采用移动Marker点的举升机动力学建模

题目：采用移动Marker点的举升机动力学建模页第1章绪论举升机构自卸汽车和其他类型的汽车中最大的区别，然而举升机构的好坏往往决定了举升的性能，不同的类型的自卸车举升机构也会有所不同，随着工业发展的进步，在自卸车这方面的需求越来越大。1.1研究背景和意义如今我们中国的发展越来越快，不管哪个行业发展都非常的迅速，我国的经济也得到了快速的增长。伴随着我国经济快速增长，市场对自卸车的需求也在日益增加，举升机构在基建、农业、工业等行业大放异彩的同时也得到了技术方面的成熟。从1990年初自卸汽车诞生开始，自卸汽车是基于专用货车底盘改装而成，后来随着国家政策的实施，到2019年国家承认这种委托其他货车公司完成自卸汽车上装的模式[]。随着汽车工业的不断发展和国家“一带一路”等政策的导向下，市场多元化的需求，为自卸汽车制造业提出了更高的要求，使用新材料、新技术成为了自卸汽车业迫在眉睫的难题。据国家统计局数据显示，最近五年载货汽车产量持续增长，如图1-1所示，2016年累计产量300.5万辆较2015年同比增长10%；2017年累计产量344.1万辆，同比增长14%；2018年累计产量371.73万辆，同比增长7.8%[]。图SEQ图\*ARABIC1-1载货汽车年产量随着载货汽车的产量不断上涨，预示着自卸载货汽车市场还拥有大的余量，市场大了自然而然产量就大，所以我国现在的自卸汽车市场依然火热。如图1-2所示，民用载货汽车的拥有量也是逐年上涨，除民用微、中型载货汽车市场变化不大以外，其他类型的载货汽车市场需求量还有空间。图1-2各类型载货汽车年拥有量然而自卸式货载汽车和普通的汽车就一个比较大的差别，那就是举升机构，举升机构发展的好，那么自卸式载货汽车的发展那也应该好。另一方面市场的需求催生着举升机构的不断改进。举升机构作为自卸汽车最重要的机构之一，目前技术不够成熟成为了国内自卸汽车发展的一个障碍。使得自卸汽车举升机构成为了大多数学者专家想要突破的一个热点。本文也将在前辈已有的研究成果上进行D式举升机构的动力学、运动学分析，并提出自己的观点，为举升机构的后续发展提供一定的理论基础。本课题主要研究的是自卸汽车D式举升机构的性能的影响参数，通过SIMPACK软件仿真分析，找到会影响举升机构性能的各种参数影响，通过对这些影响参数的分析然后再对D式举升机构的举升性能分析，能让自卸汽车达到安全、方便、快捷、高效率的工作，希望通过本次对于D式举升机构的研究能为后续举升机构的发展及自卸汽车行业提供一定的参考。从商业角度来说，本次的探究对于缩短生产厂家生产周期对、举升机构生产成本等方面有一定的积极作用，且提升了新产品的研发效率。从使用角度来说，对于自卸汽车的安全使用、稳定工作、提升效率等方面有较大的提升，加快工程进度，在基建、环卫、农业生产等领域的工作效率显著提升。最后，从社会价值来说，通过D式举升机构的研究，对于我国汽车工业的发展有促进作用，对我们自卸汽车技术及自卸汽车发展水平在国际上的地位有一个提升。1.2国外及国内研究现状1.2.1国外研究现状对于举升机构在国外的发展来说，较国内而言起步很早，国外的专家学者对此也作了大量的工作。近年来，随着计算机技术的飞速发展，欧美国家创建了采用由研究、分析、优化改进一系列所组成的工作过程，这一方面来说缩短了研发周期，提高了效率，另一方面来说，为自卸汽车举升机构的发展提供了一种较传统方法来的新的思路。对于自卸车举升机构的设计和优化方面来说，国外比国内发展的更早，研究内容、研究方法也更多。早在1980年起，富荷公司美国与巴西、西德厂家采用多节套筒缸液压系统用于三面卸车型。富荷公司专用汽车的生产水平在国际上首屈一指，专业化、系统化的生产，完善的技术水平，在20世纪驰骋于世界专用汽车最顶峰。在1986年T.F.Talbot和J.H.Appleton就对造成自卸汽车失去平衡的原因和计算方法进行了研究[]。2002年L.Ginzburg[]等人采用计算和实验一起得办法对自卸汽车的横向稳定性就行了探究。2003年Takano[]等人创建了一个三自由度的车辆动力学模型，仿真了车辆在不一样的工况下的情况，对自卸车侧翻进行了仿真分析。作为世界汽车工业最发达的日本、美国、德国，在举升机构举升稳定性及举升安全性能方面作了大量研究。此外，在自卸汽车的控制系统及举升机构关键部件的优化设计方面作出了巨大的贡献，而今国外自卸汽车也正朝着大吨位、轻量化、一体化的方向发展[]。1.2.2国内研究现状我国自卸汽车研究制造的起步晚，近年来不断引进国外先进技术进行改良，对技术不断的研究也从一部分方面对我国自卸汽车的发展有一定的促进作用，但是国外在自卸汽车的生产制造方面还是大大领先于国内。随着改革开放现代工业化的发展，自卸汽车在各行各业大放异彩，在城市环卫、基建、农业生产等方面发挥着重要的作用。自卸汽车的发明使得各项生产效率得到显著的提高，举升机构的研发节约了大量人力物力财力，在现代社会发展中成为了不可缺少的一部分。