（机械设计及理论专业论文）起重机臂架系统刚柔耦合瞬态动力学仿真分析.pdf

摘要 近年来，我国工业的迅猛发展，使得港口、码头、电厂、货场等工业场所 对起重机的需求量不断增加，也进而对起重机的设计、制造质量和性价比提出 了更高的要求。计算机硬件、计算技术、应用数学、力学、计算机图形学、软 件等技术的不断结合、融合，推动着设计理念、理论、方法、技术乃至工具的 进步，设计理论研究和新技术应用空前繁荣。传统的设计方法常采用古典力学 和数学为基础的经典静态设计方法，对复杂结构的简化和假设太多，往往导致 设计结果准确性不高，不仅使整机的结构和零部件强度有很大富裕，而且导致 重大的结构件事故时有发生，比如疲劳、断裂破坏等。起重机臂架系统是臂架 类型起重机的重要承载部件之一，其力学特性对整机的正常运转有直接的影 响。在港口机械研制过程中引入虚拟样机技术可以实现起重机臂架系统在各种 工况下随载荷变化的运行状态及随时间变化过程的仿真模拟，得到臂架系统的 动力学特性，对港口机械进行动态分析和计算具有一定参考价值。 本文根据起重机动力学振动理论，利用a n s y s 、u g 、a d a m s 软件平台， 求解臂架系统模态参数，建立起重机臂架系统的三维数字化虚拟样机，对其进 行多体系统动力学仿真分析，为起重机臂架系统的动态设计提供有效的技术支 持。 论文的主要内容包括：利用有限元分析软件a n s y s 完成对臂架系统的模 态分析，得到臂架系统的固有频率、各阶振型等参数；运用a n s y s 瞬态分析 模块求解臂架系统在起吊货物过程中的瞬态响应；利用u g 软件建立臂架系统 结构三维实体模型，并导入a d a m s 软件，得到多刚体虚拟样机分析模型并对 其进行动力学仿真分析；利用a n s y s 软件的接口技术，在a d a m s 中建立臂 架系统结构的柔性体模型，根据实际情况添加相应的约束和驱动，得到刚柔耦 合动力学模型，完成臂架系统刚柔耦合运动学和动力学动态仿真，求解臂架系 统结构动态应力等。运用虚拟样机技术解决起重机臂架系统动力学问题的研究 是本文的研究目标，为研究起重机臂架系统等大型结构动力学仿真分析提供一 种动态设计方法。 关键词：虚拟样机技术起重机臂架系统a d a m s 动力学刚柔耦合 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，t h er a p i dd e v e l o p m e n to fi n d u s t r y , p o r t ，w h a r f , p o w e rp l a n t ， i n d u s t r i a ls i t e sd e a l i n gf o rt h ei n c r e a s i n gd e m a n do fc r a n e ，a n dt h e nt od e s i g na n d m a n u f a c t u r eo ft h ec r a n eq u a l i t ya n dp r i c ep u tf o r w a r dh i g h e rr e q u e s t 。c o m p u t e r c o m p u t e rg r a p h i c s ，a n ds o f t w a r et e c h n o l o g yc o n s t a n t l y ，p r o m o t e s t h ef u s i o n0 1 ( d e s i g mc o n c e p t s ，t h e o r i e s ，m e t h o d s ，t e c h n i q u e sa n dt o o l so fp r o g r e s s ，d e s i g nt h e o r y r e s e a r c ha n da p p l i c a t i o no fn e wt e c h n o l o g i e su n p r e c e d e n t e dp r o s p e r i t y f h e t r a d i t i o n a ld e s i g no fc l a s s i c a lm e c h a n i c sa n dm a t h e m a t i c sm a yb ea d o p t e d f o rt h e c l a s s i cs t a t i cd e s i g nm e t h o db a s e do nc o m p l e xs t r u c t u r e ，t h ec a l c u l a t i o no fu s m g s i m p l i f i e da n da s s u m em u c h ，o f t e nl e a d st od e s i g nt h ea c c u r a c yi sn o th i g h ，o nt h e o n eh a n d ， t h ew h o l es t r u c t u r ea n dc o m p o n e n tp a r to fs