（机械电子工程专业论文）基于adams和ansys的起重机动态仿真分析与故障诊断.pdf

武汉科技大学硕士学位论文第1 页 摘要 p r o e 、a d a m s 和a n s y s 是c a e 技术中最常用和最重要的的软件之一c a e 是包 括产品设计、工程分析、数据管理、试验、仿真和制造在内的计算机辅助设计和生产的综 合系统。c a e 技术的应用范围很广发展也相当快，c a e 技术的功能主要有产品的建模、 工程分析与仿真。当前c a e 系统正向智能化发展，被很多公司、工厂用于新产品开发， 以缩短新产品研制的周期、降低成本和提高质量、加强企业在国内外市场中的竞争能力。 本文以马钢的一台旋转挂梁起重机为对象，综合运用p r o e 、a d a m s 和a n s y s 三个软件， 实现了对该起重机的强度校核、故障诊断和整改修复。另外本课题建立了三维建模、整机 仿真、有限元分析之间的有机联系。除了应用在故障诊断也可以把这个技术方法应用在产 品开发上。 首先本文通过对起重机发展趋势和国内外起重机c a e 研究现状的分析，发现了在起 重机研究领域综合应用各种c a e 技术的必要性和空白点，从而确立了本文的研究方法和 技术路线。将p r o e 、a d a m s 和a n s y s 三个软件综合应用到起重机的强度校核、故障诊 断和整改修复中是本文最大的创新点。 其次使用三维建模软件p r o e 完成了起重机各个零部件的建模和装配，并通过 m e c h p r o 插件完成了p r o e 和a d a m s 的无缝对接。在p r o e 建立的三维模型基础上， 使用a d a m s 对样机进行了修改和约束并按照本起重机的性能参数给样机施加驱动。完成 了起重机样机的刚体仿真，在仿真结果中提取了我们所需要的载荷为下一步静强度校核做 好准备。利用a n s y s 有限元分析软件，借助a d a m s 得到的载荷对该起重机主梁进行了 静强度校核。 再次在a n s y s 中解决了a d a m s 所需要的主梁柔性体的生成问题。通过a d a m s f l e x 模块完成了主梁柔性体的替换。解决了小车在主梁上行走即在柔性体上施加动载荷的问 题。利用a n s y sf a t i g u e t o o l 在刚柔耦合仿真所得到的载荷文件的基础上，对于主梁腹板 变截面处进行了无缺陷理论疲劳寿命的计算。对于实际寿命小于理论寿命的情况，应用断 裂力学理论进行了合理的解释并进行了裂纹扩展分析。 最后对主梁的开裂提出了整改修复方案，对该方案用a n s y s 再次进行计算证明了该 方案的有效和合理，通过对厂家的回访得知本起重机目前工作状况良好。 关键词：a d a m s ；p r o e ；a n s y s ；起重机；仿真；疲劳； a b s t r a c t p r o e ，a d a m sa n da n s y si st h em o s tc o m m o n l yu s e da n di m p o r t a n ts o f t w a r e si nt h e c a et e c h n o l o g y c a ei sac o m p u t e r - a i d e dd e s i g na n dp r o d u c t i o ni n t e g r a t e ds y s t e mi n c l u d i n g p r o d u c td e s i g n ，e n g i n e e r i n ga n a l y s i s ，d a t am a n a g e m e n t ，t e s t i n g ，s i m u l a t i o na n dm a n u t a c t u n n g c a et e c h n o l o g yi naw i d er a n g eo fa p p l i c a t i o n sa n dd e v e l o p m e n ti sq u i t ef a s t ，t h ef u n c t i o n s o f t h ec u r r e n tc a et e c h n o l o g yp r o d u c t sm a i n l yi nm o d e l i n g , e n g i n e e r i n ga n a l y s i sa n ds i m u l a t i o n a tp r e s e n t ，c a es y s t e m si sd e v e l o p i n gt oi n t e l l i g e n ta n d u s e db ym a n yc o m p a n i e sa n df a c t o r i e s f o rn e wp r o d u c td e v e l o p m e n t ，s oa st os h o r t e nt h ed e v e l o p m e n tc y c l eo fn e wp r o d u c t s ，r e d u c e c o s t sa n di m