C型翻车机转子的运动状态仿真及应力分析外文文献翻译、中英文翻译

附录A译文C型翻车机转子的运动状态仿真及应力分析周超史荣燕山大学关键词:翻车机;MATLAB;ANSYS采用三维建模软件Pro/E来建立翻车机系统的三维实体模型。机械是由若干零件组成的，因此，在运动机构动态仿真前要先作有关零件的实体建模(SolidModeling)。在Pro/E的Insert菜单下，可选择零件建模的草绘特征、结构特征或实体特征等来制作零件的实体模型。建立模型的操作步骤如下：(1)模型分析；(2)进入Pro/E并新建一个零件；(3)创建基准平面；(4)定义特征属性；(5)草绘截面；(6)基本模型建成。图2-4压车机构1图2-5压车机构2图2-6压车机构3图2-7压车机构分图上面是翻车机中主要部件的三维模型图，首先是压车机构，该机构完全吊挂在侧梁上，其主要目的是在翻车机转动过程的前期，压住火车车皮防止其滑动；在翻车机转动过程的后期，承担火车车皮的重量。其建模过程中用到的命令主要有拉伸、坐标变换和镜像等。其模型如上图2-4，图2-5，图2-6，图2-7所示。车机构在整个运动过程中，起到了重要的作用。在运动初期，靠车机构就承担了部分车皮及货物的重量，随着转子的转动，当翻转角度达到90°时，其承担了所有的重量。靠车机构由有靠车板，连杆和液压支臂等组成的。其中靠车板与车皮直接接触，它主要是由多个钢板、工字型钢及U型钢等焊接而成的，其模型如下图2-8所示。翻车机转子是采用板梁组合的箱型结构，其转子圆盘、主梁(底梁)、及箱型梁(侧梁)等均由8mm~32mm厚的钢板焊接而成，并由高强度螺栓连接。翻车机转子的三维模型如图2-9所示。Pro/E零件的装配组合在实际的产品开发中有一个把零件装配成部件(子装配)，再把部件装配成产品的过程。Pro/E的装配过程是通过装配模块快速将零部件组合成产品，在装配中建立部件之间的链接关系。通过指定零件之间的配合关系(ConstraintType)来进行零件的组合，确定部件在产品中的空间位置，零件的几何体被装配引用。零件的配合关系的种类如下(1)Mate：两平面相密合，且两平面呈反向(即两平面的垂直方向为反向)；(2)MateOffset：两平面面对面，中间间隔一段距离(Offset)；(3)Align：两平面互相对齐或使两圆弧或圆的中心线成一直线。当两平面互相对齐时，两平面为同向(即两平面的垂直方向为相向)；(4)AlignOffset：两平面对齐后隔开一段距离；(5)Insert：轴与孔的配合；(6)Orient：两平面互相平行，且两平面的正法线方向同向；(7)CoordSys：利用坐标系组合；(8)Tangent：两曲面以相切方式组合；(9)PntonSrf：两曲面上某一点相接；(10)EdgeSrf：两曲面上某一边相接。无论如何编辑零件，整个装配部件都保持关联性，当某零件被修改后，则引用它的装配部件自动更新。装配模型生成后，如果想将所有零件分解开来，选择View/Explode即可。如要恢复原始的、未分解开的组合件，则选View/Unexplode命令。如果要更改零件分开的距离，选择Modify/ModExpld命令即可。装配过程可包括数个子装配过程。装配过程与零件建模具有相关性，即在装配过程中可根据使用要求新建或修改零件，零件的修改会在装配文件中相应变化。反之，装配文件中的修改也会在对应的零件文件中相应变化。其装配结构如图2-10所示。翻车机的总装配如图2-11所示。在Pro/E的装配中，零件的装配属于虚拟装配，与真实的装配有所不同。在装配中，零件装配的先后次序没有太大的关系，不影响装配的最终结果。通过上述的装配过程，不仅完成了翻车机转子的总装，更对翻车机转子的运动情况和受力情况有了更深的理解，对其动态仿真以及有限元分析有了更进一步的深化。广义坐标选择动力方程的求解速度在很大程度上取决于广义坐标的选择。ADAMS用刚体i的质心笛卡尔坐标和反映刚体方位的欧拉角作为广义坐标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，系统动力学方程是最大数量但却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。动力学方程的建立ADAMS程序采用拉格朗日乘子法建立系统运动方程：运动学分析运动学分析研究零自由度系统位置、速度、加速度和约束反力，因此只需求解系统约束方程：动力学分析ADAMS软件进行动力学分析时采用两种算法：(1)提供三种功能强大的变阶、变步长积分求解程序：GSTIFF积分器、DSTIFF积分器和BDF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)。(2)提供ABAM(Adams-BashforthandAdams-Moulton)积分求解程序，采用坐标分离算法，来求解独立坐标的微分方程，这种方法适于模拟特征值经历突变的系统或高频系统。ADAMS软件提供ABAM积分程序，采用坐标分离算法，将微分－代数方程缩减成用独立广义坐标表示的纯微分方程，然后用ABAM程序进行数值积分。静力学分析对应上面的动力学分析过程，在进行静力学、准静力学分析的时候，分别设速度、加速度为零，得到如公式(3-11)所示的静力学方程数字模型的概念数字化模型就是利用CAD/CAM/CAE一体化技术对产品进行百分之百的数字化定义。近年来，并行工程的概念在工程应用中受到广泛重视，按照并行工程概念组织产品的设计到生产，可以实现优化的系统设计，而不是优化的零部件设计。机械系统仿真分析(MSS)技术将分散的零部件设计和分析技术―如某单一系统中零部件的CAD和FEA(有限元分析)技术，揉合在一起，以提供一个更全面的了解产品工作性能的方法，从而真正地实现并行工程设计要求。数字化模型的应用体现这一重要思路。数字化模型所体现出来的优点是：可以建立系统各零部件的三维实体模型，并可方便地在计算机上进行装配来检查零部件间的干涉和配合不协调情况；可准确地进行质量、受力和应力的分析；零件几何的可视化便于设计和制造人员从美学角度理解零件的构造，方便地从实体模型中提取它的截面图，便于数据加工的程序设计；可以很方便地对各子系统或整个系统的使用性能进行预测、分析，并可以根据分析结果直接对零部件或系统进行改进设计。借助于这项技术，工程师们可以在计算机上建立机械系统的模型，伴之以三维可视化处理，模拟在现实环境下系统的运动和动力特性，并根据仿真结果精化和优化系统的设计与过程。数字模型技术是许多技术的综合。它的核心部分是多体系统运动学与动力学建模理论及其技术实现。