如今计算机的发展很快，计算机仿真技术也发展的很快，在我们国内有很多的自卸汽车专家和学者通过计算机仿真对举升机构做出了很多的设计，也对举升机构有了很多的研究，大多数都是通过3D建模软件和动力学分析软件建立举升机的动力学模型并进行动力学分析，通过动力学分析的结果，做出对举升机构性能和结构方面很大的改进。2004年天津大学机械工程学院崔新涛、毕凤荣利用机械多体动力学分析软件ADAMS对杠杆式液压举升机构进行了动力学仿真分析，创建约束，施加驱动，得出了分析结果，为后来强度计算设计提供了理论依据[]。2008年天津理工大学机械工程学院利用workingmodel动力学自动分析软件用五个举升机构部位载荷(车厢)、三角臂、支撑杆、液压缸体和液压活塞杆建立几何模型，得到了关键部位和关键点随卸货时间的力的变化曲线[]。2012年重庆大学赵剑利用三维建模及动力学分析软件创建了举升机构三维实体模型，在对举升机构动力学分析的基础上，还对F式自卸汽车举升机构整车动力学进行了仿真分析，最后按照分析结果进行了改进并且提出了改进方案，为后续对于自卸汽车的研究提供了一定的基础[]。2014年青岛大学机电工程学院朱龙龙、刘大维、葛绪坤结合柔体建模理论采用模性柔态表示物体弹性，把物体柔性考虑到举升机分析中来这样得到的数据更加准确，这为举升机构的发展又开辟了新的一篇[]。2015年广西科技大学袁利东利用ABAQUS软件对T式举升机构进行运动仿真，采用多目标拓扑思路，针对三角臂、副车架等关键机构进行了优化设计，实现了轻量化的目标，在举升机构的设计方面的发展提供了帮助[]。目前我国的一些机构和高校还结合网络理论对举升机构的控制系统进行开发设计，使系统集成化、一体化，举升机构也朝着安全智能的方向发展，实现了远程监控、科学化的管理。随着自卸车的广泛应用，其安全及可靠性能得到了重视，关于这方面的研究工作越来越多。1.3研究的方法和内容本文大致采用文献综合分析法、数学方法、计算机仿真分析法，通过对于国内外文献的收集整理，明确D式举升机构的研究重难点，理清研究思路进行仿真分析，列举动力学方程，进行受力分析并数学演变计算，最后利用计算机仿真软件SIMPACK进行动力学仿真分析，仿真结果进行对比分析。找出各种影响因素。本课题主要是针对一款现有的D式举升机构自卸汽车，采用SIMPACK动力学仿真软件对D式举升机构进行动力学分析，并简略提出对举升机构举升性能参数看法。具体工作如下：首先对研究背景、国内外研究现状进行了探讨，讨论了我国及汽车工业发展先进国家自卸汽车举升机构的研究现状。然后介绍了基础运动学理论并同时介绍了移动MAKER点的定义、应用。紧接着进行了举升机构的原理简介，建立了举升机构动力学模型并进行了动力学分析及受力分析。设置不同的输入工况进行分析评价。最后进行了全文总结，论述了研究结论，指出研究不足指出并致谢。本章首先从自卸汽车举升机构的应用和市场环境入手，对举升机构目前的研究背景进行了分析，对本课题的研究意义进行了简单的描述，随后通过文献的广泛分析研究，对举升机构的国内外现状进行了分析探讨，并指出了举升机构目前发展的方向，最后简要阐述了本课题对D式举升机构的研究方法与研究内容。

第2章动力学的理论背景及自卸式汽车举升机构的介绍随着社会发展的进步，动力学的应用越来越广泛，不仅仅应用于简单的物体分析，随着仿真技术的发展，动力学仿真的应用也越来越多。2.1动力学理论背景2.1.1动力学理论基础动力学是理论力学的一个分支，它研究作用在物体上的力与其运动之间的关系。动力学的研究对象是一个速度远小于光速的宏观对象。原子和亚原子粒子的动力学属于量子力学，而与光速相对应的高速运动的研究属于相对论力学。动力学是物理学和天文学的基础，也是许多工程学科的基础。许多数学发展往往与解决动力学问题有关，因此数学家对动力学有着浓厚的兴趣。动力学的研究是以牛顿运动定律为基础的，牛顿运动定律的建立是以实验为基础的。动力学是牛顿力学或经典力学的一部分，但自20世纪以来，动力学往往被理解为以工程技术应用为重点的力学分支。动力学的基本内容包括粒子动力学、粒子系统动力学、刚体动力学和达朗伯原理。在动力学基础上发展起来的应用学科包括天体力学、振动理论、运动稳定性理论、陀螺力学、外弹道等，变质力学和多刚体系统动力学的发展等。2.1.2动力学应用动力学的研究使人们能够掌握物体的运动规律，为人类提供更好的服务。例如，牛顿发现了万有引力定律，解释了开普勒定律，为现代星际航行开辟了道路。自20世纪初相对论问世以来，他先后发射了探月、火星、金星等航天器，使牛顿力学中的时空概念和力学基本概念发生了许多变化。实验结果表明，当物体的速度接近光速时，经典动力学完全不适用。然而，在工程等实际问题中，宏观物体的运动速度比光速慢，牛顿力学的研究不仅精度高，而且相对简单，所以经典动力学仍然是解决实际工程问题的基础，需要考虑的因素也越来越多在机械系统中。例如变质量、非整数、非线性、非保守、反馈控制、任意因子等，导致运动微分方程越来越复杂，能够找到正确答案的问题越来越少。许多动力学问题都有相似的数字分析方法，通过微型、高速、大平台的计算机应用解决了复杂的计算难题。简化处理和分析，建立相应的力学模型，在相应的力学理论基础上建立研究系统的数学模型，根据系统的数学模型，在系统参数条件下进行系统的仿真实验和仿真系统进行计算分析。