p r o v eq u a l i t y , b o t ha th o m ea n da b r o a dt os t r e n g t h e nt h ec o m p e t i t i v e n e s so ft h e m a r k e t t h i sa n i c l ea i m st ot h eo v e r h e a da n ds l e w i n gc r a n ew i t hc a r r i e r - b e a m i nt h i sa r t i c l e i n t e g r a t e du s eo faw i d er a n g eo fc a es o f t w a r e ，t h e o r ya n dt e c h n o l o g y t oc h e c k ，f a u l td i a g n o s i s a n dr e p a i rt h ec r a n e i na d d i t i o nt h es u b j e c te s t a b l i s h m e n t e d t h eo r g a n i cl i n k sb e t w e e nt h e t h r e e - d i m e n s i o n a lm o d e l i n g , m a c h i n es i m u l a t i o na n df i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s t h et e c h n i q u e sc a n b ea p p l i e di np r o d u c td e v e l o p m e n tb e s i d e sa p p l i c a t i o no f f a u l td i a g n o s i s f i r s t ，a n a l y s i s i n gt h ed e v e l o p m e n tt r e n d o ft h ec r a n ea n dc a er e s e a r c ho ft h ec r a n e ，f i n d i n g t h ei m p o r t a n to fi n t e g r a t e da p p l i c a t i o no fc a et e c h n o l o g yi nt h ef i e l do fc r a n er e s e a r c h i n ga n d t h eb l a n ks p o t si nt h i sf i e l d e s t a b l i s h e dt h er e s e a r c hm e t h o d o l o g ya n dt e c h n i c a lr o u t e so ft h i s a r t i c l e i n t e g r a t e du s e ds o f t w a r e sw i t hp r o e ，a d a m sa n da n s y s t oc h e c k ，f a u l td i a g n o s i s a n dr e p a i rt h ec r a n ei st h eb i g g e s ti n n o v a t i o ni nt h i sa r t i c l e s e c o n d , b yu s et h et h r e e d i m e n s i o n a lm o d e l i n gs o f t w a r eo fp r o et oc o m p l e t et h e v a r i o u s p a r t so ft h ec r a i l ea n da s s e m b l ym o d e l i n g t h r o u g hm e c h p r o p l u g i n st oc o m p l e t et h ep r o ea n da d a m ss e 锄l e s sd o c k i n g b a e do nt h et h r e e d i m e n s i o n a lm o d e le s t a b l i s h d ei np r o e u s et h ea d a m st or e v i s ea n dr e s t r a i n tt h ep r o t o t y p ea n di n a c c o r d a n c ew i t hp e r t b r m a n c e d a r a m e t e r so ft h ec r a n ei m p o s e dad r i v e rt ot h ep r o t o t y p e c o m p l e t e dar i g i db o d y s i m u l a t i o no f t h ec r a n e ，e x t r a c t i n gt