摘要: 混凝土泵车是商品混凝土运输、浇筑施工的主要设备之一。本文以混凝土泵车为研究对象, 探讨虚拟样机技术应用于大型机电产品研发的应用模式。建立了混凝土泵车的虚拟样机模型, 并进行多体动力学分析和有限元分析, 提出了混凝土泵车集成化虚拟设计解决方案。
关键词: 虚拟样机 多体动力学 有限元分析 混凝土泵车
混凝土泵车是集机械、液压传动以及电子技术为一体的高科技产品, 涉及多学科交叉的领域。本文探讨虚拟样机理论在混凝土泵车研发中的应用, 以提高对混凝土泵车的自主研发能力[1~7]。
1 研究技术体系
混凝土泵车是一种用于输送和浇筑混凝土的施工设备, 它集混凝土泵和臂架系统为一体并安装在汽车底盘上, 能一次连续地完成水平运输和垂直运输混凝土。混凝土泵车分为标准底盘、分动装置和液压泵、底座和支腿、料斗和泵送机构、臂架系统、电控系统和遥控装置等几大部分, 如图1 所示。
结合并行工程, 本文的研究技术体系如图2 所示。
具体的解决方案分为四步:
( 1) 建立虚拟样机的数字模型, 该模型为后续CAE 分析提供数据源, 并用于进行装配仿真;
( 2) 应用ADAMS 软件对虚拟样机进行多体动力学分析, 得出机构的运动和受力关系;
( 3) 将上述结果输入有限元分析中, 应用ANSYS软件进行混凝土泵车的有限元分析, 得出机构和各零件的应力应变状态;
( 4) 依据有限元分析结果进行结构优化设计, 并将优化结果重新进行各种分析。
2 三维设计及装配仿真
产品虚拟设计是虚拟样机的基础工作, 它的重点是三维几何模型的建立和装配仿真, 同时为后续分析、优化设计及各种设计仿真提供产品模型的数据源。使用Pro/E 软件做出的混凝土泵车在最大水平输送距离工作状态的三维设计图如图3 所示。虚拟装配是虚拟样机的关键技术之一, 它通过对产品装配结果和装配的过程进行仿真分析, 辅助设计人员、管理人员等对产品的可装配性做出预测、评价和验证, 从而做出正确的工程决策。虚拟装配包括: 装配工艺规划、装配性能分析、装配过程验证等内容。其目的是在产品设计初期就考虑优化装配结构、改善可装配性的根本途径, 对降低装配成本和产品总成本尤为重要。
具体实施步骤如下:
( 1) 利用标准工艺拟定一个装配工艺, 规划装配顺序和装配路径; (2) 利用与Pro/E 的专用接口程序将产品的三维模型和工艺数据引入到每个装配工序中, 以step 格式进行数据转换; (3) 对每道工序加仿真行为定义细化高层工艺, 检查工艺可行性; (4) 选择要仿真的工序和工艺仿真命令进行装配工艺仿真, 生成仿真动画; (5) 仿真中加入碰撞检查和装配公差检验; (6) 最优化装配方案生成装配工艺, 验证可装配性。
3 混凝土泵车多体动力学仿真
泵车臂架系统是泵车的关键部件, 也是本文的研究重点。混凝土泵车臂架系统多体动力学分析是在给定系统的运动状态下, 求出各零部件的运动位置和受力状态。首先, 将Pro/E 建立的几何模型经过数据转换传输给ADAMS, 建立分析模型。在建立模型的时候应注意ADAMS 与Pro/E 在单位制上须保持一致。其次, 设置零件材料属性。ADAMS 默认所有材料为钢材, 多种材料的机构就需要修改模型材料和属性。模型的材料和属性可以在Pro/E 的输出文件中得到, 将此文件内容输入ADAMS 即完成ADAMS 材料属性设置。第三, 施加约束条件。泵车臂架系统在定义机构的约束条件时, 将臂架机构每个铰接部位定义为一个铰约束, 每个液压缸定义为一个移动约束, 底座相对地面为转动运动副。第四, 施加液压缸运动方程, 建立多刚体系统模型, 按照各液压缸运动速度协调关系, 编写了液压缸运动的函数关系式见表1。第五, 设置测量对象, 测量臂架转角和液压缸行程进行仿真计算。最后, 绘制仿真结果。输出ANSYS 载荷文件.log 供给后续CAE 分析, 输出仿真优化的设计参数供Pro/E 修改设计方案。仿真分析结果如图4 所示, 图4a 为泵车臂架从折叠状态旋转展开到设计的极限尺寸状态的过程, 图4b 为仿真分析结果, 左边曲线纵坐标为臂架转角, 图中4 条曲线从上至下分别是底座液压缸、臂架Ⅰ液压缸、臂架Ⅱ液压缸、臂架Ⅲ液压缸的转角随时间的变化过程, 横坐标为仿真时间; 右边曲线纵坐标为液压缸行程, 图中4 条曲线从上至下分别是底座液压缸、臂架Ⅰ液压缸、臂架Ⅱ液压缸、臂架Ⅲ液压缸的行程随时间的变化过程, 横坐标为仿真时间。
