（机械电子工程专业论文）强夯机液压支承减振机理研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 面 文 强夯机强夯施工过程中反复将夯锤起吊到一定高度后，利用自动脱钩装置释放夯锤 或带绳自由落下，给地基以强大的冲击能量的夯击，使土中出现冲击波和冲击应力，以 此来强化地基土，实现增加其承载能力的目的。强夯过程中基础产生的强大冲击波使强 夯机产生强烈的振动，研究减小此冲击载荷对强夯机结构的影响，对提高强夯机的作业 效率、延长其使用寿命是必要的。 本文所研究的c g e 8 0 0 型强夯机，在工作时通过支脚液压缸传递地面和整车之间的 主要载荷，属于大型复杂非线性系统。在动力学分析中，其主要部件的柔性变形及支脚 液压缸的支承对系统动态性能的影响不可忽略。常规的简化解析计算方法或应用传统的 刚体动力学分析软件仿真难以获得真实的系统动态参数 本文应用动力学仿真软件a d a m s ，结合三维实体设计软件p r o e 和有限元分析软 件a n s y s 构建了c g e 8 0 0 型强夯机的虚拟样机机械系统模型，并利用a d a m s v i e w 模块完善了系统中提升钢丝绳和地面模型，利用a d a m s h y d r a u l i c s 模块构建强夯机的 液压系统模型。完成了强夯机突然卸载和受到地面的冲击载荷工况下整机机械系统模型 的动力学分析，实现了机液一体化仿真。 通过分析仿真结果中关键部件的位移、关键液压元件的压力和流量等数据，提出在 强夯机液压系统中添加蓄能器的方法来减弱地面的冲击载荷对强夯机的作用，并通过仿 真验证了此方法是可行性，并根据仿真结果提出了相关液压元件的设计准则。 本文的研究工作为采用虚拟样机技术分析复杂工程机械动态性能做了有意义的尝 ： 试，获得到了一些经验，并对强夯机的设计提供了有价值的参考。 关键词：强夯机；动力学分析；液压；a d a m s 强夯机液压支承减振机理研究 r e s e a r c ho nv i b r a t i o nr e d u c t i o no fd y n a m i cc o m p a c t o rh y d r a u l i c d a m p i n g a b s t r a c t t h el l a i t r m e ri sl i f t e dt oac e r t a i nh e i g h tb yd y n a m i cc o m p a c t o rd u r i n gt h ec o n s t r u c t i o n p r o c e s s t h e nt h ed y n a m i cc o m p a c t o ru n l o a d ss u d d e n l ya n d 也eh a m m e rd r o p s t ot h eg r o u n d b yt h ei m p a c to fs t r o n ge n e r g y t h eh a m m e r o fd y n a m i cc o m p a c t o ri nt h ep r o c e s so fl a n d i n g 、i 1 1h a v eas h o c kw a v e n l es h o c kw a v ew i l lh a v eag r e a ti m p a c tl o a do nt h ed y n a m i c c o m p a c t o r i ti sn e c e s s a r yt of m do u th o w t or e d u c et h ei m p a c t , s oa st oi m p r o v eo p e r a t i n g e f f i c i e n c y ，e x t e n di t sl i f e i nt h i sp a p e r ，t h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h ec g e 8 0 0d y n a m i cc o m p a c t o r ，w h i c hi sa l a r g ec o m p l e xn o n l i n e a rs y s t e m , i ss t u d i e d i nd y n a m i ca n a l y s i s ，t h ee f f e c to ft h ef l e x i b l e t r a n s m u t a t i o na n dh y d r a u l i cd a m p i n gt ot h ed y n a m i cr e s p o n s eo ft h es y s t e mc a nn o tb e i g n o r e d s oi t i sd i f f i c u l tt og e ti d e a ld y n a m i cp a r a m e t e