 记k r = p 】r k i y l ，阻r = p 】r 阻i r 】 将( 2 4 ) 式代入( 2 3 ) 式，则可以得到原系统特征值的近似值p ，满足方程： k r = p m f a ( 2 5 ) 假设某一振动系统的某一主模态形状为扣 ，取为利兹基代a ( 2 5 ) 式，则可以得到 该系统在该模态精度下的频率值。动态子结构方法就是利用各子结构的低阶主模态集来 构造近似程度较高的利兹基向量，这组模念集的数目要远远小于原结构的自由度数，且 构成的子空间逼近于原结构的低阶模态所在的子空间。 2 2 3 多柔体系统动力学软件基础 混凝土泵车是大型的机电液一体化的产品，在多柔体动力学分析中，涉及了多个 学科和技术，相应的使用了多种软件对其进行研究。比如：有限元分析的n a s t r a n 软件，多体动力学分析的a d a m s 软件等。下面对应用的主要软件加以介绍。 m s c n a s t r a n 是具有高度可靠性的结构有限元分析软件，有着3 6 年的开发和改 进历史，并通过5 0 ，0 0 0 多个最终用户的长期工程应用的验证。m s c n a s t r a n 的整个 研制及测试过程是在m s c 公司的q a 部门、美国国防部、国家宇航局、联邦航空管理 委员会( f a a ) 及核能委员会等有关机构的严格控制下完成的，每一版的发行都要经过4 7 第一二章混凝士泉车刚柔耦合模型的建立 个级别，5 0 0 0 个以上测试题目的检验。m s c n a s t r a n 的计算结果与其它质量规范相 比已成为最高质量标准，得到有限元界的一致公认。通过无数考题和大量工程实践的比 较，众多重视产品质量的大公司和工业行业都用m s c n a s t r a n 的计算结果作为标准 代替其它质量规范。作为世界c a e 工业标准及最流行的大型通用结构有限元分析软件， m s c n a s t r a n 的分析功能覆盖了绝大多数工程应用领域，并为用户提供了方便的模 块化功能选项，m s c n a s t r a n 的主要功能模块有：基本分析模块( 含静力、模态、屈 曲、热应力、流固耦合及数据库管理等) 。动力学分析模块、热传导模块、非线性分析 模块、设计灵敏度分析及优化模块、超单元分析模块、气动弹性分析模块、d m a p 用 户开发工具模块及高级对称分析模块。除模块化外，m s c n a s t r a n 还按解题规模分 成1 0 ，0 0 0 节点到无限节点，用户引进时可根据自身的经费状况和功能需求灵活地选择 不同的模块和不同的解题规模，以最小的经济投入取得最大效益【2 0 】。 m s c a d a m s 是世界上使用范围最广的机械系统动力学分析软件，目前已经被各 行业的数以千计的著名大公司采用。用户使用a d a m s 软件，可以方便的生成虚拟样机 模型，并对虚拟机械系统进行动力学分析。能为用户提供各阶段、全方位、高精度的仿 真计算分析结果，从而达到缩短开发周期、降低开发成本、提高产品质量的目的。另一 方面，a d a m s 软件又是虚拟样机分析开发工具，可以成为特殊行业用户进行特殊类型 虚拟样机分析的二次开发工具平台【2 1 2 4 1 。 利用a d a m s 软件中进行多柔体动力学仿真分析时，在获取部件的弹性特性的方 法中，模态综合法是一种公认的高效而精确的方法。可以利用n a s t r a n 软件进行模 态分析，生成a d a m s 使用的柔性体模态中性文件( a o m n f 文件) ，然后在a d a m s 软件 中导入模态中性文件，就可以生成模型中的柔性体，利用模态叠加法计算其在动力学仿 真过程中的变形及连接节点上的受力情况。