2.1.3多体系统动力学从20世纪60年代到80年代，航空航天和机械领域出现了两类不一样的数学建模方法，方法分别是拉格朗日方法和笛卡尔方法。这些方法的主要区别在于对刚体位型的描述。航天领域形拉格朗日方法是相对坐标法，以RobersonWittenburg方法作为代表，以系统的每个铰的一堆邻接为单元，以一个刚体作为参考，另外一个刚体相对这个刚体的位置由铰的广义坐标来描述的，广义坐标一般为邻接刚体之间的相对转角或者位移。这样开环系统的位置完全可以由所以铰的拉格朗日坐标阵q所确定其动力学方程的形式为拉格朗日坐标阵的二阶微分方程组，公式如公式（2.1）（2.1）这种形式首先在解决拓扑为树的航天器问题时推出。它的优点是方程个数最少，树系统的坐标数等于系统自由度，以及动力学方程比较容易转化为常微分方程组(ODEs-OrdinaryDifferentialEquations)。但方程呈出严重的非线性，为了能让方程有程式化与通用性，在矩阵A与B中常常包含描述系统拓扑的信息，其形式相当复杂，而且在选择广义坐标时需人为干预，不利于计算机自动建模。不过目前对于多体系统动力学的研究比较深入，现在有几种应用软件采用拉格朗日的方法也取得了较好的效果。对于非树系统，拉格朗日方法要采用切割铰的方法以消除闭环，这引入了额外的约束使得产生的动力学方程为微分代数方程，不能直接采用常微分方程算法去求解，需要专门的求解技术。机械领域形成的笛卡尔方法是一一种绝对坐标方法，即Chace和Haug提出的方法，以系统中每-一个物体为单元，建立固结在刚体上的坐标系，刚体的位置相对于-一个公共参考基进行定义，其位置坐标(也可称为广义坐标)统一为刚体坐标系基点的笛卡尔坐标与坐标系的方位坐标，方位坐标可以选用欧拉角或欧拉参数。单个物体位置坐标在二维系统中为3个，三维系统中为6个(如果采用欧拉参数为7个)。对于由N个刚体组成的系统，位置坐标阵q中的坐标个数为3N(二维)或6N(或7N)(三维)，由于铰约束的存在，这些位置坐标不独立。系统动力学模型的一般形式可表示为（2.2）式中为位置坐标阵的约束方程，为约束方程的雅可比矩阵，为拉格朗日乘子。这类数学模型就是微分-代数方程组(DAEs-DifferentialAlgebraicEquations),也叫欧拉-拉格朗日方程组(Euler-LagrangeEquations),它的方程个数比较多，系数矩阵表现为稀疏状，适用计算机自动建立统一的模型进行处理。笛卡尔方法对于多刚体系统的处理不区分开环与闭环(即树系统与非树系统)，统一处理。2.2举升机构简介举升机构是自卸汽车最重要的部件，大致组成有液压缸、副车架、三角臂、拉杆等，按照常用方式分类分为直推式及连杆组合式两种，其中直推式应用较为广泛。1.直推式举升机构直推式举升机构，字面意思就是这个机构的工作原理，直接通过液压缸的动力推动车厢完成举升动作的操作。直推式直接推动完成举升这也就说明这种举升机构的结构很简单，它的结构相对比较紧凑、举升的工作效率也比较高，所以应用也比较广泛。受限于举升高度的问题，常常采用多级伸缩式液压油缸来搭配配置。直推式举升机构有两种类型，它通过液压缸和车体的连接位置不同，有前置式和后置式两种类型。前置式需要的举升力较后置式低，前置式常常应用单缸，而后置式所需要的举升力比较高可应用多缸。其中后置双缸并列直推式举升机构由于结构简单，布置优化、举升稳定性高等特点应用最为广泛，但由于其横向刚度较差，也饱受诟病。双缸举升存在着液压力分配不均，油缸漏油，举升不同步的缺点，故本课题不选用直推式举升机构进行研究[]。2.连杆组合式连杆组合式的举升机构一般由液压缸、副车架、三角臂、拉杆和车厢组成。具有油缸行程短，举升稳定性高，结构简单紧凑的优点，大多采用单缸配置。通常布置有三种分别为D式、T式、F式：（1）D式D式又称加伍德式举升机构，D式举升机构通过三角臂与车厢底板相连推动车厢，具有举升性能好，并能承受较大的偏置载荷;举升支点在车厢几何中心附近,车厢受力状况较好。但该机构举升力系数较大,工作效率较低的优点[]。（2）T式T式又称马勒里式举升机构，同D式相同，也是三角臂与车厢底板相连进行举升，但相比于D式机构，其举升支点更靠近于车厢的前端，且到达最大举升高度时，液压杆几乎处于垂直状态，具有稳定性好，油缸最大推力较小,油压特性好的优点。但举升机构较大,油缸在举升过程中的摆角较大,工作行程也较大，结构相对于较复杂[]。（3）F式F式又称浮动油缸式举升机构，同上述两种类型不同，其油缸的一端直接与车厢底板相连,另一端不是固定在车架上,而是可以随着车厢的翻转而运动,故称为油缸浮动式举升机构。其拉杆与车厢底板相连，举升支点靠近车厢前部，举升效果较好，工作效率比较好，但其结构不紧凑，工作角度较大[]。综合以上对于现有举升机构的分析，每一种形式都有利有弊，下表2-1对于现有举升机构进行了综合比较：表SEQ表\*ARABIC1-1各类型举升机构对比表项目直推式D式T式F式结构高度、质量油缸工作寿命稳定性应用环境简单紧凑较小可单可双较短较差重型侧倾汽车较简单适中单缸适中适中中、重型汽车较复杂较大单缸较高适中轻、中型汽车较复杂较大单缸较高适中重型汽车2.3本章小结本章首先对动力学背景的介绍，动力学的发展过程，然后现存常用的自卸汽车举升机构进行了简介，并且通过对比分析的方法分析了不同举升机构的适用环境，还对比分析了各种举升机构的优点和缺点。