h e1 0 a dw en e e df r o mt h es i m u l a t i o nr e s u l t st op r e p a r ef o rt h es t a t i c s t i f r n e s sc h e c ki nt h en e x ts t e p b yu s e i n go fa n s y s f 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 dt t l e i o a d 行o mt h ea d a m st ot a k eas t a t i cs t r e n g t hc h e c k c a l c u l a t e dt h r o u g ha ni n t e g r a t e ds o f t w a r e a n do n s i t et e s tr e s u l t sa r eg i v e ni nt h ee v a l u a t i o no fs t a t i cs t i f f n e s so ft h e c r a n e r e s o l v e dt h ep r o b l e mo fg e n e r a t i n gt h ef l e x i b l eb o d yn e e d e db ya d a m s i nt h ea n s y s w i t ht h es h e l l 6 3e l e m e n t t h r o u g ht h ea d a m s f l e xm o d u l e st or e p l a c e m e n tt h em a i n b e a m w i t hf l e x i b l eb o d y u s et h ea n s y sf a t i g u et o o lb a s e do nt h ed a t eo ft h es i m u l a t i o no f r i g i d f l e x i b l ec o u p l i n gt ov e r i f i c a t i o n t h ef a t i g u eo f t h ev a r i a b l ec r o s s s e c t i o nf o rt h em a i nb e a m a p p l i c a t i o no fm e t h o d so ff r a c t u r em e c h a n i c sc r a c kg r o w t ha n a l y s i so ft h em a i n b e a mt of i n dt h e c a b s e so ff a t i g u ec r a c k i n gi nt h ec o n d i t i o no ft h el i f e i nt h e o r yi sl e s st h a nt h ea c t u a ll i f e 武汉科技大学 硕士学位论文第1 i i 页 s i t u a t i o n a tt h ee n do ft h i sp a p e r , g i r i n gap a t c hm e t h o df o rt h em a i nb e a mc r a c k i n gp r o g r a m r e - c a l c u l a t e dt h em a i nb e a mb ya n s y sp r o v e da ne f f e c t i v ea n dr e a s o n a b l er e p a i n k e yw o r d s ：a d a m s ，p r o e ，a n s y s ，c r a n e ，s i m u l a t i o n , f a t i g u e ； 武汉科技大学 研究生学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下，独立进行研 究所取得的成果。除了文中已经注明引用的内容或属合作研究共同完成的 工作外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本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。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作考签名：出堡! 垂l 差日期：乏幽：互 研究生学位论文版权使用授权声明 本论文的研究成果归武汉科技大学所有，其研究内容不得以其它单位 的名义发表。本人完全了解武汉科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向有关部门( 按照武汉科技大学关于研究生学位论文收录 工作的规定执行) 送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅， 同意学校将本论文的全部或部分内容编入学校认可的国家相关数据库进行 检索和对外服务。 