a d a m s 软件的分析结果也可以得到 n a s t 黜埘分析需要的人工难以确定的受力和边界条件。就这样可以通过n a s t r a n 软件计入机械系统动力学模型中零部件的弹性特性，以提高系统的仿真精度。 2 3混凝土泵车臂架模型的建立 论文以某国产4 5 m 混凝土泵车为原型，利用s o l i d w o r k s 软件进行混凝土泵车 臂架的三维建模，在s o l i d w o r k s 中的三维模型如图2 1 所示。 汹曳趣淞吣 图21 臂架系统在s o l 。i d w o r k s 中的三维模型 在混凝土泵车臂架的三维模型导入a d a m s 之前，首先设置a d a m s 的工作环境 如下：重力加速度为一98 ，长度、质量、力、时间、分别是i n 、k g 、n 、s 、d e g 。在s o l i d w o r k s 中把臂架系统的装配幽另存为p a r a s o l i d 格式的文件，导入到动力学仿真软件a d a m s 中，模型导入之后，按照备部件的运动关系建立相应的约束副。这里臂架、连杆、油缸 和转台之间, n x ! t 运动关系为旧轴旋转，在同轴旋转连接位置建立旋转副；而油缸缸体和 油缸活塞之间以吲柱副加以约束。一共建市了2 8 个约束副，其中2 3 个旋转副和5 个圆 柱副。模型如图22 和图2 3 所不。 席2 2 臂架系统在a d a m s 中的三维模型 闰2 3 第一节臂和第二节臂铰接处三维模型 由混凝土泵车臂架的二维视罔所示，臂架系统共有五节臂，根据有芙数据和图纸， 现把转台一端称作首端，另一端称作末端，为了能够清楚地指叫每个构件，均以首端到 末端为顺序做如下规定： 第二章混凝十泵车刚柔耦合模型的建立 1 五节臂依次称作臂架l 、臂架2 、臂架3 、臂架4 和臂架5 ； 2 五个油缸依次称作油缸1 、油缸2 、油缸3 、油缸4 和油缸5 ； 3 各节臂上铰接处，转台到臂架5 方向依次称为铰接点d 1 ，l 、q ，2 、d i 3 、d l ，4 、d 1 5 d 2 ，l 、d 2 2 、d 2 3 、q ，4 、d 2 。5 ；0 3 l 、0 3 2 、0 3 3 、0 3 ，4 、0 3 5 ；q ，i 、q ，2 、q ，3 、0 4 4 、 d 4 ，；d 5 ，l 、0 5 2 、0 5 3 ，图2 4 为臂架2 上铰接点编号； 图2 4 臂架2 铰接点编号 4 为不影响臂架柔性体在仿真中的变形，混凝土输送管及内部混凝土离散成质量小 球，平均作用在混凝土输送管与臂架连接处，称作，l i 、m 4 、m ，： 5 垂直软管的重量及工人操作时的垂直拉力也用质量小球代替，作用在臂架五末 端，称作q 。 2 4 混凝土泵车臂架柔性体的生成 在混凝土泵车浇筑过程中，发现各节臂出现了较大的弹性变形，为了使泵车臂架 的动力学仿真更加接近实际，论文采用了模态综合法对部件进行柔化处理，即部件的变 形可以表示为各阶模态变形矢量( 或模态振型) 的线性叠加，在开展动力学仿真研究之 前需要计算部件的模态信息。考虑到仿真速度和系统资源，论文把五节臂架做了柔性化 处理，转台、连杆和油缸用刚体处理。所以该臂架系统模型属于刚柔耦合模型。 根据部件的模态中性文件可以在a d a m s 软件中创建带有柔性体部件的刚柔耦合 模型，计入柔性体部件可以使机械系统的运动更符合实际情况，在动力仿真过程中考虑 柔性体部件对系统的影响，可以极大地提高仿真精度。 a d 舢订s 中有3 种建立柔性体的方法： 1 利用柔性梁连接，将一个构件离散成许多段刚性构件，离散后的刚性构件之间采 用柔性梁连接，只适用于简单的构件，其实质还是刚性构件柔性连接，不算是真正的柔 性体。 