第3章D式举升机构的介绍及分析前文介绍了举升机构的类型，而本文选择的是D式举升机构，随着工业发展的进步，D式举升机构在生活中的应用也是越来越广泛。3.1D式举升机构的结构及工作原理1.结构D式举升机构的组成主要有底座、左拉杆、右拉杆、左三角臂、右三角臂、液压缸、活塞和车厢。当做平面图时，我们简化了结构，从而使运动图更加简单易懂。如图3-1所示，液压缸（DC）、三角臂（ABC）、拉杆（DC）、车厢（U型框）如图以为原点建立坐标系，A、B、C、D和U型框为举升初始位置，其中底座和液压缸铰接于D点，底座和拉杆铰接于D点，拉杆和三角臂铰接于C点，三角臂和液压缸活塞铰接于B点，三角臂和车厢铰接于A点。当举升机举升的角度为时，举升机构的位置为A’、B’、C’、D、U型框（虚线）[]。2.D式举升机构工作原理当驾驶人员按下举升按钮后，如图所示液压缸的推力作用于三角臂的C点，这个时候拉杆在三角臂的B点有拉力，进而三角臂的A点开始转动，举升动作就开始了。图3-1D式举升机构原理图3.2D式举升机构的几何分析D式举升机构包括液压臂（液压缸）、拉杆、三角臂、车厢，分别对其进行受力分析和运动学分析才能完整了解举升机构受力状态和运动状态1.车厢以车厢与副车架后端铰接点为原点建立坐标系，三角臂与车厢铰接点定义O1，重心点定义为O2，。车厢在举升过程中一共受三个力作用，即车厢及货物的重力G，三角臂的推力F2，后铰接点支撑反作用力F1，并定义任意举升时刻拉杆车厢铰接点（O1）与原点O形成的夹角为；车厢重心点O2与原点所形成的夹角为γ（以上角度参考平面均为轴）。车厢受力分析图如下图3-2所示：图3-2车厢受力图由于整个卸货的过程可忽略运动对其的影响，可根据理论力学理论可建立运动学方程：公式（3.1）公式（3.2）公式（3.3）根据上述（3.1）（3.2）（3.3）式可得：公式（3.4）公式（3.5）公式（3.6）上述式中：、为三角臂铰接点在、轴上的分力。、后铰接点支撑反力在、轴上的分力。2.液压臂液压臂受到车厢反作用力及三角臂作用力，在两个力的作用下绕点实现转动，以转动点D原点建立坐标系，受力分析如下图3-3所示：图3-3液压臂受力图根据力矩平衡可得：公式（3.7）式中：、分别为C点在、轴上的坐标值。D式举升机构的动力来源是液压臂，液压臂在举升过程中不断伸长，三角臂作平面的圆周运动。拉杆及液压臂连接三角臂，在举升机构举升过程中，铰接点A绕O作以O为圆心的旋转运动，运动的轨迹为圆弧。同样以O点为原点建立直角坐标系，如下图3-4所示：图3-4液压臂角度图根据坐标关系可得：公式（3.8）式（3.12）中：、、、分别为A、B铰接点的坐标，表示B、A铰接点间的距离（下述式子同理，不再赘述）。同理可写出其余表达式：公式（3.9）公式（3.10）公式（3.11）公式（3.12）通过本节上述式子可确定任何举升时刻下三角臂的坐标。而铰接点O1的坐标可通过上节设定的角度运用三角函数知识得到LCD,即液压臂长度D。设液压臂初始长度为D0，则任意时刻的长度D及液压臂的行程L可由以下式子计算：公式（3.13）公式（3.14）本节通过对D式举升机构进行直角坐标系的建立，运用坐标级三角函数知识对D式举升机构的运动进行了分析，同时提供了液压臂长度的计算方式。3.拉杆拉杆受到车厢的反作用力和铰链点D的反作用力，在两个力的作用下实现绕D转动，以转动点D为坐标原点建立直角坐标系，受力分析如图3-5所示：图3-5拉杆受力图拉杆为二力杆件，由力矩平衡可得：公式（3.15）式中：、分别为点在、轴上的坐标值。4.三角臂三角臂受拉杆拉力、液压臂推力、车厢反作用力三个力的作用下实现绕铰链点的转动，以铰链点A为原点建立直角坐标系，受力分析如图3-6所示：图3-6三角臂受力图根据理论力学理论可建立运动学方程：公式（3.16）公式（3.17）公式（3.18）3.3本章小结本章首先对D式举升机构的结构进行了描述，通过建立坐标系对其举升的过程进行了简单的描述。然后通过动力学知识完成了动力学方程，最后对举升机构进行了运动学分析，提出了坐标确定运动的方法进行坐标运算确定举升机构的运动。

第4章D式举升机构的动力学模型建模及仿真分析本篇文章是对D式举升机构的动力学建模，需要建立出模型，然后仿真分析。于是选择了SIMPACK这款软件，将建模和分析一次在一个软件上完成。SIMPACK软件的前处理模块和后处理模块也让建模分析更加清楚明了。4.1移动Marker点1.Marker点Marker点就是一个标记点，是模型上预先设置的点，它有自己的坐标系,即x轴、y轴、z轴，Marker点的位置由输入的值决定，对应参考坐标系原点。Marker点基本上在所有动力学模型仿真中都存在，一般情况下在创建marker点之前要先创建体（body），一个体上可以有多个Marker点，因为一个体可以和多个体之间铰接。2.