论文作者签名：丝壁匡i 盘 指导教师签名：如翻垂芏 日 武汉科技大学硕士学位论文第l 页 1 1 课题对象和研究意义 第一章绪论 本课题所研究的对象为马钢线材生产线的三用旋转挂粱起重机，本起重机主要用于将 生产好的线材装到货运火车的车厢里。该起重机是一种中部旋转挂粱起重机，其中桥架、 大车运行机构、电气设备等基本部分与普通挂梁起重机的各部分相同。其特点是小车的旋 转机构及起升机构设置在运行小车下部的旋转车架上。小车与旋转车架之问设有连接筒； 旋转机构与旋转车架装配成一体组成回转小车，回转小车驱动起升机构连同挂梁一起旋 转。本起升机构的定滑轮组安装在旋转车架上，缠绕在卷筒上的钢丝绳通过挂粱上的动滑 轮组带动挂梁升降。上述旋转机构由电动机连接减速器及其传动齿轮，驱动回转大轴承的 外圈，实现起升机构连同挂粱平稳旋转。检测发现，该起重机两主粱端部变截面处腹板严 重开裂，对起重机的安全运行造成重大隐患。 固1 1 三用旋转挂梁起重机 木起蕈机的主要参数如表11 所示。 第2 页武汉科技大学 硕士学位论文 表1 1 三用旋转挂梁起重机性能参数表 运行机构 起升机构旋转机构 小车大车 轨距 起重量( t ) 6 + 6 5 2 0 0 3 1 0 0 0 旋转角度3 6 0 度 ( 衄) 起升速度 运行速 旋转速度 1 3 2 4 度4 1 81 2 4 31 6 2 i n )( r m i n ) ( m m i n ) 工作级 工作级别m 7 重级m 6 重级 工作级别m 5 重级 别 轮距 最大旋转 最大起升 1 04 0 0 08 4 5 04 3 9 4 高度( m )( 衄)半径( m m ) 在传统的起重机静强度校核中，都要根据手册和经验公式假设一系列的系数如动载系 数等。这些系数是通用的和基于经验的，对于各种不同种类的起重机针对性不强，没有办 法对不同种类起重机加以区分。在某些特殊情况下，这些系数可能有较大偏差。本文以仿 真软件a d a m s 为平台运用虚拟样机技术，直接取得起重机主梁在各危险工况下的载荷。 然后将这些载荷作为条件，以有限元理论为基础运用通用有限元分析软件a n s y s 对起重 机主梁的静强度进行校核。另外，本文通过a n s y s 产生a d a m s 所需要的柔性体，然后 在a d a m s 中实现了刚柔耦合的动态仿真。成功解决了a d a m s 中在柔性体主梁上施加移 动载荷的问题。并以a d a m s 的仿真结果生成的载荷文件在a n s y s 里面做瞬态分析，瞬 态分析的结果通过a n s y sf m i g u et 0 0 l 快捷疲劳分析工具来分析主梁危险位置的疲劳寿 命。最后用断裂力学原理解释和计算了该起重机主梁变截面处的开裂和裂纹扩展寿命。本 文通过p r o e ，a d a m s ，a n s y s 三个软件的无缝连接，实现了该旋转挂梁桥式起重机从三维 建模到疲劳分析的整个故障诊断过程。本文所做的研究，不但提供了一种起重机和其他机 械设备故障诊断的方法和思路，也可以使用在产品设计和新产品开发中。 1 2 起重机发展的趋势和方向 物料搬运成为人类生产活动的重要组成部分，距今已有五千多年的发展历史。随着生 产规模的扩大、自动化程度的提高、作为物料搬运重要设备的起重机在现代化生产过程中 应用越来越广作用也愈来愈大。近年来起重机的发展有如下趋势f j 】： 大型化和专用化 由于工业生产规模的不断扩大、生产效率日益提高、产品生产过程中物料装卸搬运费 用所占比例逐渐增加，促使大型或高速起重机的需求量不断增长。起重量越来越大、工作 速度越来越高，并对能耗和可靠性提出更高的要求。起重机已成为自动化生产流程中的重 要环节。起重机不但要容易操作、容易维护，而且安全性要好、可靠性要高，要求具有优 武汉科技大学硕士学位论文第3 页 异的耐久性、无故障性、维修性和使用经济性。目前世界上最大的浮游起重机起重量达6 ， 5 0 0 t ，最大的履带起重机起重量达3 ，0 0 0 t ，最大的桥式起重机起重量为l ，2 0 0 t ，集装箱 岸边装卸桥小车的最大运行速度已达3 5 0 m m i n ，堆垛起重机最大运行速度是2 4 0 m m m ， 垃圾处理用起重机的起升速度达1 0 0 m m i n 。工业生产方式和用户需求的多样性使专用起 重机的市场不断扩大品种也不断更新，要求起重机以特有的功能满足特殊的需要发挥出最 佳的效用。例如冶金、核电、造纸、垃圾处理的专用起重机，防爆、防腐、绝缘起重机和 铁路、船舶、集装箱专用起重机的功能不断增加，性能不断提高，适应性比以往更强。 模块化和组合化 用模块化设计代替传统的整机设计方法就是将起重机上功能基本相同的构件、部件和 零件制成有多种用途、有相同联接要素和可互换的标准模块，再通过不同模块的相互组合 形成不同类型和规格的起重机。对起重机进行改进的时候只需针对某几个模块，设计新型 起重机只需选用不同模块重新进行组合。可使单件小批量生产的起重机改换成具有相当批 量的模块生产，实现高效率的专业化生产。企业的生产组织也可由产品管理变为模块管理。 使起重机达到改善整机性能、降低制造成本、提高通用化程度的目的，用较少规格数的零 部件组成多品种、多规格的系列产品，充分满足用户需求。