r so ft h es y s t e mb yu s i n gt h e c o n v e n t i o n a ls i m p l i f i e da n a l y t i c a lm e t h o do rt h et r a d i t i o n a lr i g i db o d yd y n a m i c ss i m u l a t i o n s o f t w a r e a p p l y i n gt h es o f t w a r ea d a m sf o rd y n a m i cs i m u l a t i o n , p r o ef o rt h r e e d i m e n s i o n a l d e s i g na n da n s y s f o rf i n i t ee l e m e ma n a l y s i s ，t h em e c h a n i c a ls y s t e mo fv i r t u a lp r o t o t y p i n g m o d e lo ft l l ec g e 8 0 0d y n a m i cc o m p a c t o ri sc r e a t e d n l em o d e l so ft h el u f f e rr o p ea n d g r o u n da r ei m p r o v e db ya d a m s v i e wm o d u l e t h eh y d r a u l i cs y s t e m i sm o d e l e db y a d a m s h y d r a u l i c sm o d u l e n ed y n a m i cs i m u l a t i o no ft h ec o m p l e t em e c h a n i c a ls y s t e mi s a c c o m p l i s h e di nt h ew o r kc o n d i t i o no f s u d d e nu n l o a d i n ga n di m p a c tl o a df r o mg r o u n d b ya n a l y z i n gt h ed i s p l a c e m e n to fk e yc o m p o n e n t s ，t h eh y d r a u l i cp r e s s u r ea n df l o w r a t e o fk e yc o m p o n e n t si nh y d r a u l i cs y s t e m ，t h em e t h o do fr e d u c i n gi m p a c tl o a do nt h ed y n a m i c c o m p a c t o r w h i c hi sa d d i n gt h ea c c u m u l a t o ri n t h eh y d r a u l i cs y s t e m ，i sp r o p o s e d n l e f e a s i b i l i t yo ft h i sm e t h o di sv e r i f i e db ys i m u l a t i o n a c c o r d i n gt h es i m u l a t i o nr e s u l t ，t h ed e s i g n c r i t e r i ao fr e l e v a n th y d r a u l i cc o m p o n e m sa r eg i v e n t h r o u g hr e s e a r c h ，a ne 伍c i e m m e t h o do fa n a l y s i sc o m p l i c a t e dc o n s t r u c t i o nm a c h i n e r yi s s u m m a r i z e d s o m ed e s i g n i n ge x p e r i e n c ei sc o n c l u d e d n l es i m u l a t i o nd a t ai sh e l p f u la n d v a l u a b l ef o rt h ed e v e l o p m e n to fd y n a m i cc o m p a c t o r k e yw o r d s ：d y n a m i cc o m p a c t o r ；d y n a m i cs i m u l a t i o n ：h y d r a u l i c ；a d a m s i i 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：壅菱扭速匡查丞逋拯扭丝叠觅 作者签名：耋塾i 玺：日期：呈翌呈年j 