移动Marker点移动Marker（moveMarker），移动Marker指可以移动的Marker点，有着很特殊的应用，可以模拟各种现实生活中的复杂的动力学变化，比如在这次的D式举升机构建模中，移动Marker的妙用就模拟了自卸汽车在倾倒出货物质心一直变化的情况，一般会随着LeadingMarker（主标记点）的运动而运动，也可以定义某些自由度上moveMarker与LeadingMarker不一致。有了moveMarker的存在可以简化物体实际的力学运动，在很多特殊的地方有着很大的作用。4.2D式举升机构模型的建立这次选择的是D式举升机构，D式举升机在SIMPACK中由底座、左右拉杆、左右三角臂、液压缸、活塞、车厢组成。在SIMPACK中有CAD建模功能以及动力学仿真分析等功能，因此在这次建模和动力学仿真分析都在SIMPACK中完成。SIMPACK中建模中有四个重要要素分别是物体（body）（建模系统的基础构件）、铰（joint）（这是连接副和铰链用于物体之间的连接）、外力（outsideforce）（系统之外的物体对本系统的作用）、力元（forceelement）（仅有力的作用没有其他运动学上的约束），还有其他基本要素，分别是参考坐标系、标记（marker）、约束（constraint）（对系统中机械相对运动的一些约束）。在SIMPACK中建立模型是先将机械系统分解，分解为铰链、物体、约束、还有力元，再制作出描述拓扑图、最后总体建模完成。在SIMPACK中单位和很多别的软件不一样，长度的单位默认状态下是米，角度的单位是弧度，在角度值后面要加deg，这次我采用的是CAD模型所以有缩放数据的要填写0.001，将CAD模型缩小1000倍。4.3.1D式自卸举升机构拓扑图建模自卸式举升机构模型的拓扑图如图4-1所示。此拓扑图从下往上分析，由于车架和仿真分析没有什么影响，所以在建模中以大地代替车架，所以我们将底座与大地固定连接，底座和左拉杆、液压缸、以及右拉杆均铰接，图中表示底座和左拉杆、右拉杆、液压缸之间的铰接类型都是RevoluteJointbe，绕y轴的转动铰。图中左拉杆和左三角臂、右拉杆和右三角臂之间的表示左拉杆和左三角臂、右拉杆和右三角臂之间的铰接类型也是RevoluteJointbe，绕y轴的转动铰。图中活塞和液压缸之间的x表示活塞和液压缸之间的AxisofMotion是Translationinx。继续往上看左三角臂和活塞、左三角臂和车厢、右三角臂和活塞、右三角臂和车厢之间都有一个约束，这四对约束的类型都是用户定义约束自由度UserDefinedConstraint，约束了x轴和y轴方向的自由度。最后再看车厢和大地之间，其中表示他们之间为moveMarker和LeadingMarker的关系，PE50表示力元类型是ForceTorqueExpressionCmp。图4-1D式自卸举升机构拓扑图4.3.2D型举升机构模型实际创建步骤在SIMPACK前处理界面中创建一个新的模型，将CAD文件导入SIMPACK刚刚创建的D式举升机构中，这样就有了几个基础的模型分别为底座、左右拉杆、左右三角臂、液压缸、活塞、以及车厢。1底座在创建底座3D模型时，首先需要在处理界面右侧的模型树中建立他的体（$B_dizuo），然后选择刚刚导入的几个基础模型中的底座确定他的几何外形（缩放系数项输入0.001，SIMPACK中是米制单位，要将CAD模型缩小1000倍），再确定底座在位移项的移动距离、以及确定底座在角度项转动的角度，最后再定义底座的质量。最接下来再创建底座上的几个标记点(marker)如图4-2所示，分别为底座和左右拉杆的标记点、底座和液压缸的标记点、以及底座与车架（大地）的标记点（在此模型中底座和大地固定在一起）。底座上的几个标记点（marker）用来确定底座和液压缸、底座和左拉杆、底座和右拉杆中间的连接。底座建模完成后模型图如图4-3所示。图4-2底座Marker图4-3底座完成后模型2左右拉杆在创建拉杆的3D模型时，由于左右拉杆是对称完全一致的，所以可以先创建一个左拉杆然后再复制左拉杆更改为右拉杆即可。首先我们处理界面右侧的模型树里创建出左拉杆的体（$B_lagan_L），然后确定左拉杆的质量属性、质心坐标、转动惯量。再在左拉杆上创建标记点（marker）如图4-4所示，有左拉杆自身的标记点、左拉杆与三角臂的标记点，用于左拉杆和底座以及左三角臂的铰接。接下来确定左拉杆的几何外形，在两个Marker之间创建几何外形，左拉杆的几何外形选择用圆柱代替，设置好圆柱的半径，Markeri选择左拉杆上的标记点，Markerj选择左拉杆上于三角臂的标记点，左拉杆的几何外形选择用圆柱代替，设置好圆柱的半径。最后再更改左拉杆的铰接，在右侧的模型树里选择Joint进入更改界面，FromMarker选择底座和左拉杆的标记点，ToMarker选择左拉杆的自身标记点。铰链类型选择绕y轴的转动铰。图4-4左拉杆Marker左拉杆创建完成后创建右拉杆（$B_lagan_R），前文说到左拉杆和右拉杆对称完全一致，所以直接复制左拉杆创建出左拉杆的复制体，再将左拉杆复制体更改名字为右拉杆（$B_lagan_R），然后更改左拉杆的复制体的铰接，直接将FromMarker更改为底座和右拉杆的标记点就行了，这样就完成了右拉杆的创建。