目前，德国、英国、法国、美 国和日本的著名起重机公司都已采用起重机模块化设计，并取得了显著的效益。德国德马 格公司的标准起重机系列改用模块化设计后，比单件设计的设计费用下降1 2 ，生产成本 下降4 5 ，经济效益十分可观。德国德马格公司还开发了一种k b k 柔性组合式悬挂起重 机，起重机的钢结构由冷轧型钢组合而成。起重机运行线路可沿生产工艺流程任意布置， 可有叉道、转弯、过跨、变轨距。所有部件都可实现大批量生产，再根据用户的不同需求 和具体物料搬运路线在短时间内将各种部件组合搭配即成。这种起重机组合性非常好，操 作方便、能充分利用空间、运行成本低。该起重机有手动、自动多种形式，还能组成悬挂 系统、单梁悬挂起重机、双梁悬挂起重机、悬臂起重机、轻型门式起重机及手动堆垛起重 机，甚至能组成大型自动化物料搬运系统。 轻型化和多样化 有相当批量的起重机是在通用的场合使用，工作并不很繁重。这类起重机批量大、用 途广，考虑综合效益，要求起重机尽量降低外形高度，简化结构，减小自重和轮压，也可 使整个建筑物高度下降，建筑结构轻型化，降低造价。因此电动葫芦桥式起重机和梁式起 重机会有更快的发展，并将大部分取代中小吨位的一般用途桥式起重机。 自动化和智能化 起重机的更新和发展，在很大程度上取决于电气传动与控制的改进。将机械技术和电 子技术相结合，将先进的计算机技术、微电子技术、电力电子技术、光缆技术、液压技术、 模糊控制技术应用到机械的驱动和控制系统，实现起重机的自动化和智能化。大型高效起 重机的新一代电气控制装置已发展为全电子数字化控制系统。主要由全数字化控制驱动装 置、可编程序控制器、故障诊断及数据管理系统、数字化操纵给定检测等设备组成。变压 变频调速、射频数据通讯、故障自诊监控、吊具防摇的模糊控制、激光查找起吊物重心、 第4 页武汉科技大学硕士学位论文 近场感应防碰撞技术、现场总线、载波通讯及控制、无接触供电及三维条形码技术等将广 泛得到应用。使起重机具有更高的柔性，以适合多批次少批量的柔性生产模式，提高单机 综合自动化水平。重点开发以微处理机为核心的高性能电气传动装置，使起重机具有优良 的调速和静动特性，可进行操作的自动控制、自动显示与记录，起重机运行的自动保护与 自动检测，特殊场合的远距离遥控等，以适应自动化生产的需要。例如采用激光装置查找 起吊物的重心位置，在取物装置上装有超声波传感器引导取物装置自动抓取货物。吊具自 动防摇系统能在运行速度2 0 0 m m i n 、加速度o 5 m 2 s 的情况下很快使起吊物摇摆振幅减 至几个毫米。起重机可通过磁场变换器或激光达到高精度定位。起重机上安装近场感应系 统，可避免起重机之间的互相碰撞。起重机上还安装了微机自诊断监控系统，该系统能提 供大部分常规维护检查内容，如齿轮箱油温、油位，车轮轴承温度，起重机的载荷、应力 和振动情况，制动器摩擦衬片的寿命及温度状况等。 成套化和系统化 在起重机单机自动化的基础上，通过计算机把各种起重运输机械组成一个物料搬运集 成系统，通过中央控制室的控制，与生产设备有机结合，与生产系统协调配合。这类起重 机自动化程度高，具有信息处理功能，可将传感器检测出来的各种信息实施存储、运算、 逻辑判断、变换等处理加工，进而向执行机构发出控制指令。这类起重机还具有较好的信 息输入、输出接口，实现信息全部、准确、可靠地在整个物料搬运集成系统中的传输。起 重机通过系统集成，能形成不同机种的最佳匹配和组合，取长补短，发挥最佳效用。目前 重点发展的有工厂生产搬运自动化系统，柔性加工制造系统，商业货物配送集散系统，集 装箱装卸搬运系统，交通运输和邮电部门行包货物的自动分拣与搬运系统等。 新型化和实用化 结构方面采用薄壁型材和异形钢、减少结构的拼接焊缝，提高抗疲劳性能。采用各种 高强度低合金钢新材料，提高承载能力，改善受力条件，减轻自重和增加外形美观。桥式 起重机的桥架结构型式大多采用箱形四梁结构，主梁与端梁采用高强度螺栓联接，便于运 输与安装。在机构方面进一步开发新型传动零部件，简化机构。“三合一”运行机构是当今 世界轻、中级超重机运行机构的主流，将电动机、减速器和制动器合为一体，具有结构紧 凑、轻巧美观、拆装方便、调整简单、运行平稳、配套范围大等优点，国外已广泛应用到 各种起重机运行机构上。 从上面的分析可以看出来，传统的停留在经验公式的起重机设计和故障诊断的方法已 经不再能适应起重机的发展，这就要求我们把起重机和c a e 以及虚拟样机技术更好的结 合起来，本文就是基于此目的的研究和探讨。 1 3 国内起重机基于c a e 技术的研究情况 目前对于起重机的c a e 研究主要集中在武汉科技大学、北京科技大学、上海海运学院、 武汉理工大学等学校。 文献【2 】中在国内率先开展了桥式起重机金属结构随机疲劳强度的研究，在对实测数掘 武汉科技大学硕士学位论文第5 页 进行统计分析的基础上编制了桥式起重机的第一个结构随机疲劳载荷谱，为以后的起重机 c a e 疲劳分析打下了基础。 文献【3 】对龙门起重机进行了综合的测试分析结合动力学修正的一些最新理论，在测 试分析的基础上，主要对龙门起重机的基频、模态以及龙门起重机的水平刚度进行分析，并 且结合大型有限元软件a n s y s 对之进行仿真。 