l o 长安人学硕十学位论文 2 利用其他有限元分析软件将构件离散成细小的网格，进行模态计算，将计算的模 态保存为模态中性文件m n f o v i o d a ln e u t r a lf i l e ) ，直接读取到a d a m s 中建立柔性体。 计算m n f 的有限元软件包括a n s y s 、n a s t r a n 、i - d e a s 、a b a q u s 。 3 利用a d a m s a u t o f l e x 模块，直接在a d a m s v i e w 中建立柔性体的m n f 文件， 然后用柔性体替换原来的刚性体。 论文通过第二种方法利用n a s t r a n 有限元软件创建臂架的模态中性文件( 即m n f 文件) ，在a d a m s 软件中读入此文件就可以生成该臂架的柔性体模型。将五节臂全部 导入生成柔性体模型后，建立臂架与其他部件的连接关系，并给系统设置相应的驱动即 可进行系统的动力学仿真。 在n a s t r a n 中生成模态中性文件的过程如下： 步骤1 ：建立模型 混凝土泵车臂架模型的建立有两种方法：一种方法是直接在n a s t r a n 中进行建 模，另一种方法是通过其它的三维建模软件( 比如s o l i d w o r k s 、p r o e n g i n e e r 、c a t i a 、 u g 等) 建模，然后导入到n a s t r a n 中。两种方法各有优缺点：第一种方法建模困难， 划分网格较容易；第二种方法正好与其相反，创建模型容易，但是网格划分难以控制。 由于论文所研究的混凝土泵车臂架的结构以箱体为主，结构相对比较复杂，故论文通过 s o l d w o 砌强建立模型，然后导入到n a s t r a n 中。 步骤2 ：划分网格 由于在动力学仿真部分和疲劳分析部分使用相同的网格模型，网格划分应兼顾整体 分析流程不同部分的特性，满足联合仿真的需要。本文采用t e d l 0 单元划分网格。对于应 力集中部位。应尽可能提高网格密度和网格质量。需要特别注意的是，在将构件离散成 有限元网格的时候，对于那些需要关联运动副的位置，要设置一个节点，例如如果要在 圆孑l 的中心位置定义旋转副，需要在圆孔的中点位置定义一个节点，将该节点指定为外 连点，这样将来可以通过该节点来创建运动副或载荷的受力点。论文中混凝土泵车臂架 与其它各部件之间都是以旋转副连接进行约束，并且模型中省略了销轴，所以需要在销 孔中心创建外连节点，节点与孔壁上的节点固化，外连点上的力平均分布在孔壁的结点 上。论文通过在n a s t r a n 中设置m p c ，用r e b e 2 命令把外连点和其周围相临的节 点固化。臂架上除了以旋转副连接进行约束的位置需要建立外连节点外，臂架与输送管 连接处也要建立外连节点。以臂架1 为例，臂架1 上共需要创建8 个外连节点，其中5 个是旋转副处的外连节点，3 个是臂架1 与输送管连接的外连节点。下面是臂架1 上的 船一e 混凝t 乍川i 揣台模型的建_ f 外连节点的固化图。 囤2 5 臂架1 外连节点固化图 图2 6 臂槊1 铰点q ，外连节点固化图图2 7 臂架l 铰点q ：外连节点固化图 国2 8 臂架1 铰点q3 外连节点固化图圈2 9 臂架1 铰点q4 、q5 外连节点同化图 步骤3 ：导出模态r iz 性文什。 铂限元计算采用m s cn a s t r a n 求解自由【f 交模忐。通常来说，工程问题中毛耍 关心的是低频范吲的响应盼2 “，所以汁算时取酊1 0 阶模忐，另外m 于臂架上有5 个铰 接外连点和4 个混凝土输送管连接外连点，最终得到的模态一她有1 0 + g x6 + 6 = 7 0 阶。 