u r p l u s ，o nt h eo t h e rh a n d ，t h e g r e a ti n t e n s i t yo fs t r u c t u r a la c c i d e n t so c c u rf r e q u e n t l y , s u c ha sf a t i g u ea n df r a c t u r e d a m a g ee t c c r a n eb o o m ss y s t e mi sa ni m p o r t a n tt y p eo f c r a n eb o o m sb e a r i n gp a r t s ， i t sm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h en o r m a lo p e r a t i o no fm a c h i n eh a sd i r e c ti n f l u e n c e i n p o r tm a c h i n e r yd e v e l o p m e n tp r o c e s s i n t ot h ev i r t u a lp r o t o t y p et e c h n o l o g y c a n r e a l i z et h ec r a n ea r mu n d e rd i f f e r e n tc o n d i t i o n so fs u s p e n s i o ns y s t e m w i t hl o a d c h a n g ew i t ht i m er u n n i n gs t a t ea n dp r o c e s ss i m u l a t i o n ，t h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s o f s u s p e n s i o ns y s t e m 踟，p o r tm a c h i n e r y f o rd y n a m i ca n a l y s i sa n dc a l c u l a t i o n h a v ec e r t a i nr e f e r e n c ev a l u e a c c o r d i n gt ot h ed y n a m i cv i b r a t i o nt h e o r y , c r a n eb y u s i n g a n s y ss o f t w a r ea d a m s ，u gp l a t f o r m ，s u s p e n s i o ns y s t e m ，a mm o d a l p 舢e t e r s ，e s t a b l i s ht h es y s t e mo fc r a n eb o o m s3 dd i g i t i z i n g v i r t u a lp r o t o t y p e ， c a r r i e so nt l l em u l t i b o d ys y s t e md y n a m i c ss i m u l a t i o na n a l y s i sf o rc r a n eb o o m s ，t h e d y n a m i cs y s t e md e s i g n e dt op r o v i d ee f f e c t i v et e c h n i c a ls u p p o r t t h et h e s i sm a i n l yi n c l u d e s ：u s i n gf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r ea n s y s t o a n nt 1 1 em o d a ia n a l y s i so fs u s p e n s i o ns y s t e m , t h e n a t u r a l f r e q u e n c y o ft h e m a n i p u l a t o r , t h ev i b r a t i o np a r a m e t e r s ；e r e u s i n ga n s y s t r a n s i e n ta n a l y s i sm o d u l e o f s u s p e n s i o ns y s t e mi si nl i f t i n gt h ea r m s i nt h ep r o c e s so fg o o d s ，t h et r a n s i e n t r e s p o n s e u s i n gu g s o f t w a r eb a s e do nt h ea r mo fs u s p e n s i o ns y s t e ms t r u c t u r e ，觚d t h et ：i l r e e d i m