创建好左右拉杆的模型图如图4-5所示。图4-5左右拉杆完成后模型3三角臂在创建左右三角臂也是和左右拉杆一个道理，左三角臂和右三角臂也是完全对称一致的。首先在右边的模型树里创建左三角臂的体（$B_sanjiaobi_L），定义出左三角臂的质量属性、质量、质心坐标以及转动惯量。接下来在左三角臂上创建标记点（Marker）如图4-6所示，依次为左三角臂自身的标记点、左三角臂和车厢之间的标记点、左三角臂和活塞之间的标记点，这几个Marker点用来确定左三角臂和左拉杆、活塞以及车厢之间的铰接。接下来就是创建左三角臂的几何外形，选择导入的左三角臂模型，在位移项里面确定x、y、z的位移移动量，在角度项里面确定绕y轴和z轴转动的角度，模型用的单位是米，SIMPACK中的单位也是米制单位，所以缩放系数为1。最后就是更改左三角臂的铰接，FromMarker选择左拉杆和左三角臂的标记点，ToMarker选择左三角臂自身的标记点，我们在铰接类型里面选择绕y轴的转动铰，再确定初始角度。图4-6左三角臂Marker完成了左三角臂开始创建右三角臂（$B_sanjiaobi_R），右三角臂和左三角臂对称完全一致，和右拉杆的创建方法一样，复制左三角臂创建出左三角臂的复制体，然后将左三角臂复制体的名字改成右三角臂（$B_sanjiaobi_R），再直接更改左三角臂复制体的铰接，把FromMarker改成右拉杆和右三角臂的标记点，这样便创建好了右三角臂。创建好左右三角臂的模型图如图4-7所示。图4-7完成左右三角臂后模型4液压缸创建液压缸和前面基本一样，首先在右边模型树里面创建液压缸的体（$B_yeya_gang），然后确定液压缸的质量属性、质量、质心坐标、转动惯量。然后创建液压缸上的标记点（Marker）如图4-8所示，分别是液压缸自身的标记点、液压缸和活塞之间的标记点，这几个Marker分别用来确定液压缸和底座之间的铰接，液压缸和活塞之间的铰接。接下来确定液压缸的几何外形，在这次建模中我们将液压缸用一根圆柱代替来模拟液压缸，确定圆柱的高和直径。最后更改液压缸的铰接，我们找到FromMarker选择底座和液压缸之间的标记点、在ToMarker选择液压缸自身的标记点，铰接类型里面选择绕y轴的转动铰，再确定铰接的初始角度。这样液压缸便创建完成了。创建好液压缸后的模型如图4-9所示图4-8液压缸Marker图4-9完成液压缸后模型5定义输入函数和时间激励输入函数的定义。接下来的步骤本来是要创建活塞，液压缸和活塞之间有一个一个自由度，但是活塞的运动规律是利用激励函数定义的，所以液压缸和活塞之间的铰链是一个驱动铰，因此我们需要先定义活塞的运动规律的输入函数。首先建模元素的上方有工具栏，点击定义输入函数的图标进入定义输入函数的界面，然后开始定义输入函数（$I_lift）。在这次模型中我们定义的活塞运动从2秒的时候开始运动，到15秒的时候移动到0.4米的位置保持不动，活塞不动则表示举升机构达到最高点，举升动作完成。如图4-10所示。图4-10输入函数定义时间激励。将活塞的铰接定义为随时间激励变化的驱动铰，所以要创建一个时间激励（$E_lift），在软件界面的上方的建模元素工具栏中点击定义时间激励的图标，进入定义时间激励的界面，时间激励类型选择采用从输入函数导入、创建三个时间激励向量、InputFunction（t）选择刚才创建的输入函数，在能够生成导数的那个选项里面选择Derivativesoff（t），这样会自动根据输入函数得到一阶和二阶导数。如图4-11所示。图4-11时间激励6活塞当输入函数和时间激励都创建好后就可以创建活塞了，在软件界面的右边的模型树里先创建活塞的体（$B_huosai），确定活塞的质量属性、质量、质心坐标以及转动惯量。接下来在活塞上创建标记点（Marker）如图4-12所示，活塞自身的标记点、活塞和左三角臂之间的标记点、活塞和右三角臂之间的标记点，用来确定活塞和液压缸的铰接、活塞和左三角臂的铰接、活塞和右三角臂的铰接。然后更改活塞的几何外形，选择CAD中的活塞模型，然后缩放系数改为0.001，因为模型原型采用的是毫米单位而SIMPACK用的是米为单位。最后更改活塞的铰接，在FromMarker选择液压缸和活塞之间的标记点、在ToMarker选择活塞自身的标记点，活塞的铰链类型选择SingleAxisu（t），这是一个有时间激励驱动的单向铰接，在AxisofMotion的选项中选择Translationinx，这是一个沿x方向的移动铰，最后在TimeExcitation-IDfors（t）、sp（t）、spp（t）三个选项中分别选择刚刚创建的三个时间激励。这样便完成活塞的创建。创建好活塞后的模型图如图4-13所示。图4-12活塞Marker图4-13完成活塞后模型7车厢创建车厢，在这里我们给出的车厢质量很小，而转动惯量很大，因为自卸汽车在举升的过程中货物一直在倒出，所以质量不断地减小，在这次模拟中我把货物的重量算入车厢中，在车厢上加一个等大小的沿重力方向的力，让这个力不断减小来实现自卸汽车举升倒出货物的过程，所以车厢质量给了一个很小的值。