生月二乙日 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 作者签名： 导师签名： 日期：呈翌至年旦月乏日 日期：2 盟丕年2 月2 笸- 日 大连理工大学硕工学位论文 1 绪论 1 1 强夯概述 11 1 强夯法简介 强夯法又称动力吲结法( d y n a m i cc o n s o l i d a t i o no rd y n a m i cc o m p a c t i o n ) ，是用起 重设备( 专用强夯机或起重机配三角架、龙门架等) 反复将8 4 0 t ( 是重达2 0 0 0 夯锤起 吊到8 2 5 m ( 揖高达4 0 m ) 高度后，利用自动脱钩释放载荷或带锤自由落下，给地基 以强大的冲击能量的夯击，从而提高地基的强度、降低压缩性、改善其抵抗振( 震j 动 液化能力、消除湿陷性的一种有效地基加固方法。强夯过程使土中出现冲击波和冲击戍 力，迫使七体孔隙压缩，十体局部液化，在夯击点周围产生裂隙，形成良好的排水通道， 孔隙水和气体逸出，使土粒重新排列，经时效压密达到固结的目的。该法自诞生以来， 以其经济易行、效果显著、设备简单、施工便捷、节省材料、质量容易控制、适用范围 j 、施工周期短等突出优点，在世界各地多种类型、多种目的的地基处理工程中得到了 1 3 盏。泛的应用。也是我国目前最为常用和最经济的深层地基处理方洼之一不足之处 在于对在施工影响范围内的建筑有不利的影响。强夯机的工作过程如图11 所示。 弘t 0 一i 玉 图1 1 强夯施工示意图 f i g l1t h es k e t c ho f d y n a x a i cc o m p a c t i o n 2 强夯设备发展现状 ( 1 ) 国外情况 从文献资料分析，国外强夯机主要有三大类，分别为三角形固定桁架臂絮式( 如图 12 左) ；三角井字架式( 如图l2 中) 和大吨位安装用起重机【2 1 ( 如图12 右) 。 1 9 7 5 年， 法国梅纳公司为完成法国尼斯( n i c e ) 机场一条经填海形成的e 机跑道( 填土厚8 1 8 m ， 原海底为松软的粉土，厚5 0 一8 0 m ，要求加固深度达4 0 m ) ，研究开发了起重量为 强夯机液压支承减振机理研究 2 0 0 0 0 k n 、提升高度为2 5 m 、自重5 5 0 0 k n 、具有1 8 6 个轮胎的三角形固定桁架臂强夯 机。这也是迄今为止世界上最大的强夯施工机械。但由于自重和外形尺寸过大，】8 6 个 轮胎的均载和转弯协调不易很好实现，加上对施工场地要求过高等原同，使该设备再未 应用于其它强夯丁程。三角井字架式强夯机从受力分析上来说是强夯机开发与制造肋理 想形式，该结构不但具有是好的结构受力特性，而且可大幅度减轻设备自重i 降低制造 成本。因此国外有不少这一类型的强夯机。 图12 国外强务机类型 f i g 12 t y p e so f t h e f o r e i g nd y n a m i cc o m p a c t o r 在英国和美国，目前的强夯工程中，绝大部分夯锤的重量在6 0 0 1 c , n ，落距在2 0 m 以 内，旌工也由履带超蕈机来实旌。在英国，对1 5 0k n 夯锤、藩距】5 m ，即能级2 2 5 0 k n m 的强夯称为高能级强夯( f u l l s c a l e d y n a m i c c o m p a c t i o n ) ，对夯锤为6 0 】0 0 k n m 的强夯 称为低能级强夯( m i n id y n a m i cc o m - p a c t i o n ) ，施工机械也由通用的履带起重机来代替。 在香港进行的1 4 0 0 0 k n m 和7 0 0 0 k n m 的高能级强夯置换处理深达4 0 m 的海相淤积土也 是使用3 0 0 0k k 和1 5 0k n 履带起重机f 如图l3 ) 。在国外，如采用履带起重机来进行强夯 时，一般起重机的最大额定起重量为夯锤重量的3 5 倍。 ( 2 1 国内情况 国内强夯施工从1 9 7 5 年开始介绍和；i 进至今，虽经历了_ 二十多年发展，能级也已 达到1 0 0 0 0 l n m ，但施工设备仍大多以中小吨位安装用履带起重机作为改造对象，增加 辅助装置来实现8 0 0 0 k nm 以下能级的强夯作业。这种改造的目的是增加作业时的抗倾 覆稳定性，减轻重量或改善桁架臂杆的抗弯能力。应该说，这种改装后的“代用强夯机”， 虽然在8 0 0 0 l n1 2 1 能级咀下的夯实作业中具有机具使用一次性投入成本低的特点，但同 时存在安全性差、使用教率低、消耗和维护成本高的缺陷。 大连理工，、学硕士学位论文 图13 履带起重机替代强夯 f i g i3 d y n a m i cc o m p a c t i o nr e p l a c e db yc m w l e r 目前，国内强夯机主要形式有二种：一种是以w 2 0 0 a 起重机为代表的，在强夯臂 杆中后部加装防后倾装置而成的强夯机( 图14 左) ，它能满足夯锤重量不大于1 8 0k n ， 能级低于3 0 0 0 k nm 的强夯施工。