e n s i o n a l m o d e lo fa d a m ss o f t w a r e ，m u l t i r i g i d _ b o d y v i r t u a l p r o t o t y p ea n a l y s i s m o d e la n di t sd y n a m i c ss i m u l a t i o na n a l y s i s ，u s i n ga n s y s i i s o f t w 棚i n t e r f a c et e c h n o l o g y , b u i l da r mi na d a m ss u s p e n s i o ns y s t e m s t r u c t u r eo f f l e x i b l eb o d ym o d e l ，a c c o r d i n gt ot h ea c t u a ls i t u a t i o no ft h ec o r r e s p o n d i n gr e s t r a i n t a n dd r i v et oa d d ，s o f tc o u p l i n gd y n a m i c sm o d e l ，t h ea r mo fs u s p e n s m ns y s t e ma n d s o f lc o u p l i n gd y n a m i cs i m u l a t i o no fk i n e m a t i c sa n dd y n a m i c s ，a r mo fs u s p e n s l o n s y s t e ms t r u c t u r ed y n a m i cs t r e s s ，e t c t h ev i r t u a lp r o t o t y p et e c h n o l o g yt os o l v et h ec r a n ea r mo fs u s p e n s i o ns y s t e m d v n a m i c sr e s e a r c hi sa d v a n c e dd e s i g n ，a n a l y s i sa n ds i m u l a t i o nt e c h n o l o g ya p p l i e d t o t h ep r e l i m i n a r yd e s i g no fc r a n ef o r c r a n eb o o m ss y s t e me t c l a r g es t r u c t u r e d y n a m i c ss i m u l a t i o na n a l y s i sp r o v i d e sad y n a m i cd e s i g nm e t h o d k e yw o r d s ：t e c h n i q u e o fv i r t u a lp r o t o t y p e ，c r a n ej i bs y s t e m ，a d a m s ，d y n a m i c s ， r i g i dc o u p l i n g i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 、 武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 学位论文使用授权书 2 0 l o 、s 。访 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：蔫：为方导师( 签名) ：彳纭七 日期：枷仉f 订 武汉理一i ：入学硕十学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究目的和意义 全球经济贸易的不断发展促使船舶运输业开始迅速增长，改变了工况装卸 设备和装卸工艺的传统格局，使得港口、码头、电厂、货场等工业场所对固定 式起重机的需求量不断增加，也进而对固定式起重机的设计质量和性价比提出 了更高的要求。 根据国内外起重机技术的发展以及现代国际物流航运技术的新特征，为了 适应船舶大型化、货物装卸散装化和国际集装箱业务的发展，港口非常需要大 型、专业的装卸机械，比如港口大型岸边集装箱起重机、正面吊运机、高生产 率的抓斗卸船机等等。长久以来，港口起重机的设计大多还是停留在镜头设计 阶段，简化了机构的动态分析。一般的工程设计人员按照原来传统的设计步骤， 对机械系统的机构和结构进行强度、刚度和稳定性等方面的计算，根据实际情 况选取不同的安全系数来保证产品的安全性。这种设计方法其实是将静载荷乘 以一个放大系数作为等效的动载荷，并且将结构的静强度作为主要的考察指标， 设计结果往往有很大的富裕。实际上，起重装卸机械在实际的运行中，往往受 到吊重起升或卸载、运行冲击以及机构和结果自身的振动和冲击的影响，这些 因素也是进行产品设计必须要考虑的重要问题，对结构的疲劳寿命有很大的影 响。