文献 4 运用大型有限元软件a n s y s 通过损伤容限法的概念，对桥式起重机的主梁结 构进行了全面的故障原因及疲劳寿命分析。还实现了计算流程完全的参数化，编写了a p d l 参数化程序，并用v i s u a lb a s i c 语言编制了“桥式起重机主梁结构的计算和评估”应用 软件，用户可以更方便更轻松地完成对一台起重机主梁的主要性能评估。 文献【5 】、文献【6 】、文献【7 】中以有限元前后处理及分析仿真系统软件m s c p a t r a n 和 m s c f a t i g u e 为工具，分别对门机、桥式起重机和卸船机的整机结构状况做出评价，分析 其在实际工作环境下的寿命，解释结构开裂原因，将主梁的疲劳寿命分布直观地呈现在人 们面前，让设计方更精确、更方便地评估和改进起重机的设计方案。 文献【8 】建立了履带式起重机刚柔耦合虚拟样机，针对系统的复杂性，提出了基于刚 一柔耦合方法、集合多种软件的履带起重机虚拟样机建模技术，通过常规解析计算法验证 了此技术的可行性。 文献 9 运用三维建模软件p r o e 、有限元软件a n s y s 以及虚拟样机软件a d a m s ，进 行了耙剪式抓斗的建模，强度计算，屈曲计算以及动载系数选取的依据。 文献 1 0 】建立了门机臂架、象鼻梁、大拉杆等部件的柔性体。但是只进行了起升工况 和变幅工况的动力学仿真，没有能进行小车运行工况的仿真。没有能解决柔性体上动载荷 的问题。 文献【1 1 】、文献 1 2 】也分别以门座起重机为研究对象，建立了四连杆机构组合臂架系统、 门座起重机组合臂架系统的虚拟样机，并对其进行了多体系统动力学仿真分析，实现了起 重机在各种工况下，各铰接点的的载荷随时间变化的曲线，建立了多刚体系统的虚拟样机， 对于起重机的动态分析设计提供了有效的手段。 文献 1 3 n 用a d a m s 软件建立桥机的整个模型，进行桥机的起升和运行仿真获得载荷 然后用a n s y s 进行静强度分析：利用a n s y s 的参数化语言a p d l 进行改造部分的参数化建 模，联合子结构技术进行改造部分的优化设计。但是在整个仿真过程中并没有引入柔性体， 只是对起重机进行了刚体仿真。 文献 1 4 】对桥式起重机运用a d a m s 进行了仿真，并引入了整个桥架的柔性体实现了刚 柔耦合。但是在仿真小车在柔性的主梁上运行时，只是把刚性轨道和柔性主梁简单连接然 后让小车在刚性轨道上移动。这并没有真j 下解决在柔性体主梁上施加移动载荷的问题。而 且随后的疲劳分析只说了从u g 中导入模型到m s c f a t i g u e 中，并没有说明疲劳分析所需 要的载荷谱和材料的s n 曲线如何取得。没能把桥架柔性体的仿真和随后的分析结合起 来，没有体现刚柔耦合仿真的必要性和优势。 纵观对于起重机特别是桥式起重机的研究，大多都是进行了仿真或者疲劳诊断等某几 第6 页武汉科技大学硕士学位论文 个方面的工作。在把三维建模、刚体仿真获得载荷、有限元分析静强度、刚柔耦合仿真获 得动载荷、疲劳分析、裂纹拓展分析等几个方面有机的集合起来上还是空白。本文就是致 力于解决这个问题，将这些方面很好的融合起来。 1 4 本文的研究方法与技术路线 本文将三维建模软件p r o e 、多体仿真软件a d a m s 、有限元分析软件a n s y s 有机的结 合起来。p r o e 和a d a m s 之间通过m e c h p r o 插件实现无缝对接。发挥了p r o e 三维建模和 整体装配的特长避免了在a d a m s 直接建模的不便。a n s y s 静力分析中所需要的载荷，不再 通过经验公式和系数确定，而是直接取自a d a m s 的仿真结果。通过将a d a m s 中的刚性主梁 替换成a n s y s 中生成的柔性梁，对起重机进行刚柔耦合仿真。将仿真结果输出为a n s y s 的 载荷文件，在a n s y s 中调用该文件进行瞬态分析，然后利用瞬态分析的结果在a n s y s f a ti g u et o o l 中进行疲劳分析。最后利用断裂力学的裂纹扩展方法计算主梁裂纹扩展的寿 命。具体的技术路线如图1 2 1 5 本章小结 图1 2 课题技术路线 本章对课题所研究的起重机性能进行了介绍。分析了起重机发展的趋势和国内目 前在起重机c a e 方面的研究情况，从而阐明了本课题的意义和创新之处。介绍了本课题所 使用的研究方法和具体的技术路线。 武汉科技大学硕士学位论文第7 页 2 1 p r o e 软件介绍 第二章基于p r o e 的三维建模和整机装配 1 9 8 5 年，p t c 公司成立于美国波士顿，开始参数化建模软件的研究。1 9 8 8 年，v 1 0 的p r o e n g i n e e r 诞生了。经过l o 余年的发展，p r o e n g i n e e r 已经成为三维建模软件 的领头羊。目前已经发布了p r 0 e n g i n e e r 2 0 0 0 i 2 。p t c 的系列软件包括了在工业设计和 机械设计等方面的多项功能，还包括对大型装配体的管理、功能仿真、制造、产品数据管 理等等。p r 0 e n g 烈e e r 还提供了目前所能达到的最全面、集成最紧密的产品开发环境。 