另一种以w 1 0 0 i ，q u 2 5 ，w 2 0 0 a 起重机等为代表，加 装辅助门架形成的“代用强夯机”( 图14 右) 。但所有这些“代片j 强夯机”都存在着起 重能力小( 1 5 0 5 0 0 k n ) 、自重大( w 2 0 0 a 进行3 0 0 0 k n m 强夯作业时，的作业自重达 7 6 0 k n ：包括夯锤的工作重量达9 4 k n ) 、接地比压高( w 2 0 0 a 自重下接地比压01 2 3 m e a ) 、工作级别低、稳定性差的缺陷，而且这些机型大部分都产生于7 0 8 0 年代，设 计思想落后、传动与控制简单( 全部属机械传动、液压或气动控制或机械控制1 、传动效 率低、可靠性差；外形尺寸庞大，给远距离运输带来不便的同时也增加了运输成本。 更大的隐患p 1 来自作业安全，国内大多数“代用强夯机”机龄普遍较大，最长的超 过3 0 年。还有，生产上述机型的抚顺挖掘机厂、长江起重机厂、杭卅重型机械厂都己 小生产或基本小生产这些产品，所阻，没有技术支持和技术改进的设备，淘汰是必然的。 从施工实践来看，由于这些机型在设计中末考虑强夯机的使用特性，工作级别又偏低， 所以结构件和零部件的损坏十分频繁，强夯作业的机械可靠性根本无法保证，强夯作业 中的维修时可大大增加，使施工成本增加、生产效率降低。 进入9 0 年代，国内也曾尝试过用抚顺挖掘机厂生产的q u y 5 0 全液压履带起重机和 日本 十钢的p & h 5 1 7 0 型1 5 0 0k n 履带起重机进行强夯施工，均冈不太适合强夯施丁和 成本过高、效率太低而被强夯界放弃。 强旁机液压支最减振机理研究 图i4 代用设备强夯 f i g l4 d y n a m i ec o m p a c t i o ns u b s t i t u t i o n 1 2 履带式专用强夯机 履带式专用强夯机是针对现代强夯施_ j 二作业特点和使用要求而设计开发的专用设 备，较之以往替代设备，具有可提高使用寿命和作业的可靠性、明显降低冲击与振动、 适用性广等诸多优点。 大连理工大学工程机械研究所研究设计的履带式专用强夯机出履带行走机构、车 架、转台及臂架系统组成，可实现行走、回转、起升、变幅等动作。此类强夯机己经形 成系列产品f 如图15 ) 。图左一和左三为a 型机，左二为b 型机，右一为本文研究的 c g e 8 0 0 型强夯机。a 型机包括一回转平台，在该回转平台上设置有三角形空间桁架结 构臂架和人字架结构，在底盘和叵转平台之间连接有叵转支撑盘，在回转平台的后端设 置有液压支腿；所述的三角形空甸桁架结构臂架是由两根前倾的前主弦、一根居中前倾 的后主弦及前后主弦之间相互连接的缀条构成，在后主弦的下端连接有变幅液压缸：在 所述底盘上的匹角处设置有四个减载支座，在回转平台的底面前部两侧设置有两个减载 液压缸，在回转平台的底面后中部设置有一个减载液压缸；在前主弦上设置有超载液压 提升油缸。而b 型机则没有八字架结构，臂架也不是三角形空旬桁架，而改为塔架式结 构，同叫去掉了回转支承，受力较z a 型改善很多。 a 型和b 型这两种型号的强分机最大能级可达18 1 0 4 k nm 都能够满足强夯施工 中点夯和满夯的工况要求。在施工过程中完成一个夯点向下一个夯点的移动过程中，可 出驾驶员目行操作完成，不需要其他工作人员，大大的提高了工作效率。同时出于整机 设计科学，受力台理，也使得施工安全褶到r 有效的保证。 1 奄 盐 大连理工大学硕士学位论文 图l5 履带式专用强夯机 f i g 15c r a w l e rd y n a _ l n a i cc o m p a c t i o n 本文所研究的c g e 8 0 0 型强夯机为大连理工大学工程机械研究所最新设计开发的机 型，针对主要工况为满夯，能级在8 x 1 03 k nm 以下，同时兼顾a 型和b 型强夯机在强 夯旋工过程中出现的部分问题和整机的制造成本。 c g e 8 0 0 型强夯机结构由牵引车、甲台、车架、轮组、液压支承、人字架及臂架系 统组成，可实现行走、回转、起升、变幅等动作。此强夯机最大能级为12 1 0 4 k nm ， 满夯能级为8 1 0 3 k nm 。与以上a 型和b 型相比，该强夯机的牵引车相对要小很多， h 时前端伸出一个a 字形车架，有两个支脚液压缸和两个车轮，由于支撑部分形成个 三角形且跨距较大，所以整机的稳定性得到了大大的提高，牵引车的减小又使整机的造 价降低了很多。臂架系统也进行了多出改进特别是臂架的头部重量得到了很大程度的 减轻。 13 作业要求和载荷工况 对强夯设备性能的要求是与强夯工艺所承担的任务对象相对应的，如锤重、落距、 场地地质条件等。通常情况，对强夯机的设备性能有如下要求： f 1 1 强夯机应具有较高的工作级别”j 强夯机的工作级别应不低于a 7 。 ( 2 ) 强夯机应具备较强的地形适应能力和较高的作业稳定性。