传统的设计模式，新产品的研发经历了概念设计、方案论证、产品设计三 个过程。以往情况下，从方案设计到产品生产的全过程只能够，需要制造产品 的物理虚拟样机来验证产品的设计是否合理，然后根据实验结果对设计进行优 化和修改，直至满意。 为了实现起重机械结构的轻型化，设计人员往往采用新的结构型式、新材 料、新工艺等等，比如在金属结构的设计中采用高强度低合金钢制造。同时， 优化设计、可靠性设计等新的设计理论和方法，不仅能够减轻结构重量，而且 对提高机械系统的可靠性和使用寿命等方面都起到很大的作用。港口装卸机械 属于大型金属结构系统，其作业工况比较复杂，动态特性指标受多种实际工作 因素的影响，这么复杂的结构系统不能用一个简单的数学模型来模拟【2 】。传统 的设计思想和方法具有很明显局限性，近年来国内外在港口机械设计中开展动 武汉理t ：人学硕十学位论文 态仿真设计的新方法。 本课题研究的目的是应用有限元分析软件a n s y s 对起重机臂架系统进行 模态分析，得到其固有频率和振型等固有特性；对起吊货物的过程进行理论分 析，求解该过程中起重机臂架系统的瞬态动力学响应；利用u g 软件建立臂架 系统的三维物理模型，导入机械系统动力学自动分析软件a d a m s 中得到多刚 体动力学模型，完成对变幅和起升工况较为系统的仿真分析；利用a n s y s 软 件将臂架系统柔性化，建立臂架系统刚柔耦合动力学仿真模型，通过仿真分析 得到臂架系统起升和变幅过程中的偏摆载荷、结构动态应力曲线等结果，对指 导臂架系统等大型结构的动态设计提供了有力的工具和实现方法。 1 2 与课题相关的国内外动态 现代科学技术的完善和发展促使工业生产的规模不断扩大，自动化程度越 来越高，起重机械在生产和生活过程中的扮演着重要角色，同时对起重机械的 性能要求也越高。通用产品小型化；重点产品大型化；系列产品模块化；产品 组合成套化；产品结构新型化；产品制造柔性化已成为现代起重机械的特征和 发展趋势。先进的计算机技术和c a d 技术在工程各个领域得到广泛应用，促使 起重机械的设计与计算机相结合，提高设计精度和产品质量。 动态设计方法在产品的设计阶段就考虑抑制振动的措施，结构设计是一个 不断修改和完善的过程，大致分为初步设计、细节设计和验证设计三个阶段p j 。 首先，根据用户的设计要求，必要的时候可以参考先前同类产品的设计，采用 优化设计理论和方法，确定最初的设计方案和结构的大致尺寸；然后在确定设 计方案的基础上，建立系统的有限元模型并分解求解结构自身的动态参数，比 如进行模态分析，得到结构的固有频率和振型等参数。如果模态计算结果不合 格，则需要对结构进行修改和分析，直至达到预定的设计要求。模态计算通过 后，根据具体情况确定系统的模态阻尼、进而计算系统的响应，最后根据预定 的准则进行验算。在完成产品的初步设计和细节设计以后，需要进一步验证设 计的正确性和合理性，需要建立物理样机进行试验与有限元计算分析作比较； 最后根据振动环境计算动态响应，并验证是否符合要求，直至满足要求。 目前，在国外发达国家如美国、德国等，虚拟样机已经被广泛的应用到生 产和生活中，其中主要体现在汽车制造、航天航空、工程机械以及国防工业等 领域。针对不同的产品，虚拟样机技术都能够为用户提供合理、满意的设计方 武汉理l ：人学硕士学位论文 案，不但提高了设计效率和质量，同时节约了大量的丌支和时间。波音公司利 用虚拟样机技术首先完成波音7 7 7 飞机的无纸化设计；通用动力公司建立一个 全数字化的机车虚拟样机【5 】。j o h nd e e r e 公司、v o l v o 公司等是国外在工程机械 方面研究早就的公司，都取得了不小的成绩。日产公司不仅在汽车设计生产过 程中引入虚拟样机技术，同时在工程机械、机床等领域，利用虚拟样机技术进 行产品的概念设计、包装设计已经整机仿真分析等。著名的摩托罗拉公司也在 运用虚拟样机技术来研究2 1 世纪商业和军用移动分布式无线全球通讯系统和 网络技术。 在国内，虚拟样机技术的研究和应用比较晚，目前，虚拟样机技术的研究 主要依托一些高校和科研院所，如清华大学、北京航空航天大学、国防科技大 学等高校都针对不同的应用领域有各自的研究成果。北京航空航天大学、国防 科技大学等单位很早就开始着手虚拟样机技术的研究和应用，在开发系统仿真 平台、协同环境研究、并行工程方面取得了一定的研究成果【6 j ，并提出了设计一 分析一仿真一体化的设计方法。 虚拟样机技术已经在我国得到了广泛的应用和推广，目前只要集中在汽车、 武器制造、航天航空领域、机械工程等等。将虚拟样机技术引入到大型港口起 重运输机械的设计中比较少见，该领域的技术研究和应用主要集中在国内著名 的研究机构和高等院校中。2 0 0 3 年，中国建筑科学院建筑机械化分院研制出 c a b r m 凯博塔式起重机专用有限元分析系统，该系统利用计算机技术，将塔 式起重机的结构形式用计算机程序进行程序化处理，核心是用有限元法原理来 计算出来，可以单独或全部处理塔式起重机的各个部件，例如臂架、塔帽、塔 身、平衡臂等等【刀。1 9 9 6 年，昆明理工大学和云南省的机电一体化重点实验室 联合对桥式起重机主梁进行有限元分析和动态优化设计，应用 p r o m e c h a n i c a l 软件完成起重机模型动态试验。 