作为应用数学得一个分支的数值算法及时地提供了求解这种问题的有效的快速算法。近年来的计算机可视化技术及动画技术的发展为这项技术提供了友好的用户界面。CAD/FEA等技术的发展为虚拟模型技术的应用提供了技术环境。翻车机仿真模型的建立建立数字化分析模型的准备工作主要包括：模型参数的获取和各类型数字模型间的参数传递两部分内容。仿真模型参数参数类型建立多体系统动力学分析模型，参数需要量大，精度要求高，参数准备工作量大。所需要的参数主要可划分为五类：整车技术参数、尺寸(几何定位)参数、质量特性参数(质量、质心与转动惯量等)、力学特性参数(刚度、阻尼等特性)与外界参数。在机械振动系统中，系统本身的质量、质心、转动惯量等决定了系统的特性。通常情况下，质量特性参数由各个运动部件的质量、质心、转动惯量等参数组成。其中，质心、转动惯量等与测量时选取的参考坐标有关。而利用CAD/CAE一体化技术就避免了坐标的选择可能带来的问题，通过CAD与CAE之间的参数传递，用于CAE分析的各参数能真实的反映实际情况。目前市场领先的三维实体建模CAD软件中，CATIA、I-DEAS、UG、Pro/Engineer四种软件都具有在指定参考坐标系中分析零部件及零部件总成的质心与转动惯量的功能。本课题就是利用Pro/Engineer软件建立三维实体模型，针对所关心的运动部件，对其输入相应的材料特性，通过计算即可得到它们的相关质量特性参数。数字模型间的数据传递利用ADAMS/Exchange模块，可以通过如下类型的数据接口文件将CAD模型传递到ADAMS中来：基本图形转换规范IGES、产品数据转换规范STEP、以及Parasolid和Render等。其中，导入IGES格式文件时，可将其指定给特定的Part，并有精度等属性可以修改，缺点是它是以三角形和矩形来对物体进行描述的，不支持体积信息。Render格式有质量信息但没有特征，较IGES和STEP格式更为可靠，相应的文件更大。值得提及的是ADAMS对Parasolid格式支持较好，与其它格式相比，它可以直接传递整个装配模型到ADAMS软件中去。将三维数字模型传递到ADAMS软件后，通过添加适宜的约束和力元素等建模元素就可以得到初步的多体系统分析模型，也就是我们的基本数字化模型。翻车机转子仿真模型的建立翻车机模型包括翻车机转子、压车机构、托车机构、驱动轮和托辊装置等连接部分的建立以及各部分之间的约束和载荷的施加。由于ADAMS的建模功能不够强大，可采用Pro/E、UG或Solidworks进行实体模型的建立，然后保存为Parasolid(*.xmt_txt，*.x_t，*.xmt_bin，*.x_b)，再通过ADAMS与其接口用import命令导入模型。本课题中采用Pro/E建立模型，再通过接口导入ADAMS。翻车机模型的简化翻车机的转子是由转子圆盘(端环)、底梁、箱型梁等连接构成的。由于翻车机转子在翻车机的整个运动过程中始终作为一个整体，其构件之间不存在相对运动，所以在建模过程中将其固定在一起。而托车机构和压车机构是安装在转子上的构件，他们可以上下运动。由于本文主要研究翻车机的翻转过程以及转子的支反力的时间历程，所以模型做了一定的简化，省掉了部分与运动无关的组件，如振车器、端环上齿圈及齿轮、齿轮护板、逆止器和夹轮器等等，并将其质量作了适当的调整，分别简化到其主体部件或者承载部件上。图3-1为翻车机转子的模型示意图。附录B外文文献MotionsimulationandstressanalysisofrotortypetipplerCShiRongZhouChaoYanshanUniversityKeywords:Dumper;MATLAB;ANSYSToestablishthe3Dmodelofcardumpersystemwiththree-dimensionalmodelingsoftwarePro/E.Themachineismadeofseveralparts,sotheModelingSolidisfirstlyusedforthemodelingofpartsinmotionmechanism..IntheInsertPro/Emenu,themodelofthepartscanbeselectedbythefeatureofthesketch,thestructuralfeatureortheentityfeatureoftheparts..Theoperationstepsofthemodelareasfollows:(1)modelanalysis;(2)enterthePro/Eandcreateanewcomponent;(3)createareferenceplane;(4)definingcharacteristicattributes;(5)grassdrawingsection;(6)thebasicmodelisbuilt.Fig.2-4Bodies1ofpressurecarFig.2-5Bodies2ofpressurecarFig.2-6Bodies3ofpressurecarFig.2-7PressurecaragenciesmapAboveisathree-dimensionalmodelofthemainpartsofcardumper,thefirstofwhichisthemechanismofpressure,theagencyfullysuspendedinthesideofthebeam,itsmainpurposeisinthedumperrotationprocessearly,pinchedtrainwagonpreventthesliding;laterintheprocessofrotationinthedumper,beartheweightofthetraincarleather.Thecommandsusedintheprocessofmodelingincludestretching,coordinatetransformationandimage,etc..ItsmodelisshowninFigure2-4,figure2-5,figure2-6,figure2-7.Carbodyplaysanimportantroleinthewholemovement..Intheearlydaysofthemovement,onthecarbodiesbearpartofthewagonandthecargoweight,alongwiththerotationoftherotor,whentheflipangleto90degrees,anditscommitmenttotheweightofall.Bycarbycarbytheagency,theconnectingrodandthehydraulicarmetc..Whichrelyonthetemplateandwagondirectcontact,itismainlyisweldedbythemultipleplate,H-shapedsteelandUtypesteelanditsmodelareshowninFigure2-8.Thedumperrotoradoptsacombinationofplateandbeamboxtypestructure,therotordisc,maingirder(sill),Andtheboxgirder(sidemember),etc.,areweldedbythe8mm~32mmthickplate,andareconnectedbyahighstrengthbolt.Answer.The3Dmodelofthecardumperrotorasshowninfigure2-9.Pro/EpartsassemblycombinationIntheactualproductdevelopment,thereisaprocessofassemblingparts(subassemblies)andassemblingthemintoproducts..TheassemblyprocessofPro/Eisthelinkbetweenthecomponentsandthecomponentsintheassemblyprocess..Todeterminethecomponentsoftheproductbyspecifyingthematchingrelationship(TypeConstraint)oftheparts.Thespaceposition,thegeometryofthepartsisreferencedbytheassembly.Thetypeofthepartsoftheaccessoryisasfollows(1)Mate:twoplanesaredense,andthetwoplaneisreverse(i.e.,theverticaldirectionofthetwoplaneisreversed);(2)OffsetMate:twointhefaceoftheplane,adistancefromthemiddleinterval(Offset);(3)Align:twoorflatorcircularcenterlineisastraightline..Whenthetwoplanealignedwitheachother,thetwoplaneinthesamedirection(i.e.perpendiculartothedirectionofthetwoplaneisopposite);(4)OffsetAlign:aftertwoplanesarealigned,adistanceisseparated;(5)Insert:fitforshaftandbore;(6)Orient:twoplanesareparalleltoeachother,andthenormalnormaldirectionofthetwoplaneissametothe;(7)SysCoord:acoordinatesystemcombination;(8)Tangent:twosurfacetotangentcombinations;(9)onSrfPnt:apointonatwosurfaceisconnected;(10)EdgeSrf:ononesideofthetwocurvedsurface.Inanycase,thepartsareedited,theassemblypartsarekeptrelevant,andwhenapartismodified,theassemblypartsareautomaticallyupdated..Aftertheassemblymodelisgenerated,ifyouwanttobreakdownalltheparts,chooseView/Explode.Torestoretheoriginal,theassembly,thenselecttheView/Unexplodecommand.Ifyouwanttochangethedistancebetweenparts,choosetheExpldModify/Modcommand.Theassemblyprocessmayincludeseveralsubassemblyprocesses.Assemblyprocessandpartsmodelinghavecorrelation,thatis,intheprocessofassemblycanbeusedtocreateormodifyparts,partsofthechangeintheassemblyfilechanges.Conversely,thechangeintheassemblyfilewillalsochangeinthecorrespondingpartsfile.TheassemblystructureisshowninFigure2-10.Thegeneralassemblyofcardumperasshowninfigure2-11.IntheassemblyofPro/E,theassemblyofpartsbelongstovirtualassembly,andisdifferentfromrealassembly..Intheassembly,thesequenceofpartsassemblyisnottoobig,andthefinalresultoftheassemblyisnotaffected..Throughtheassemblyprocess,notonlythecompletionofthedumperrotorassembly,moreoncardumperrotormotionandforceadeeperunderstanding,tothedynamicsimulationandfiniteelementanalysishavemorefurtherdeepened.GeneralizedcoordinateselectionThespeedofsolvingthedynamicequationdependslargelyonthechoiceofthegeneralizedcoordinates..ADAMScoordinatestheEuleranglesoftherigidbodyIandreflectstheEuleranglesoftherigidbodyorientation.Sixgeneralizedcoordinateforeachrigidbody.Becauseoftheuseofthenonindependencegeneralizedcoordinates,thesystemThedynamicequationisthemaximumnumberbuthighlysparsecoupleddifferentialalgebraicequation,suitableforsparseEfficientsolutionofmatrixmethod.EstablishmentofkineticequationTheADAMSprogramusestheLagrangemultipliermethodtoestablishthesystemmotionequation:KinematicanalysisThekinematicanalysisstudiestheposition,velocity,accelerationandtheconstraintreactionofzerodegreeoffreedomsystem,sotheconstraintequationofthesystemisonlyneeded.:KineticanalysisTwoalgorithmsfordynamicanalysisofADAMSsoftware:(1)providethreepowerfulvariableorderandvariablestepintegralSolver:GSTIFFintegrator,DSTIFFintegratorandBDFintegratortosolvesparsecouplednonlineardifferentialalgebraicequations.Thismethodissuitableforsimulatingrigidsystem(eigenvaluescanvaryinawiderangeofsystem).(2)provideABAM(AdamsbashforthandAdamsMoulton)integralsolutionprocedureandcoordinateseparationalgorithmisused,solvingtheindependentcoordinatesystemofdifferentialequations,thismethodissuitableforsimulatingthecharacteristicsofvalueundergoesmutationsystemorhighfrequencysystem.ADAMSsoftwaretoprovideABAMintegralprogramandcoordinateseparationalgorithmisused,reducesthedifferentialalgebraicequationtoexpressedbythegeneralizedcoordinatesarepuredifferentialequationsof,andABAMprogramfornumericalintegration.StaticanalysisCorrespondingtotheabovekineticanalysisprocessinstaticandquasi-staticanalysisandrespectivelyprovidedwithaspeedandaccelerationiszero,asshownintheformula(3-11)staticsequationsofTheconceptofdigitalmodelThedigitalmodelisthedigitaldefinitionoftheproductbyusingCAD/CAM/CAEintegrationtechnology.Onehundredpercent.Inrecentyears,concurrentengineeringconcepthasreceivedextensiveattentioninengineeringapplication,inaccordancewiththeparallelconceptoftissueengineeringproductdesigntoproductioncanrealizetheoptimizationdesignofthesystem,insteadofoptimizingthedesignofpartsandcomponents.Analysisofthemechanicalsystemsimulation(MSS)technologywillbescatteredpartsdesignandanalysistechniques-suchaspartsofasinglesystemofCADandFEA(finiteelementanalysis)technologyblendoftogether,inordertoprovideamorecomprehensiveunderstandingoftheproductperformance,thustrulyachieveconcurrentengineeringdesignrequirements.Theapplicationofthedigitalmodelreflectsthisimportantidea..Digitalmodelreflectedtheadvantageis:canbuild3Dsolidmodelsofthepartsofthesystem,andcanbeconvenientlyincomputerassemblytocheckinterferenceandcooperationbetweenpartsoftheuncoordinatedsituation;canbeaccuratelyforquality,stressandstressanalysis;geometricvisualizationfordesignandmanufacturingpersonnelfromtheaestheticpointofview