下面就p r o e n g i n e e r 的特点及主要模块进行简单的介绍【1 5 1 。 全相关性：p r o e n g i n e e r 的所有模块都是全相关的。这就意味着在产品开发过程中 某一处进行的修改，能够扩展到整个设计中，同时自动更新所有的工程文档，包括装配体、 设计图纸，以及制造数据。全相关性鼓励在开发周期的任一点进行修改，却没有任何损失， 并使并行工程成为可能，所以能够使开发后期的一些功能提前发挥其作用。 基于特征的参数化造型：p r 0 e n g i n e e r 使用用户熟悉的特征作为产品几何模型的构 造要素。这些特征是一些普通的机械对象，并且可以按预先设置很容易的进行修改。例如： 设计特征有弧、圆角、倒角等等，它们对工程人员来说是很熟悉的，因而易于使用。 装配、加工、制造以及其它学科都使用这些领域独特的特征。通过给这些特征设置参 数( 不但包括几何尺寸，还包括非几何属性) ，然后修改参数很容易的进行多次设计叠代， 实现产品开发。 数据管理：加速投放市场，需要在较短的时间内开发更多的产品。为了实现这种效率， 必须允许多个学科的工程师同时对同一产品进行开发。数据管理模块的开发研制，正是专 门用于管理并行工程中同时进行的各项工作，由于使用了p r o e n g i n e e r 独特的全相关性 功能，因而使之成为可能。 装配管理：p r o e n g i n e e r 的基本结构能够使您利用一些直观的命令，例如“啮合”、 “插入”、“对齐”等很容易的把零件装配起来，同时保持设计意图。高级的功能支持大型复 杂装配体的构造和管理，这些装配体中零件的数量不受限制。 易于使用：菜单以直观的方式联级出现，提供了逻辑选项和预先选取的最普通选项， 同时还提供了简短的菜单描述和完整的在线帮助，这种形式使得容易学习和使用。 p r o e n 舀n e e f 是一个功能定义系统，即造型是通过各种不同的设计专用功能来实现， 其中包括：筋( r i b s ) 、槽( s l o t s ) 、倒角( c h a m f e r s ) 和抽空( s h e l l s ) 等，采用这种手段 来建立形体，对于工程师来说是更自然，更直观，无需采用复杂的几何设计方式。这系统 的参数比功能是采用符号式的赋予形体尺寸，不象其他系统是直接指定一些固定数值于形 体，这样工程师可任意建立形体上的尺寸和功能之间的关系，任何一个参数改变，其也相 关的特征也会自动修萨。这种功能使得修改更为方便和可令设计优化更趋完美。造型不单 第8 页武汉科技大学硕七学位论文 可以在屏幕卜显示，还l 叮传送到绘图机上或一些支持p o s t s c r i p t 格式的彩色打印机。 p r o e n g i n e e r 还可输出三维和二维匿形给予其他应用软件，诸如有限元分析及后置处 理等，这都是通过标准数据交换格式来实现，用户更可配上p r o e n g i n e * r 软件的其它模块 或自行利用c 语言编程，以增强软件的功能。它在单用户环境下( 没有任何附加模块) 具有 大部分的设计能力，组装能力( 人工) 和工程制图能力( 不包括a n s i ，i s o ，d i n 或j i s 标 准) ，并且支持符合i i k 标准的绘图仪( h p 。h p g l ) 和白及彩色打印机的二维和三维图形 输出。 p r o e n g i n e e r 功能如下： 1特征驱动( 例如：凸台、槽、倒角、腔，壳等) ； 2 参数化( 参数= 尺寸、图样中的特征、载荷、边界条件等) ； 3 通过零件的特征值之间，载荷，边界条件与特征参数之间( 如表面积等) 的关系来进行 设计。 4 支持大型、复杂组合件的数计( 规则排列的系列组件交替排列，p r o p r o g r a m 的 各种能用零件设计的程序化方法等) 。 5 贯穿所有应用的完全相关性( 任何一个地方的变动都将引起与之有关的每个地方变动) 。 其它辅助模块将进一步提高扩展p r o e n g i n e e r 的基本功能。p r o e 的主窗口见图21 斛蛆n 猷* * i 矾日f i 口栅 舀，竹r j 。j 。】1 _ 1 1 曲! 口。卜管q 叹固“。舀嘧 ： 回国3 1q 1 ， 兰鹄 ! 一一 一pm t 聃 h 土上i i 语vza l 嚏_ 个i - t t 日旺a 1 4 勰十自。戢懈 图2 1 p r o ，e 的主窗口 i ：l 加 啊 ： 笋辫歉麓黧辫i| 攀瓣灞疆篡蔗 f t t ， 武汉科技大学硕士学位论文第9 页 22 起重机零件的三维实体建模 本课题的旋转挂梁起重机分成行走小车、车轴、小车轮、旋转小车、卷筒、驾驶室、 主梁、端梁等部分共十五个零件分别建模”】。各个零件的尺寸根据厂家提供的图纸得来， 具体模型见下面的图。 图2 2 主梁三维模型 幽2 3 端梁三维模型 第1 0 页武汉科技大学硕士学位论文 图2 4 轮轴 图2 5 车轮 图2 6 行走小车架 图2 7 旋转小车架 起重机的钢轨、吊具、吊重等部分在a d a m s 里面根据需要直接建立。 武汉科技大学硕士学位论文 第1 l 页 2 3 起重机的整体装配 p r o e 里面可以非常方便的把各个零件组成装配体。装配过程是通过两个或多个零件 的相互约束来实现。