目前虽然虚拟样机在各个领域不断得到广泛的应用，但其的技术复杂性、 不完善性限制自身的发展。首先虚拟样机技术是多学科知识的融合，工程设计 人员必须具备相应的知识和技能，特别是计算机技术、数值分析、图形技术， 并且能够与专业知识相结合才能真正掌握这项技术熟练地进行产品的设计开 发。实际机械系统产品的复杂性、设计者有限的知识面等因素都给虚拟样机的 运用带来困难，也很有困难会影响到设计结果的正确性。从虚拟样机技术的发 展来看，其技术本身也不完善，某些技术还不够成熟，限制了虚拟样机技术的 应用和发展。作为一个比较前沿的先进技术，对复杂的问题还不能够得到很有 武汉理i ：人学硕七学位论文 效的解。另外，虚拟样机技术的软件化还没有彻底完成，设计和分析软件之问 的数据交换还存在数据丢失，而且格式和语法上的不同使得数据交换存在同构 和异构现象。目前各国的软件系统都没有完全实现软件之i 日j 的无缝数据交换接 口技术，必须借助于中间格式来完成交换，如何解决好这些问题是虚拟样机设 计发展的关键。 1 3 课题研究的内容 本课题以m q 3 5 2 5 固定式起重机臂架系统为研究对象，以有限元素法和机 械动力学为理论基础，以三维建模软件u g 、有限元分析软件a n s y s 、机械系 统动力学自动分析软件a d a m s 为平台，完成臂架系统的模态分析，求解起升 过程臂架系统的瞬态动力学响应，建立臂架系统的刚柔耦合虚拟样机模型，研 究运用虚拟样机技术分析起重机臂架系统等大型结构动力学系统的关键技术。 具体的研究内容如下： ( 1 ) 根据起重机动力学振动理论，利用有限元分析软件a n s y s 完成对臂 架系统的模态分析，得到臂架系统的固有频率、各阶振动等参数；运用a n s y s 瞬态分析模块求解起升机构起吊货物过程中的瞬态响应。 ( 2 ) 应用起重机的运动学和动力学理论，根据起升机构的的力学模型计算 起升机构在起、制动过程中对臂架系统的冲击载荷。 ( 3 ) 利用u g 软件建立臂架系统结构三维实体模型，并导入a d a m s 软件， 得到臂架系统多刚体虚拟样机模型。利用a n s y s 软件的接口技术，在a d a m s 中建立臂架结构的柔性体模型，根据实际情况添加相应的约束和驱动，得到臂 架系统在a d a m s 环境下的虚拟样机。 ( 4 ) 在a d a m s 多刚体动力学分析的基础上，完成对臂架刚柔耦合系统运 动学和动力学动态仿真，求解臂架系统结构动态应力等，输出特性曲线等数据， 为研究起重机臂架系统等大型结构动力学仿真分析提供一种动态设计方法。 4 武汉理j ：人学硕士学位论文 第2 章虚拟样机建模与动力学分析软件综述 2 1 虚拟样机的基本概念 2 1 1 定义 虚拟样机技术( v p ，v i r t u a lp r o t o t y p e ) 是一种崭新的产品开发方法，是一 种基于产品的计算机仿真模型的的数字化设计方法。虚拟样机技术涉及多体系 系统运动学与动力学建模理论及其技术实现，是基于先进的建模技术、多领域 仿真技术、信息管理技术、交互式用户界面和虚拟样机技术的综合应用技术【6 j 。 随着人类社会进步的加快，人们对产品的要求越来越高，产品越来越复杂， 零部件的优化并没有带来预期的系统优化，如何解决这对矛盾激起更多人的研 究。虚拟样机技术是伴随c a d 技术的发展，融合现代信息技术、仿真技术和先 进制造技术，以机械运动学、动力学以及控制理论等多体系统动力学的研究为 核心内容，代替传统物理样机产品对产品进行创新测试和评估，自上而下的对 系统全生命周期进行综合管理的综合技术。同时与相对完善的计算机图形学、 用户界面技术也是分不开的。虚拟样机技术是面向系统级设计的、应用于基于 仿真设计过程的技术，其中包含数字化物理样机、功能虚拟样机和虚拟工厂仿 真三方面的内容【4 j 。传统方法的设计流程是产品设计一样机制造测试评估一反 馈设计的循环过程，虚拟样机是以数字化的方式进行，不需要建造物理样机。 传统的设计与制造过程存在一定的弊端，工程设计人员为了分析解决产品整 体性能及其相关问题，利用利用c a d 系统提供的各零部件的物理信息和几何信 息，定义构件间的约束和联接关系，最终得系统的虚拟样机模型。若要快速评 估组成产品的全部三维实体模型的形态特性和装配性能，工程人员可以在产品 的装配过程引入数字化物理样机【5 】。虚拟样机软件中的仿真模块能够比较真实的 模拟机械系统的运动，用户可以分不同的工况和载荷情况来考察系统各构件间 的相互运动，通过后处理功能，动态的观察产品设计上的缺陷，根据不同的设 计方案，最终得到最优化的结果，很大程度上降低了产品开发的成本，缩短了 开发周期。 图2 1 是虚拟样机技术的设计流程，从虚拟产品的开发过程中不难看到，虚 武汉理j ：人学硕士学位论文 拟样机把产品设计一样机制造一测试评估过程统一起来，在产品开发的整个过 程中处于核心地位。 图2 1 虚拟样机技术设计流程 传统的c a d c a e c a m 技术在上世纪8 0 年代以后渐渐被社会生产所使用，借 助于相关的软件或工具，通过结构设计、工程分析以及控制制造过程来保证产 品的性能和质量。