也就是说，整机自重 要轻，履带接地比压要小，在吊重4 0 t 时，接地比压最好不要大于0 1 m 口a ；前、后和侧 强夯机液压支承减振机理研究 向稳定性高，从而保证强夯作业能在承载能力较低的松软场地上作业；也才能使突然全 负荷卸载下具有足够的安全、稳定性以及在横坡小于等于5 度的场地上施工。 ( 3 ) 应适当增大系统的刚度，从而减轻在静力平衡破坏后，出现反弹和振动等动态 响j 立。 ( 4 ) 根据强夯作业特性，卷筒应具有宽幅大容量、高弹出力和高制动性能。宽幅大 容量可使钢丝绳卷绕层数减少，避免钢丝绳乱绳及互相咬合产生扭曲；卷扬的高承载性 能，可满足从夯坑中起升时以瞬间爆发力将夯锤提起的施工要求；高性能的制动系统可 防止“跑锤”等事故的发生。 ( 5 ) 发动机功率应有充足的储备，行走机构能适应泥泞和沉陷地面的行走和转向。 要求强夯起重机发动机功率、行走机构的驱动转矩应比同级别通用型履带起重机大。 综上，强夯作业要求和载荷工况要求设备机械结构具有足够的强度和刚度外，还应 具备良好的动态性能。 1 4 课题研究的目的和内容 1 4 1选题背景和意义 强夯机工作过程中反复夯锤起吊到一定高度后，利用自动脱钩装置释放夯锤或带锤 自由落下，给地基以强大的冲击能量的夯击，使土中出现冲击波和冲击应力，产生的强 大的冲击波对整个强夯机造成极大的冲击伤害。 在3 0 0 0 k n m 施工区，对与夯点相距2 , 、一- 3 0 m 不同点地面进行振动监测。图1 6 为 强夯时平均振动加速度衰减曲线。从图中看出，距夯点5 米处的竖直方向加速度约为 1 5 9 ，即为1 4 7 1 5 m s 2 。1 5 - 8 】 2 5 2 0 01 5 魁 嘲1 0 届 3 o 憾夯振动平均加速度与距离关系曲线 、 网 i ：霎器l 嚣 i 兮 051 01 52 02 53 0 距离( m ) 图1 63 0 0 0 k n m 能级强夯时平均振动加速度衰减曲线 f i g 1 6 t h em e a s u r e da t t e n u a t i o nc u rv eo fe v e na c c e l e r a t i o nd u r i n g3 0 0 0 k n md c 大连理工大学硕士学位论文 对于不同的地质条件，夯锤落地后产生对地面的冲击加速度也是不同的，但根据实 际测量的数据，此差别相对于其基数还是很小的，基本可以忽略不计。 前文所述的a 型和b 型强夯机的行走装置距离夯点都在3 5 米左右，而距离夯锤 落地后的边缘仅2 米左右，这样夯锤落地时产生的冲击波就会对行走装置上的零部件产 生极大的破坏。 根据测得的数据显示，夯锤落地时产生的冲击波的频率在7 1 0 赫兹之间，传递至 距夯点5 米处的支脚盘上将产生1 0 9 ( 即9 8 1 m s 2 ) 向上的加速度，所以在强夯机的支 脚盘处将受到使其在o 1 秒内产生9 8 1 m s 2 加速度的力。如此大的瞬时冲击力对整个强 夯机结构的损害是非常严重的。因此研究如何减小此冲击载荷对强夯机的影响，对提高 强夯机的作业效率、延长其使用寿命是必要的。 1 4 2 课题研究内容及技术路线 课题的研究内容为： ( 1 ) 通过现场试验测量地面对液压支承支脚盘的加速度曲线； ( 2 ) 建立强夯机的机械和液压系统虚拟样机模型； ( 3 ) 通过仿真强夯机突然卸载和受到地面冲击载荷两个工况获得相关动态数据； ( 4 ) 分析结果，改进模型； 研究工作的技术路线为： ( 1 ) 用p r o e 三维实体设计软件完成强夯机虚拟样机三维实体建模，包括牵引车、 平台、液压支承，人字架等。 ( 2 ) 将在p r o e 中建立的三维模型通过a d a m s 中的p r o e 接口模块导入a d a m s 。 ( 3 ) 利用a n s y s 软件建立臂架、车架的柔性体模型，并通过接口程序导入a d a m s 。 ( 4 ) 在a d a m s 中建立强夯机的滑轮组、提升钢丝绳及地面等模型。 ( 5 ) 添加各部件之间的约束副，建立强夯机完整的虚拟样机机械系统模型。 ( 6 ) 用a d a m s h y d r a u l i c s 模块建立变幅液压缸和支脚液压缸的液压系统模型，施 加载荷，实现强夯机突然卸载和液压支承受到瞬时冲击两个工况下的动力学机械和液压 系统联合仿真，并针对仿真结果进行分析。 ( 7 ) 改进支脚液压缸的液压系统，在液压系统中添加蓄能器，进行仿真并比较仿真 后的结果。 强夯机液压支承减振机理研究 2a d a m s 软件及其理论基础 2 1虚拟样机技术 虚拟样机技术【9 。2 】是- f - j 综合多学科的技术。该技术以机械系统运动学、动力学和 控制理论为核心，加上成熟的三维计算机图形技术和基于图形的用户界面技术，将分散 的零部件设计和分析技术( 如零部件的c a d 设计和f e a 有限元分析) 集成在一起，提供 一个全新研发机械产品的设计方法。利用虚拟样机技术在计算机上建立的系统模型，能 在一定程度上具有与实际系统相似的功能。与物理样机相比，它能在设计的最初阶段就 构筑起来，能向设计者、制造者、使用者及管理者提供一个设计结果可视化的途径，使 多学科的设计组在产品定型前就获得修改设计的反馈。 