这些约束如下【1 叫叼： 1配对：用于约束定位两个曲面或者基准平面，并将他们的法线彼此相对。 2 对齐：这个约束可以让两个平面共面( 重合而且法线方向相同) ，两条轴线同轴， 或者两个点重合。 3插入：这个约束可以将一个旋转曲面插入到另一个旋转曲面中，而且使得两个旋 转曲面的旋转轴共线。 4定向：定向约束可以让两个平面平行，而且朝向同一个方向。 5坐标系：坐标系约束可以使零件的坐标系和组件的坐标系对齐。 6相切：控制两个曲面在切点的接触。这个约束与“配对”类似，但是它不对齐曲 面。 7 直线上的点：这个约束可以控制边、轴和基准曲线与点之间的接触。 8 曲面上的点：控制曲面与点之间的接触。 9 曲面上的边：用约束控制曲面与平面边界之间的接触。 1 0 角：用角度偏移约束和对齐或者配对约束柬固定对齐的轴和边的旋转。这个约束 仅仅能在创建了对齐轴或者边的约束之后才能使用。 完成后的起重机装配图如下图： 图2 8 起重机三维装配图 筇1 2 页武汉科技大学硕士学位论文 2 4 p r o e 与a d a m s 之间的模型传递 m e c h a n i s m p r o 模块是连接p r o e 与a d a m s 的桥梁。通过该模块，这两个软件可以实 现无缝对接，使用户不必推出其应用环境，就可以将装配的总成根据其运动关系定义为机 构系统，进行系统的运动学仿真。 具体方法如下： ( 1 ) 设_ 西! 零什和装配体的单位为“毫米千克秒”。g u h 主菜睢“编辑l ，设胃_ ，单位”， 然后，在“单位制”选项卡下选中“毫米千克( m i n k s ) ”。然后选“设置”弹出“改变模型单 位”对话框，选择“转换尺寸”，单击“确定”，最后关闭“单位管理器”； ( 2 ) 用m e c h p r o 生成刚体。g u i ：“m e c h p m ，| j 嘧e tu pm e c h a n i s m - r i g i d b o d i e s ，：_ c 他“守- a u t o m a t i c a l lp a r t s ”：可以点i n f o 来查看要传递的零件信息。如图 2 1 1 单逝制单位 蠓藤一备 料镕# o - b ) 【! 曼：i 黼器】田 裂嚣；搿琳省 ” ； i 盟i 说明 亘庠f 韩“x s 】 长度：一质量k 时闫：温度c 崮巍一 田田一 r r s n t d 一i 一4 e ，宣盈匠曩墨墨墨互训 曩墨曩冒墨重一 m f v i e ，霉墨墨盔盈一 b vs o “ i t ol u t t - c 一“ 图2 9 更改单位图图2 i o m e c b j p r o 菜单 ( 3 ) 在零件州舔加约束副、标已 、运动等。g u i ：“m e c h p r o - “s e t u p m e c h a n i s m ” ( 电可以在a d a m s v i e w 中添加) 。如果需要，还可以保存m p r 文件( g u i ： “m e c h a p r o ，l j 下i i r _ s a v e a s ”) ： ( 4 ) 导出模型到a d a m s 。g u h “m e c h p r o ，_ i n t e r f a c e 一 a d a m s v i e w ”( 如果“o n l y w r i t ef i l 髂 ，项选了“n o ”，将自动扣玎a d a m s v i e w 并导入模型) ； 武汉科技大学硕士学位论文第1 3 页 l 打d t “n n j b 妇：” 鞋1 日皿脯 “m i m 曩 图2 1 l 传递模型的信息 2 5 本章小结 图2 1 2 传递完成 在本章中，通过p r o e 建立了十五个零件的三维实体模型并完成了起重机的总成装配。 通过m e c h p r o 插件完成了p r o e 和a d a m s 的无缝对接，为随后的a d a m s 刚体仿真 做好了前期的准备。 第1 4 页武汉科技大学硕士学位论文 第三章基于a d a m s 的起重机多刚体动力学仿真 3 1 多体系统动力学基本理论 3 1 1 多体系统动力学基本概念 物理模型：这罩也称力学模型，由物体、铰、力元和外力等要素组成并具有一定拓扑构 型的系统。 拓扑构型：多体系统中各物体的联系方式称为系统的拓扑构型，简称拓扑。根据系统拓 扑中是否存在回路，可将多体系统分为树系统与非树系统。系统中任意两个物体之间的通 路唯一，不存在回路的，称为树系统；系统中存在回路的称为非树系统。 物体：多体系统中的构件定义为物体。在计算多体系统动力学中，物体区分为刚性体 ( 刚体) 和柔性体( 柔体) 。刚体和柔体是对机构零件的模型化，刚体定义为质点间距离 保持不变的质点系，柔体定义为考虑质点间距离变化的质点系。 约束：对系统中某构件的运动或构件之问的相对运动所施加的限制称为约束。约束分 为运动学约束和驱动约束，运动学约束一般是系统中运动副约束的代数形式，而驱动约束 则是施加于构件上或构件之间的附加驱动运动条件。 铰：也称为运动副，在多体系统中将物体间的运动学约束定义为铰。铰约束是运动学 约束的一种物理形式。 力元：在多体系统中物体间的相互作用定义为力元，也称为内力。力元是对系统中弹 簧、阻尼器、致动器的抽象，