首先在软件界面的右边模型树中创建车厢的体（$B_chexiang），确定车厢的质量属性、质量、质心坐标、转动惯量。然后在车厢上创建标记点（Marker）如图4-14所示，车厢自身标记点、车厢和左三角臂之间的标记点、车厢和右三角臂之间的标记点、车厢质心的标记点，这些标记点分别确定车厢和大地的铰接、车厢和左三角臂的铰接、车厢和右三角臂的铰接，需要特别说明的是车厢质心的标记点，这个标记点和大地上的一个标记点直接模拟出了现实生活中自卸式汽车在倾倒出货物的时候重力一直减小的现象。然后定义车厢的几何外形，在这次建模中车厢是用的一个长方体来模拟的，确定车厢的位置坐标，再确定车厢在x、y、z轴的长度，也就是车厢的大小。最后在更改车厢铰接之前需要在大地上创建一个标记点，然后再更改车厢的铰接，在FromMarker的选项中选择大地上的标记点、在ToMarker选择车厢的标记点，铰接类型选择SphericalJointal-be-ga，车厢与大地之间为球铰。车厢创建完成后基本模型就出来了。创建好车厢后的模型如图4-15所示。图4-14车厢Marker图4-15车厢完成后模型8约束和力元动力学模型基本完成了，接下来还需要在模型中施加约束、添加力元。在现在的结构中，需要在左三角臂和车厢之间添加约束、在右三角臂和车厢之间添加约束、在左三角臂和活塞之间添加约束、在右三角臂和活塞之间添加约束，一共需要添加四对约束如图4-16所示，每一对约束都约束x和z轴的移动自由度，所以一共要约束八个自由度。约束都添加后就可以装配模型了，点击模型装配就可以看到现在模型的铰接的自由度为8，而且约束的自由度也是8，目前模型的自由度为0，自由度为0就意味着模型无法运动，但是我们之前在活塞上加的是驱动铰，驱动铰的自由度并不会计算在里面。驱动铰就是一个具有确定运动的原动件，它会带着其它的系统部件一起运动。模型装配好后如图4-17所示。图4-16约束图4-17D式举升机构力学模型9在大地上创建Marker要想在模型上施加一个可以代表车厢上货物的倒出质量减小的力元，就需要克服的事车厢上的标记点的位置是变化的，而且施加的这个力还必须是沿重力方向的，因此需要在大地上创建一个移动的标记点（moveMarker），移动的标记点的类型选择CongruentMarker，这种类型移动的标记点会随着主标记点（LeadingMarker）的运动而运动，选择车厢上质心标记点为主标记点、选择大地上的标记点为参考标记点、选择大地上的标记点为体上的参考标记点，限制这个移动标记点在三个转动方向不和主标记点一起变化，而是和体上的参考点保持一致，在举升过程中，移动标记点在三个移动方向保持一致，这样一来就可以保证移动标记的跟着主标记点一起移动，但是力的方向始终都是沿着重力方向的。10定义力元的输入函数、表达式、力元(1)定义力元的输入函数（$I_mass），点击建模元素的定义输入函数按钮，定义这个力在2秒一起一直都是50000，到了第15秒的时候变成10000，然后力一直保持不变。(2)定义表达式（$X_mass），我们要让力随着时间的变化而变化，让力和时间有函数关系，所以需要使用查表函数，定义查表函数为（IFCTNX（TIME,$I_mass））。(3)定义力元($F_mass_missing),在软件上方建模元素工具栏中找到定义力元的图标，然后在FromMarker的选项中选择大地上的移动标记点，在ToMarker的选项中选择车厢质心标记点，力元的类型选择ForceTorqueExpressionCmp，在z方向上的力的选项中选择上一步创建的表达式（$X_mass）。（10）离线积分以及结果后处理接下来就是最后的步骤了，定义仿真时间和采样频率，在SIMPACK软件右边的模型树中选择$SLV_SolverSettings，定义仿真的时间为20s，输出步中选择Numberofpoint，设置输出201个点。接着进行在线静平衡计算，等着静平衡计算完成，把静平衡的结果复制到模型中，最后保存好模型。到目前为止，D式举升机构的力学模型就算完成了，在前处理界面上方的工具栏中点击线积分图标，就开始进行离线积分了，等待计算结果完成后，就可以在后处理模块中查看结果。4.4D式举升机构的仿真分析当在前处理模块中完成D式举升机构的力学模型后，离线积分后在后处理模块中就可以查看到在举升过程中的各种数据，有关举升过程中各个部件的角速度、角加速度、以及各个部分受力的情况、车厢质心的受力情况、各个部位铰接点的受力情况1.车厢角速度和车厢角加速度分析车厢角速度在20s时间的举升过程中的变化如图4-18所示，在0到2秒的时间中车厢角速度没有什么变化一直是0，这正好模拟出了现实生活中举升机构在按下举升按钮构并不会马上举升，会有一定的缓冲时间，在2秒过后开始举升角速度达到了35rad/s，在2.1秒左右到15秒角速度基本不变，但有一点微妙的变化，呈现出现减少一点再增加一点的微小的圆弧，在15秒之后角速度变成0，说明举升过程完成，举升机构达到最大的举升角度。那我们现在再来看看车厢角加速度的变化如图4-19所示，车厢角加速度在0到2秒和车厢角速度一样都是0，在2秒后开始增加，中间有一段时间角加速度呈现出波形图，可能和液压缸还有重力的作用有关，其他都和角速度一一对应，这说明D式举升机构在仿真中没有什么问题。