虚拟样机技术的出现和虚拟产品开发是市场激烈竞争的拉动和技术迅速发展的推 动共同作用的结果。随着世界经济的一体化发展，市场竞争日趋激烈，产品消耗结构向 多元化、个性化方向发展，在此情况下，企业要求得生存和发展，必须尽快改变品种， 更新设计，缩短产品开发周期，提高产品设计质量，降低产品研发成本，进行创新性设 计。另一方面，世界已经进入全球化的知识经济时代，现代信息技术特别是计算机技术 得到了飞速发展与广泛应用，这为企业上述问题的解决提供了机遇，在这样的背景条件 下，虚拟样机技术( v p ：v i r t u a lp r o t o t y p i n g ) 应运而生，并成为各国纷纷研究的热剧1 3 。1 丌。 虚拟样机技术的研究处于不断探索之中，目前尚没有一个统一的定义，不同领域对 之有不同的定义，现将几种比较有代表性的论述归纳如下： ( 1 ) 虚拟样机技术就是在建造第一台物理样机之前，设计师利用计算机技术建立机 械系统的数字化模型，进行仿真分析并以图形方式显示该系统在真实工程条件下的各种 特性，从而修改并得到最优设计方案的技术； ( 2 ) 虚拟样机是一种计算机模型，它能够反映实际产品的特性，包括外观、空间关 系以及运动学和动力学的特性。借助于这项技术，设计师可以在计算机上建立机械系统 的模型，随之以三维可视化处理，模拟在真实环境下系统的运动和动力特性并根据仿真 结构简化或优化系统； ( 3 ) 虚拟样机技术利用虚拟环境在可视化方面的优势以及可交互式探索虚拟物体的 功能，对产品进行几何、功能、制造等许多方面交互的建模与分析。它在c a d 模型的 基础上，将虚拟技术与仿真方法相结合，为产品的研发提供了一个全新的设计方法。 同传统的基于物理样机的设计研发方法相比，虚拟样机设计方法具有以下特点： 大连理工大学硕士学位论文 ( 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 ( c o n c u r r e n te n g i n e e r i n g ) ，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) ， 可以完成无数次物理样机无法进行的虚拟试验( 成本和时间条件不允许) ，从而无需制造 及试验物理样机就可获得最优方案，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 l c 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 m 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，而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。 虚拟样机技术在一些发达国家，如美国、德国、日本等已得到广泛的应用，所涉 及的领域从汽车制造业、工程机械、航空航天业、造船业、机械电子工业、国防工业、 通用机械到人机工程学、生物力学、医学以及工程咨询等许多方面。 c a t e r p i l l a r 公司是世界上最大的拖拉机、装载机和工程机械制造商之一。由于制造 一台大型设备的物理样机需要数月时间，并耗资数百万美元，所以，为了提高竞争力， 必须大幅度消减产品的设计、制造成本。c a t e r p i l l a r 公司采用了虚拟样机技术，从根本 上改进了设计和试验步骤，实现了快速虚拟试验多种设计方案，从而使其产品成本低， 性能却更加优越。 在工程咨询方面，可以利用虚拟样机技术再现事故过程，以提供诉讼证据，或帮助制 造商分析售后赔偿问题，或为用户的产品设计预试验。例如，一家公司利用虚拟样机技 术进行车辆事故仿真，在法庭上用其仿真结果进行辩护。法庭根据虚拟样机技术所提供 的证据，作出了客观的判决。 国外虚拟样机相关技术的软件化过程已经完成，较有影响的有美国机械动力公司 ( m e c h a n i c a ld y n a m i c si n c ) 的a d a m s ，c a d s i 的d a d s ，德国航天局的s i m p a c k ， 其它的还有w o r k i n gm o d e l 、f o l w 3 d 、i d e a s 、p h o e n i c s 、a n s y s 、p a m c r a s h 等等 1 7 - 2 0 。 强夯机液压支承减振机理研究 2 2a d a m s 软件 a d a m s ，即机械系统动力学自动分析( a u t o m a t i cd y n a m i ca n a l y s i so fm e c h a n i c a l s y s t e m s ) ，该软件是由美国m d i 公司( m e c h a n i c a ld y n a m i c si n c ) 开发的虚拟样机分 析系统。目前，a d a m s 已经被全世界各行各业的数百家主要制造商采用。 