我们所说的传统c a d 技术是在三维实体几何造型技术上发展 开来的，能够完成对产品的详细结构设计和形态分析；c a m 技术能够较好的对 机床、冲压、锻造过程进行控制，使组成系统的构件的可制造性、工艺性大大提 高；完成产品的结构分析、振动特性分析是有限元在c a e 技术应用的体现。 2 1 2 虚拟样机建模方法 在产品的设计阶段，工程技术人员可以先在计算机上完成完成数字化的虚 拟样机，借助现有的实验设备对产品的性能做出合理的评估和预测，根据评估 结果来指导设计工作1 7j 。对虚拟样机的建模有多方便的方法，如果产品的数字化 虚拟样机已经建立，将几何模型直接引入零部件的实体模型，经过划分网格， 添加运动学和动力学特性的约束力和载荷，得到完成的虚拟样机模型。功能虚 拟样机从最初的概念设计，一直到简单的示意图，细化结构，详细设计阶段的 全过程。在实际的工程中，不同的领域对产品的功能的要求也不相同。虚拟样 机的建模与计算多体系统动力学、结构有限元分析以及多领域物理系统混合建 模与防治密切结合，解决产品的强度、刚度、寿命等问题。 作为c a d 技术和f e a 技术的融合体，虚拟样机是完成对产品仿真分析的 载体。在产品设计阶段，用虚拟样机反馈的仿真结果来指导机械结构的具体设 计，尽量减少或者省略制造物理样机。但是开发复杂结构的产品时，虽然我们 6 武汉理l ：人学硕十学位论文 建立的几何模型是精确的，但在进行仿真分析时受到一些客观条件的限制，必 须做出一些假设，修改、简化虚拟样机模型。这样得到的分析模型是在忽略次 要因素的情况下得到的近似模型，可能影响分析的精度，因此虚拟样机只能提 高一些技术上的支持，却不能代替物理样机，只有把二者有机的结合起来，才 能提高设计的效率。用虚拟样机的分析结果指导物理样机的制造，反过来用物 理样机的试验结果来指导虚拟样机模型的修改和完善，它们是相辅相成的关系。 虚拟样机模型的建立是进行各种运动学、动力学、振动特性分析的基础。 以c a d 与c a e 等先进技术为基础，在虚拟环境下建立机械系统的数字化模型 并完成仿真分析，结合传统的物理样机试验数据，从外形、结构、机械性能、 疲劳等角度不断完善和修改设计方案，来提高产品质量，增强产品的竞争力。 目前实际工程中常利用软件间的数据接口技术，在具有强大几何造型功能的三 维软件内建立系统的实体模型，然后转换模型数据格式，将图形数据传输导入 虚拟样机软件中得到分析所需的动力学模型。 该方法能方便的处理工程实际中复杂结构的问题，但也有一定的不足之处， 具体如下1 8 ： ( 1 ) 机械系统动力学自动分析软件a d a m s 具有强大的动力学仿真分析功 能，但是其几何造型功能对具有复杂结构的产品来说是远远不够的，不方便创 建复杂结构的模型，通常借助三维软件辅助完成动力学模型的建立。 ( 2 ) 在c a d 技术基础上建立的复杂机械系统模型，不能对系统的零部件 进行结构参数化建模分析，能完成单一的尺寸和形状分析。倘若需要修改在设 计阶段的几何尺寸，直接导致整个c a d 进程的速度缓慢，重新建立几何模型以 及仿真模型的参数设置，影响产品的开发周期。 ( 3 ) 假设忽略驱动、与外界环境的作用等次要因素对仿真分析的影响，只 对机械部分创建模型和分析，就没有实现真正意义上的虚拟样机，是一种低层 次的仿真分析，没有体现虚拟样机技术的先进性和优越性。 随着先进建模技术、仿真技术的发展，新的虚拟样机建模方法不断涌现 9 1 ： ( 1 ) c a d c a e 集成技术建模 该方法在设计流程中引入c a e 的分析结果，最终实现从数字模型优化到仿 真模型的集成化，其中包括优化建模、几何建模和仿真建模3 个方面。此法结 合c a d 和c a e 技术，用仿真分析的结果驱动建立的参数化模型，完成二者一 体化的自动转变，实现优化设计与运动学仿真的有效结合。利用u g 软件和 a d a m s 的数据接口，实现模型格式互换来建立仿真模型，可以不用处理u g 实 7 武汉理i ：人学硕士学位论文 体模型，只需要固定好各个零部件的相对位置，导入a d a m s 后在定义刚体、 添加运动副和载荷等约束。结合整体建模和装配技术来建立模型，在整个产品 的设计阶段中，从全局的角度出发，把零部件级参数化提升到整体参数化的高 度，最终建立整体的参数化模型【9 j 。 通过优化建模使得与实体模型的参数问一一建立起映射与驱动关系。将建 立的数学模型与几何实体模型的对应关系渗透到最后的仿真阶段，仿真结果评 估在整个建模的过程中能够准确无误的反馈到优化数学模型中。实际的机械系 统往往是很复杂的，将上述建模方法得到的模型导入a d a m s 中，通过宏命令 操作能比较容易的实现整个机械系统的机械、液压、电气的联合仿真，得到完 整的符合实际情况的虚拟样机。 ( 2 ) 多学科仿真建模 从可视化的角度来说，我们把电气、液压和控制箱结合的系统仿真叫做平 面仿真；在三维实体模型基础上融合有限元分析和机械动态分析称为三维仿真。 实际系统的复杂性促使多学科仿真建模的出现，实现机械、电气、液压、驱动、 控制等复杂系统的仿真。 用数字化虚拟样机代替传统的物理样机；融合c a d 、f e a ( 有限元分析) 、 软件编程、电气液分析等技术都能够非常方便的实现多学科联合仿真。