4 混凝土泵车臂架系统的结构静力学有限元分析
零件强度是否满足工况要求, 必须由有限元分析来完成。混凝土泵车臂架系统的结构复杂, 布料机构包括1 个底座、4 个臂架、3 个连杆、3 个角杆、4 个液压缸等部件, 还有混凝土管道和管道支架, 零件数目有几千个之多, 因此有限元模型创建是个极其艰难的工作。单用ANSYS 软件的建模功能不能满足要求。研究中采用Pro/E 和ANSYS 复合建模的方法,共同完成建立有限元模型。用Pro/E 软件创建臂架系统的结构模型, 经简化用接口程序将模型数据传递给ANSYS 软件, 创建臂架系统有限元分析模型。以ANSYS 创建臂架系统的混凝土管道和管道支架的模型。为减少计算量, 臂架分析采用SOLID45 单元, 混凝土管道、管道支架可以简化为由两端支撑的简支梁模型, 因此采用BEAM188 梁单元建模。对于臂架是使各铰接接触面上对应点的自由度全部耦合。混凝土管道支架与臂架上的节点也采用耦合方式连接。
混凝土泵车臂架系统的约束条件依照结构装配关系确定为底座接触面全约束。我们取混凝土泵车最大受力状况———臂架系统的最大水平伸长工况为研究对象, 实际受力状态为臂架系统承受布料管中混凝土的重力作用、混凝土臂架系统自身的重力以及最大风载荷的侧向作用力的组合作用, 本文是静载荷分析, 不考虑系统振动和由液压缸换向冲击对臂架系统的作用。分析结果如图5 臂架变形情况所示。
5 臂架系统的模态分析
模态分析是动力学分析过程中必不可少的步骤, 是其它谐响应分析、瞬态动力分析、谱分析的基础。模态分析用于确定设计机构或机器部件的振动特性, 即结构的固有频率和振型, 他们是承受动态载荷结构设计中的重要参数。模态分析具体的解决方案分为四步: ⑴建模, 采用上述静力分析模型和约束条件。⑵加载及求解, 指定分析类型为模态分析与设置分析选项中相应参数及求解。⑶扩展模态, 指定模态扩展选项参数和载荷部参数等。⑷结果后处理, 输出固有频率和已扩展的振型。分析结果如图6 所示。图6a 第一阶振型是固有频率为0.894 34E-03Hz 的纵向一阶弯曲振型; 图6b 第二阶振型是固有频率为0.106 75E- 02Hz 的横向一阶弯曲振型; 图6c 第三阶振型是固有频率为0.226 65E- 02Hz 的纵向二阶弯曲振型; 图6d 第四阶振型是固有频率为0.309 08E- 02Hz 的横向二阶弯曲振型; 图6e 第五阶振型是固有频率为0.447 44E- 02Hz 的横向二阶扭转振型。
6 总结
本文以混凝土泵车为研究对象, 进行了虚拟样机技术的应用研究。研究中使用了三维CAD软件Pro/E、多体动力学分析软件ADAMS、有限元分析软件ANSYS,对混凝土泵车进行了虚拟设计、装配仿真、多体动力学分析、有限元静力学分析和动力学分析, 分析结果表明: 这种集成化设计方法和研究的技术解决方案是可行的, 对于缩短产品研发周期效果明显; 产品设计方案合理, 具有良好的可装配性; 最大应力值满足要求, 设计方案合理、安全可靠; 在混凝土泵车研发中使用的研究方法, 对于其它大型机、电、液一体化产品同样也能取得很好的研究结果。随着我国科技水平的不断提高, 多学科集成化的设计理念将向更加广度和深度方向发展。
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