a d a m s 软件使用交互式图形环境和零件库、约束库、力库，创建完全参数化的机 械系统几何模型，其求解器采用多刚体系统动力学理论中的拉格朗日方程方法，建立系 、统动力学方程，对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析，输出位移、速度、 加速度和反作用力曲线。a d a m s 软件由基本模块、扩展模块、接口模块、专业领域模 块及工具箱5 类模块组成。用户不仅可以采用通用模块对一般的机械系统进行仿真，而 且可以采用专用模块对特定工业应用领域进行快速有效的建模与仿真分析【2 1 1 。 a d a m s 动力学仿真软件具有如下三大特点： ( 1 ) 具有二维和三维建模能力，先进的数值分析技术和强有力的求解器，求解速度 快、准确。分析类型包括运动学、静力学、准静力学分析，以及完全非线性动力学分析， 并可进行多刚体和多柔体分析。具有约束库、力库、函数库和可生成用户定义的运动的 发生器，使建模工作更加迅速。通过使用函数表达式和用户子程序，可以使a d a m s 很 容易适用于特殊应用。 ( 2 ) 具有开放式结构。允许用户集成自己的子程序。a d a m s 可调用f o r t r a n 子 程序，具有与c a d ，f e a 和控制系统建模软件之间的专用接口。 ( 3 ) 具有易于使用的图形界面。a d a m s 提供了一个十分友好的集成环境，使建模、 仿真和观察结果十分方便和灵涮列。 2 3a d a m s 设计流程 a d a m s 的设计流程，如图2 1 所示，它包括以下几个方面【乃j ： ( 1 ) 创建模型 在创建机械系统模型时，首先要创建构成模型的物体，它们具有质量、转动惯量等 物理特性。创建物体的方法有两种：一种是使用a d a m s i e w 中的零件库创建形状简 单的物体，另一种是使用a d a m s e x c h a n g e 模块从其它c a d 软件( 如p r o e ) 输入形 状复杂的物体。 创建完物体后，可以修改物体的特性，这些特性是仿真分析时所必需的，包括：质 量、转动惯量、惯性积、初始速度、初始位置和方向，用户可以采用a d a m s 自动算出 的结果，也可以利用特性修改对话框根据需要修改。 大连理工大学硕士学位论文 需要使用a d a m s v i e w 中的约束库创建两个物体之间的约束副，这些约束副确定 物体之间的连接情况以及物体之间是如何相对运动的。最后，通过施加力和力矩，以使 模型按照设计要求进行运动仿真。 ( 2 ) 测试和验证模型 创建完模型后，或者在创建模型的过程中，都可以对模型进行运动仿真，通过测试 整个模型或模型的一部分，以验证模型的正确性。 在对模型进行仿真的过程中，a d a m s v i e w 自动计算模型的运动特性，如：距离、 速度信息等。在进行仿真时，a d a m s v i e w 可以通过测量曲线直观地显示仿真的结果。 将机械系统的物理样机试验数据输入到a d a m s v i e w 中，并且以曲线的形式叠加在 a d m a s n i e w 的仿真曲线中，通过比较这些曲线，就可以验证创建的模型的精确程度。 ( 3 ) 细化模型和迭代 通过初步地仿真分析，确定了模型的基本运动后，就可以在模型中增加更复杂的因 素，以细化模型。例如：增加两个物体之间的摩擦力，将刚性体变为弹性体，将刚性约 束副替换为弹性连接等。 为了便于比较不同的设计方案，可以定义设计点和设计变量，将模型进行参数化， 这样就可以通过修改参数自动地修改整个模型。 ( 4 ) 优化设计， a d a m s v i e w 可以自动进行多次仿真，每次仿真改变模型的一个或多个设计变量， 帮助找到机械系统设计的最优方案。 ( 5 ) 定制界面 为了使a d a m s v i e w 符合设计环境，可定制a d a m s v i e w 的界面，将常需改动的 设计参数定制成菜单或便捷的对话框，可使用宏命令执行复杂和重复的工作，提高工作 速度。 强夯机液压支承减振机理研究 误 要 图2 1a d a m s 设计流程 f i g 2 1 f l o wc h a l r to fa d a m s d e s i g n 2 4a d a m s 软件的理论基础 a d a m s ( a u t o m a t i cd y n a m i ca n a l y s i so fm e c h a n i c a ls y s t e m s ) 是目前世界范围内使 用最广泛的机械系统仿真分析软件。由于机械系统仿真分析提供的分析技术能够满足真 实系统并行工程设计要求，通过建立机械系统的虚拟样机，使得在物理样机建造前便可 分析出他们的工作性能，因而a d a m s 日益受到国内外机械领域的重视。a d a m s 的理 论基础采用的是世界上广泛流行的多体系统动力学理论中的拉格朗日方程方法，建立系 统的动力学方程。 ( 1 ) 广义坐标的选择 大连理工大学硕士学位论文 动力学方程的求解速度很大程度上取决于广义坐标的选择。研究刚体在惯性空间中 的一般运动时，可以用它的连体基的原点( 般与质心重合) 确定位置，用连体基相对 惯性基的方向余弦矩阵确定方位。