综合应 用上述先进的建模与仿真技术，构建机械复杂系统的三维模型，结合平面仿真 技术，建立更加符合实际情况的虚拟样机模型，得到更真实、准确的仿真数据 和结果。虚拟样机的实现框架如图2 2 所示。 u c 耍体u 汕 i c 3 多毁化建模一 二次开发模 集 型受可拄制 d 瞒 授汗系纥 一- 成 3 上 h 参数化建援 点d 怒 仿真结果 控 加潞j辊翻萨昌 一 按釉系统 制 1 r p ， 输出与 h j ! 抓评价 参数化建模 早 d i l ：； 其他系统 厶 参熬化建馍r 口 图2 2 机械系统虚拟样机的实现框架 8 武汉理r 人学硕士学位论文 2 1 3 虚拟样机技术的发展 虚拟样机技术源于人们对多体系统的动力学研究。实际工程中的对象往往 是由大量的零部件组成，对这些对象进行优化设计和性能分析时大概分为两大 类：结构、机构。结果是机械系统中主要受力构件，在j 下常工况下构件之间没 有相对运动，我们主要研究这些结构的强度、刚度和稳定性问题。机构很明显 的特点就是在工作状态下零部件之间由相对运动，比如机车与汽车、机器人已 经操作机械臂等复杂机械，我们将上述多个物体之间通过运动副联接的复杂的 力学模型成为多体系统。 随着国民经济的发展和国防技术的需要，机械系统的结构形式越来越多样 化，复杂化，在结构上向多回路和带控制系统的方向发展。古典力学、分析力 学和计算机的发展，多体系统动力学在社会生产实际需要的情况下应运而生， 其主要内容就是要建立系统运动学和动力学程式化的数学模型，应用计算机技 术对这些程式化进行求解处理，得到处理后的数据结果，具体形式有图表、动 画显示等。运动学分析不考虑系统的运动起因的，研究构件的空间位置与其速 度、加速度的变化关系；静力学分析研究的是当系统受到静载荷时，求解运动 副间的支反力和运动副约束下的静平衡位置；动力学分析主要研究是载荷与零 部件运动的相互关系。 根据实际多体系统的复杂性，在建立系统的动力学方程时引入不独立的笛 卡尔广义坐标，而不采用系统独立的拉格朗日坐标。c h a c e 等人使用g e a r 的刚 性积分算法和稀疏矩阵技术大大提高计算效率，随着构件数目的增多以及各个 构件间连接副和约束情况的复杂，对单个构件用牛顿一欧拉法建立方程显得很 困难。罗伯逊和维登伯格把图论引入多体系统动力学的分析中，借助图论工具 用统一的数学模型来描述不同结构的系统，用广义坐标系列出一般形式上的动 力学方程。在非完整约束的情况下，将不独立的笛卡尔广义坐标换成独立变量， 利用约当原理消除约束反力最终求得与系统自由度数目相同的动力学方程，同 理对完整约束系统，用达伦贝尔原理消去约束反力。凯恩( k a n e ) 法以把加速 度当作独立变量来描述系统的运动，该法对完整约束和非完整约束均适用l l 。 其推导计算比较规格化，所得结果是多阶微分方程组，同时具有分析力学和矢 量力学的特点。 虚拟样机技术虽以机械系统动力学和控制理论为核心内容，但其之所以发 展迅速与成熟的计算机图形技术和基于图形的用户界面技术密切相关。相反， 9 武汉理i ：人学硕士学位论文 虚拟样机技术的发展同样也直接受其构成技术的制约，在处理复杂系统时对计 算机硬件的依赖尤其明显。同样，数值方法上的进步发展对基于虚拟样机的仿 真速度和精度有积极的影响。 综上所述，虚拟样机技术是一门多学科的技术，同时是应用数学的一个分 支的数值算法，及时提供了一种求解数值问题的有效快捷算法，计算机的可视 化技术为用户提供了良好的晃面。虚拟样机技术提供了一个全新研发产品的设 计方法，保证产品的最优化设计。随着机械系统运动学、动力学和控制理论的 以及计算机图形学的不断成熟和完善，现在的虚拟样机技术越来越多的被应用 在实际生产中，应用主要集中在以下几个方面【5 j ： 设计细化。初始设计阶段在完成对虚拟样机的运动特性测试后，我们就 可以对零部件的设计进行完善和细化。a d a m s 计算的结果数据输出载荷步文 件，导入到有限元分析程序中，同理有限元程序的数据结果也可以导出，在 a d a m s 环境下生成柔性体模型，更加真实的考察系统的各种性能，最终回到 c a d 环境，细化设计。a d a m s 的宏命令和参数化数据库能够很方便的进行参 数化设计，同时a d a m s l i n e a r 模块具有线性的特征值分析功能，能够与控制 设计软件进行数据传输。 试验规划。传统的设计方法下，为了验证设计的合理性，需要花费大量 的时间、精力和财力来进行试验验证。在虚拟样机的环境下，运用虚拟样机软 件能够快速、准确的建立用户要测试的数字化样机模型，代替传统的物理样机， 进行模拟试验，将得到的计算结果与实际测量数据做对比，使用户先在计算机 上完成虚拟样机，测试成功后进行物理样机的测试，使试验验证工作具有创造 性和灵活性。 设计验证。实际设计过程中，设计方案的检查是制造产品样机前相当重 要的一个环节。通过虚拟样机的运动学、动力学仿真，用非常形象的图形动画 显示构件之间的约束和受力情况，使设计人员深入的了解产品的性能，同时降 低了工程预算，缩短了产品的研发周期。 工作状态再现。使用虚拟样机技术使产品开发过程中产品的制造成本大 大降低，在设计中已经全面考虑了产品的寿命和使用可靠性。