图4-18车厢角速度随举升时间变化曲线图4-19车厢角加速度随举升时间变化曲线2.液压缸角速度和角加速度分析液压缸角速度在0到20秒的变化如图4-20所示。在0到2秒的时候液压缸的角速度为0，在2秒的时候角速度达到最大值，然后2秒到15秒缓慢降低到图中-40左右的位置，15.1秒左右降为0，一直到20秒液压缸角速度一直为0，这时候达到液压缸最大角度，证明举升动作的完成，达到最高点。液压缸角加速度如图4-21，在0到2秒为0在2秒直接达到最大值，在2秒之后液压缸角加速度呈现出波形图一直上线跳动，应该是和液压缸和重力的作用下有关，然后到7.5秒举升到一半的时候液压缸角加速度缓慢降低到15秒为0。图4-20液压缸角速度随举升时间图4-21液压缸角加速度随举升时间变化曲线3.拉杆角速度和拉杆角加速度拉杆加速度随时间的变化如图4-22所示。在0到2秒的时候拉杆的角速度为0，在2秒的时候角速度达到最大值，然后2秒到15秒缓慢降低到图中-40左右的位置，15.1秒左右降为0，一直到20秒拉杆角速度一直为0，这时候达到拉杆最大角度，证明举升动作的完成，达到最高点。然后我们再看拉杆角加速度如图4-23所示，在0到2秒拉杆角加速度为0,在2秒到7.5秒左右一致处于波动状态，这也是和液压缸和重力有关，然后一直到15秒角加速度缓慢变为为0，在15秒到20秒拉杆角加速度一直为0。通过对比发现拉杆角角速度及角加速度和液压缸的角速度及角加速度随着时间的变化图基本上是相同的，这是因为在这个力学模型中，拉杆和液压缸的位置基本上是一样的，初始角度和长度基本上差不多，所以在分析图中呈现出大致一样的结果。图4-22拉杆角速度随举升时间变化曲线图4-23拉杆角加速度随举升时间变化曲线4.三角臂角速度和三角臂角加速度三角臂角速度随时间的变化如图4-24所示。从图中可以看出变化规律，从0到2秒三角臂角速度一直为0，从2秒到2.1秒达到一个顶峰再到2.5秒又回到0，从2.5秒到15秒一直处于比较平缓的上升阶段知道三角臂角速度达到最大值，15到15.1秒回到0，然后一直保持0rad/s到举升结束。再看三角臂角加速度变化图如图4-25所示，在0到2秒的时候为0，2.1秒的时候达到第一个峰值，从2.1秒到7.1秒之间频繁的波动，7.1秒掉15秒以一个比较低的加速度基本稳定直到15秒回到0点，15秒到20秒三角臂角加速度一直为0，其中波动的那一段主要原因是由于三角臂和拉杆以及重力的影响。图4-24三角臂角速度随举升时间变化曲线图4-25三角臂角加速度随举升时间变化曲线5.车厢举升角度及油缸浮动角分析车厢举升角随时间变化关系如图4-26所示。从图中可以看出，在0到2秒的时候车厢几乎没有角度，在2秒时举升开始，车厢举升角逐渐变大，直到15秒车厢举升角达到最大，15秒到20秒一直保持最大角度不变。油缸浮动角岁时间变化关系如图4-27所示。从图中看出油缸浮动角在0到2秒的时候就有一定的角度，和我们力学模型一致，从2秒开始逐渐增大，到15秒达到最大油缸浮动角，15秒到20秒一直保持不变。图4-26车厢举升角随举升时间变化曲线图4-27油缸浮动角随举升时间变化曲线6.车厢质心位置变化分析车厢质心位置在x轴y轴z轴方向上的变化情况如图4-28所示。从图中可以很清楚的看出车厢质心在y轴方向上随着时间并没有变化。在x轴方向上0到2秒没有变化，2秒到15秒缓慢上升，15到20秒没有变化。在z轴方向上0到2秒没有变化，2秒到15秒缓慢上升，15到20秒稳定不变。图4-28车厢质心位置随举升时间变化7.D式举升机构仿真分析结果通过在SIMPACK软件后处理模块中得到很多各个部件的角度、受力、位置变化随着举升时间的变化图，从分析图中结合第三章中的力学分析可以得出车厢各个部位的长度以及角度，再结合评价举升机构性能指标可以得出D式举升机构的举升情况，勉强符合举升机构举升性能评价参数的要求，但是还是有很多不足的地方。4.5本章小结本章主要是对D式举升机构的动力学模型建模，首先介绍了移动Marker点，然后完成了建模前的拓扑图介绍，通过拓扑图大致了解了整个动力学模型的建模过程，接着讲述了详细的建模过程。最后通过D式举升机构动力学模型离积分，进行仿真分析，在后处理模块中查看仿真结果。

结论总结本篇文章主要是讲了使用SIMPACK对采用移动Marker点的举升机构建模，以及对其结果在后处理模块中的分析，具体的工作如下。1.通过网上资料研讲述一下国外举升机构的发展状况，然后在讲述了举升机构在国内的发展状况，通过对比国外发展比较早，国内举升机构还需要更进一步的发展。2.通过介绍动力学背景以及应用，为举升机构建模分析打下基础，在通过对比分析出不同类型举升机构的优点和缺点，从而引出本文将建立D式举升机构动力学模型。3.简单介绍了D式举升机构的工作原理，以及利用平面图对D式举升机构的各个部件的进行了简单的分析。4.在SIMPACK软件的前处理模块中创建D式举升机构力学模型，首先简单描述了拓扑图，对模型有了大致的创建方向，然后创建模型，最后添加约束和力元完成完整