以臂架二为恻，模态训算后前6 阶为刚性模态( 柔性体信息, d 2 v a d a m s 后自动将 其失效) 下面列出l j ，6 阶柔降模忐( 第7 至1 2 阶) 信息如表2 1 ，振型如图2 1 0 - 2 1 5 所小。 表2 1 臂架2 模态信息 “嚏灞 剐2 1 0 臂架第7 阶振型 倒2 1 l 臂架二第8 阶振型 乒- _ 雩i 瞰譬蠲黔曲、 多p 一埯 图2 1 2 臂架：第9 阶振趔酗2 1 3 臂架二第1 0 阶振掣 譬= = j i = 詈巳 乒翔啦飞 蝌2j 4 臂架二第“阶振剞冈2 1 5 臂桨二第控阶振刑 2 5 刚柔耦合模型的建立 在理立柔1 陀体的州候，i 耍八进束的柔r 土件的位营并小定是所要的倚黄，在莱睫体 上定义运动副和栽茼也小方便，为方恒操作，a d a m s 最新丌发r个方便丁且，即直 接将柔性体替换刚性体，静换后刚性体上的运动副，载荷等会闩动转移剑柔性体卜，刚 性体r 的m a k e r 点会转移到柔性体卜与m a k e r 点蛀近的节点r ，新的柔牲体还会 * “十泉下h u 棠耥模型的吐t 继承原束川性体的一些特征，如颤色、图标尺寸、初始速度、模态位移等这样就方便 了操作。 模志中性文件生成之后，把每节臂的模志中性文件依次导八到a d a m s 模型中，换 掉对应的刚性模型就可以得到混凝上泵车臂架的刚柔耦合模型如图21 6 和21 7 所示。 图2 1 6 混凝土泵车臂架刚柔耦台模型 ，一 l 一 图2 1 7 臂架1 柔性体模型 模忐中性文件导入到a d a m s 模型l 卜l ，换掉对应的刚性模型得到柔性体后，需耍 进一步对其编辑，赋予其相应的信息。对柔性体的编辑与刚性体的编辑有很大k 别，柔 性体没有质量和惯性矩的概念，因此不需要给柔性体赋予质量信息，对柔性体最大的编 辑就是决定使用哪阶模态参与运算以及设置柔性体的模态阻尼。柔性体编辑对话框如图 2 1 8 。 选项d a m p i n g r a t i o 设置柔性体的模态阻尼，当选项u s ed e f a u l t 时，将频璋i 低于1 0 0 的模志阻尼设置为0 0 】，将频率为1 0 0 - 10 0 0 之m 的模忐阻尼设置为0l ，将频率超过 1 0 0 0 的楼态阻尼设置为1 。论文置通过试验测得的臂架模态阻尼比o0 0 8 4 5 。 莱性体的变形是通过模态叠j j 口得到的，由丁不同的模态对秉性体变形的贡献量不 同，也就是模态参与园子的大小不同。通过让那些对变形能比率贡献量少的模态失效 能够加快仿真速度，节省系统资源，并且对仿真的结果影响也很小。沧文在a u t o 选项 中，设置e n e m y i b l c r a n c e 的值为o0 0 1 ，那些对应变能比牢小于浚数值的模卷t 系统自 动将其失效。 k i 人 - l 。学论z 本章小结 图2 1 8 柔性体编辑对话框 率章丰要工作町归纳为以r 几点： l 根据某公刈提供的4 5 m 混凝土泉车技术资料，利片js o l i d w o r k s 三维建模软 件建立了泵车臂架系统的三维模型。 2 利用m s c n a s t r a n 有限元分析软件和m s c a d a m s 多体动力学分析软件建正 了咀血仃臂架为柔性体的臂架系统的刚柔耦合模型。 第三章基于混凝土泵车刚柔耦含模型的动力学仿真 第三章基于混凝土泵车刚柔耦合模型的仿真分析 3 1 仿真分析概述 在a d a m s v i e w 中可以进行5 种类型的仿真分析： ( 1 ) 动力学分析( d y n a m i c ) ：动力学仿真模型至少需要有一个自由度，它不考虑系 统运动的起因，能够确定各部件的位置与姿态，同时得到他们的变化速度和加速度的关 系，用时间函数表示。动力学仿真过程中，a d a m s s o l v e r 求解所有的非线性方程和几 何方程。 ( 2 ) 运动学分析( k i n e m a t i c s ) 求解各部件运动过程中的位置关系，同时能够得到部 件某点的位移、速度和加速度随时间的变化曲线，需要模型为零自由度。模型中的部件 如果设定了质量和转矩，求解过程中能够得到计算相应的外力和反作用力。 ( 3 ) 静态分析( s t a t i c ) ：静态仿真分析要求模型至少有一个自由度。在所有外力作用 下，求解模型在达到力平衡时各部件的位置，计算相应的反作用力。 ( 4 ) 装配分析( a s s e m b l e ) - 装配仿真分析用来检查模型，所有a d a m s s o l v e r 认为定 义不正确的运动副都能够被改正，同时能够排除所有不正确的初始状态。 ( 5 ) 线性分析( l i n e r ) ：线性仿真分析能够求解模型的固有频率和固有振型，计算过 程中可以线性化特定的非线性运动方程。 a d a m s s o l v e r 仿真分析控制方式有两种，分别为交互式仿真控制和脚本仿真控 制。其中交互式仿真控制比较简单，只要输入仿真类型、仿真时间和仿真步长就可以进 行仿真分析。脚本仿真控制可以完成交互式仿真控制的全部功能，脚本仿真控制与传感 器的联合使用可以改变仿真过程中的参数，完成一些特殊的功能。 仿真分析完成后，采用内置于m s c a d a m s 求解器中的d u r a b i l i t y 模块，在后处 理器中可以进行仿真结果回放和曲线绘制【2 7 】。 3 2 混凝土泵车臂架振动分析 混凝土泵车在工作时两个液压油缸交替循环动作，从而不断地将混凝土压送至浇 注位置。由于两个液压油缸交替动作，因此混凝土泵车便承受了一个具有一定周期的激 励作用。混凝土泵车处在工作状态时，臂架伸出，液压油缸锁死。整个臂架系统可以看 做是一个悬臂梁结构。混凝土泵车在泵送过程中，由于液压系统的冲击引起了泵车臂架 1 6 长安人学硕士学位论文 的振动。这种振动使泵车的最后一节臂产生很大的振幅，而且是一个复合振动，既在水 平面内振动又在垂直面上振动，这致使混凝土泵车臂架末端所连接的输料软管无法定 位，尤其在工作面较小的大型桥墩、高层房屋建筑施工时，更是增加了施工难度，影响 了施工质量，还会造成大量的原料浪费。同时由于振动的存在，使得混凝土泵车臂架的 动态性能和疲劳寿命都受到很大的影响。因此通过分析泵车臂架结构的振动，找出振动 原因，并找出解决方案，对于延长混凝土泵车的疲劳寿命，改善泵车的整机性能及提高 施工质量都有十分重要的现实意义【2 8 。们。 论文基于混凝土泵车臂架系统的刚柔耦合模型，利用动力学仿真软件a d a m s 自 带的a d a m s v i b r a t i o n 模块，对臂架系统进行谐响应振动分析，得到臂架系统的模态信 息，同时还能够得到不同激励频率载荷下臂架系统的振动响应曲线。 任何结构系统在持续的周期载荷作用下都将产生持续的周期响应。设计人员通过 谐响应分析能够了解结构的持续动态特性，从而验证其设计是否成功地克服共振、疲劳 及其他受迫振动引起的有害效果。谐响应分析是用来分析在受到正弦激励载荷时，线性 结构稳态响应的一种技术。可以得到结构在不同激励频率载荷下的响应，并得到一些参 数对频率的响应曲线【3 i 】。 3 2 1 输入、输出通道设置 混凝土泵车在浇注混凝土时，液压油缸的交替作用产生了冲击力。而液压油缸的 冲击力通过机架作用到转台上，从而引起臂架的振动。故臂架的振动源由液压油缸的冲 击力转换为转台受到的冲击力。把转台受到得冲击力( 只考虑竖直方向) 以输入通道的 形式加载到转台的质心处。输出通道为每节臂架的末端的位移和加速度。此时，把各臂 架的铰接处和臂架5 末端做为测试点。各臂架铰接有4 个测点，臂架5