同时，虚拟样机 可以用来对系统进行故障诊断，利用其强大的建模与求解器以及图形化的数据 显示功能，能及时发现产品出现的一系列如部件失灵、非正常振动等故障的原 因，并顺利解决问题。 l o 武汉理j ：人学硕十学位论文 2 2 虚拟样机整机特性仿真 整机的特性一般是指影响整机内在质量的关键参数指标，比如整机的静态、 动态和热态性能等。对整机的评价主要指标包括外观、性能、制造工艺性、可 靠性等方面，通常是借助解析法通过仿真来得到，具有以下的特点： ( 1 ) 复杂性：实际工程中，由于机械系统零部件数量多，结构形式复杂， 大多数情况下用数值解析法进行分析，首先需要建立各个构件的分析模型，使 得整机特性分析变得相当复杂。整机系统中各个构件通过运动副联接，而运动 副又直接影响整机的特性，所以准确预测系统的整机特性的难度是很大的。我 们研究整机的特性就是为了在数字样机阶段来预评估系统的整体性能，对方案 进行评价，也可对多种方案进行对比获得最佳方案。 ( 2 ) 特性仿真与功能仿真相融合：建立的系统的虚拟样机模型在实现产品 性能指标的同时也要实现产品的功能指标。运动仿真是实现功能仿真的有效途 径，比如机器人就是通过各个零部件的运动来实现其作业时的各种位置和姿念。 机械系统不同工况下的特性是不同的，因此融合系统的特性仿真和功能仿真， 通过虚拟样机方案的功能仿真求出所有工作条件的极限位置和状态，通过方案 的选择、修改获得最佳的系统特性。 2 2 1 数值解析 鉴于机械系统的复杂性，运动副的解析大多数情况下是不能用数值解析的 方法求解，因此系统的整机特性也不能直接用数值解析求解。数值解析的方法 不同，其建模过程和解析原理也不同，以平板拉压问题为例，平板的周围作用 有均布载荷p ，如何求解领域内及边界上任何一点的位移，也就是位移分布。 平板式分布质量的连续体首先把研究对离散成无数个“微小单元”，然后建立连续 体的基础公式，即用积分的方法来描述整个研究对象。 2 2 1 1 特性解析的有限元法 有限元法采用变分原理进行求解，对于弹性体来说，将对象的整个区域离 散成无限多个“微小单元”，用能量原理在整个区域上进行积分。如果将对象的整 个区域离散成有限个有大小的单元，用这种单元求和的方法来代替区域积分近 似描述的方法称之为有限元法，从解析原理上看，有限元法属于领域型数值解 武汉理t 人学硕士学位论文 秽f 法。 具体的讲，有限元的建模是在保证单元维数与对象体维数相同的情况下， 直接将对象在整个领域范围内离散成有限个单元，联立全部节点的方程式建立 总体方程，其中用单元的节点值来描述单元的特性。目前实际工程中已经在使 用如a n s y s 、n a s t r a n 等商品化软件，取得了很好的效果。但是对弹性体的 解析求解方面，只停留在对零部件的强度、刚度和动态特性的分析，对整机特 性的仿真分析还不够成熟和完善。 2 2 1 2 特性解析的边界元法 与有限元法不同，边界元法只在对象体的边界上进行离散，属于边界型数 值解析方法，实质上一种融合数值解析和数理解析的解析方法。 首先应用基本解和积分原理，建立领域和边界的积分方程，进而转化成边 界积分方程，将领域问题转换成边界问题；然后在边界上进行离散化，求出边 界节点方程，最终得到边界总体方程，求解出边界上的节点位移。边界法只在 边界上离散单元，能够较好的处理柔性结合部，因此在实际机械系统特性解析 已经有一些成功的应用实例。 2 2 2 整机特性仿真系统 对机械系统特性仿真的建模比单个零部件解析的建模过程复杂，要从系统 的角度出发进行建模。 目前，有限元系统在弹性体领域主要被用于零部件的解析，也可以对整机 特性进行分析，但是和真正意义上的虚拟样机仿真还有很大的距离。现有的商 品化软件经过长期的应用，比较成熟完善，为虚拟样机整体特性仿真系统的发 展提供了很好的技术支持。对虚拟样机来说，在进行整体特性解析时由于变量 的数目较大，使得迭代处理的工作量非常大；商品化的软件是加密的，使基于 实际工程实践的二次开发受到一定的限制：实际机械系统中包含大量的柔性体 和柔性结合部，在建模时不能把柔性结合部模型导入整机模型中，只能按零件 之间的变形协调条件处理，整机的仿真模型不是零部件模型的简单叠加，所以 处理复杂结合状态的柔性体时的迭代处理很复杂，计算工作量特别大，显得不 够实用。 边界元系统虽然没有有限元系统成熟、功能强大，但其独到的特征，不断 1 2 武汉理i ：入学硕十学位论文 被各个领域研究和应用。在弹性体领域，人们也研发出一些能够解决机械系统 整体特性解析的边界元软件，同时能进行组成系统的零部件分析。边界元系统 具有数据准备、计算量小等优点，对整机系统解析非常方便。与有限元系统不 同的是在边界元系统中，柔性结合部的数学模型以元件的形式或者是结合条件 的形式能够很方便的导入到整机的边界元模型中。边界元系统只在边界上离散 单元，因此处理柔性结合部很方便，大大提高了整机特性仿真过程中的精度。 唯一不足的是，现有的支持软件功能没那么强大，前、后处理的功能也比较薄 弱，需要不断的完善。 2 3 机械系统动力学分析软件a d a m s 概述 2 3 1 引言 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