,understandthepartsofthestructure,convenientlyfromthesolidmodelextractiondrawingofitinsection,theprogramdesignforeasydataprocessing;caneasilyonthesubsystemsandthewholesystemperformanceofforecastandanalysis,andaccordingtotheanalysisoftheresultsdirectlyofcomponentsorsystemsofimproveddesign.Withthehelpofthistechnology,engineerscanbeonthecomputertoestablishmodelofmechanicalsystem,accompaniedby3Dvisualizationprocessing,inrealityenvironmentsystemofmotionanddynamiccharacteristics,andaccordingtothesimulationresultsofrefinementandoptimizationofsystemdesignandprocesssimulation.Thedigitalmodeltechnologyisthesynthesisofmanytechnologies..Itscorepartismulti-bodysystemkinematicsanddynamicsmodelingtheoryanditstechnologyrealization.Asabranchofapplicationmathematics,thenumericalalgorithmprovidesafastalgorithmforsolvingtheproblemintime..Inrecentyears,thedevelopmentofcomputervisualizationandanimationtechnologyprovidesafriendlyuserinterfaceforthistechnology..ThedevelopmentofCAD/FEAtechnologyprovidesthetechnologyenvironmentfortheapplicationofvirtualmodeltechnology.TheestablishmentofsimulationmodelofcardumperThepreparationofthedigitalanalysismodelmainlyincludestheacquisitionandthetypesofthemodelparameters.Theparametersofthedigitalmodeltransfertwoparts..SimulationmodelparametersParametertypeTheestablishmentofmulti-bodysystemdynamicsanalysismodel,theneedforlargeparameters,highaccuracy,parameterspreparationworkload.Theparameterscanbedividedintofivecategories:vehicletechnologyparametersandsize(geometricpositioning)parameters,thequalitycharacteristicparameters(mass,centerofmassandmomentofinertia,etc.),mechanicalparameters(stiffness,dampingetc.properties)andexternalparameters.Inthemechanicalvibrationsystem,thequalityofthesystem,themassofthecenterofmass,theinertiaofthesystem,arethecharacteristicsofthesystem..Generally,thequalityoftheparametersiscomposedofthequalityofthemovingparts,thecenterofmassandtheinertiaofinertia..Thecenterofmassandmomentofinertiaarerelatedtothereferencecoordinatesofthemeasurement..AndtheuseofCAD/CAEintegrationtechnologyavoidsthechoiceofcoordinatesmaybringproblems,throughtheparametersbetweentheCADandCAEtransferused,theparametersoftheCAEanalysiscantrulyreflecttheactualsituation.Inthecurrentmarketleadingthree-dimensionalsolidmodelingCADsoftware,fourkindsofsoftware,CATIA,I-DEAS,UG,Pro/Engineer,hasfunctioninthespecifiedreferencecoordinatesystemanalysisofpartsandcomponentsofthecentroidandmomentofinertia.ThistopicistheuseofPro/EngineerSoftwarethree-dimensionalsolidmodelisestablished,accordingtotheinterestofthemovingparts,theinputcorrespondingmaterialpropertiesbycomputingcangettheirqualitycharacteristicparameters.DatatransferbetweendigitalmodelsThemoduleADAMS/Exchange,canthroughthefollowingtypesofdatainterfacefilewilltransferCADmodelintoAdamsinthepast:ba