a d a m s 软件用刚体i 的质心笛卡儿坐标和反映刚体 方位的欧拉角作为广义、工a 一日- ；毋= i x ，弘z ，y ，0 ，9 f ，q = 鼋j ，鼋：】，即每个刚体用六个广义 坐标描述。由于采用了不独立的广义坐标，系统动力学方程组数量最大，同时也是高度 稀疏耦合的微分代数方程，适于用稀疏矩阵的方法高效求解。 ( 2 ) 动力学方程的建立 a d a m s 程序采用拉格朗日乘子法建立系统运动方程： 丢一叫舢斫l jl 一 即 ； 9 ( 鸟，f ) = 0( 2 1 ) o ( q ，口，f ) = 0 式中，丁一系统动能，t = f m ，v + w ，w 】； 9 ( g ，r ) = 0 为完整约束方程； o ( q ，香，) = 0 为非完整约束方程； g 一广义坐标列阵； q 一广义力列阵： p 对应于完整约束的拉氏乘子列阵； 一对应于非完整约束的拉氏乘子列阵。 ( 3 ) 动力学方程的求解 重新改写式( 2 。1 ) 成一般形式： f ( q ，“，西，a ，) = 0 g ( u ，口) = 甜一口= 0 ( 2 2 ) o ( q ，f ) = 0 式中，g 一广义坐标列阵； 口，扰一广义速度列阵； 允一约束反力及作用力列阵； f 一系统动力学微分方程及用户定义的微分方程； 一描述完整约束的代数方程列阵； g 一描述非完整约束的代数方程列阵。 强夯机液压支承减振机理研究 如定义系统的状态矢量y = l g r ，材7 ，1 1 ，式( 2 4 ) 可写成单一矩阵方程： g ( y ，夕，f ) = 0 ( 2 3 ) 在进行动力学分析时，a d a m s 采用两种算法： 提供三种功能强大的变阶、变步长积分求解程序：g s t i f f 积分器、d s t i f f 积分 器和b g f 积分器来求解稀疏耦合的非线性微分代数方程，这种方法适于模拟刚性系统( 特 征值变化范围大的系统) 。 提供a b a m ( a d a m s - b a s h f o r t ha n da d a m s m o u lt o n ) 积分程序，采用坐标分离算 法，将微分一代数方程减缩成用独立广义坐标表示的纯微分方程，然后用a b a m 程序进行 数值积分。这种方法适于模拟特征值经历突变的系统或高频系统。 ( 4 ) 计算分析过程综述 利用a d a m s 软件中提供的零件库、约束库、力库等建模元素，按照所要分析的系 统的物理参数，建立起多刚体系统模型。a d a m s 软件进行计算时，首先读取原始的输 入数据，在检查正确无误后，判断整个系统的自由度。如果系统的自由度为零，进行运 动学分析。如果系统的自由度不为零，a d a m s 软件通过分析初始条件，判定是进行动 力学分析还是静力学分析。在确定了分析类型后，a d a m s 软件通过其功能强大的积分 器求解矩阵方程。如果在仿真时间结束前，不发生雅可比矩阵奇异或矩阵结构奇异( 如 位置锁死) ，则仿真成功。此时，可通过人机交互界面再输入新的模拟结束时间，或者 进行有关参数的测量及绘制曲线。如果在仿真过程中，出现雅可比矩阵奇异或矩阵结构 奇异，则数值发散，a d a m s 软件显示为仿真失败，这需要检查系统模型( 特别是运动 机构的位置锁死点以及约束的类型) ，或者重新设置时间步长、系统阻尼、数值积分程 序中的控制参数等，直到得出正确的仿真结果。 2 5a d a m s 液压分析模块 a d a m s h y d r a u l i c s ( a d a m s 液压分析模块) 是a d a m s 的一个集成可选模块，用户应用 a d a m s h y d r a u l i c s 模块，可以建造机械系统与液压回路之间相互作用的模型，并在计算 机里设置系统的运行特性，进行各种静态、模态、瞬态分析【25 | 。例如： ( 1 ) 液压系统峰值压力和运行压力； ( 2 ) 液压系统滞后特性： ( 3 ) 液压系统控制； ( 4 ) 功率消耗； ( 5 ) 液压元件和管路尺寸。 大连理工大学硕士学位论文 由于a d a m s h y d r a u l i c s 采用了与a d a m s v i e w 相同的参数化功能和函数库，因此用 户在液压元件设计中同样可以运用a d a m s v i e w 模块中的设计研究( d s ) 、试验设计( d o e ) 以及优化( o p t i m i z e ) 等技术。表2 1 为a d a m s h y d r a u l i c s 的功能及特点 表2 1a d a m s h y d r a u li c s 的功能和特点 t a b 2 1f u n c t i o n sa n df e a t u r e so fa d a m s h y d r a u l i c s 功能 优点 液压元懈饰3 哆椭翩撇压黑簇篇豢舫式砌碱娴蒯 开放式建模环境用户可以扩充液压元件库，自行设计专用元件。 强大的求解功能液压动力学方程与系统机械方程组完全耦合，充分发挥