（光学工程专业论文）基于虚拟样机技术的门式装卸桥动力学分析.pdf

北京交通人学硕士学位论文 y 8 7 8 3 7 8 摘要 港口的发展对港口机械的要求也越来越高。在港口机械中引入虚 拟样机技术可以实现计算机对起重机各机构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，得到仿真输出参数和结 果，以此来估计和准确推断实际运行的各种参数，结合现场检测的相 关数据，对起重机进行安全评估。 本论文首先对门式装卸桥进行了现场检测，利用激光检测方法获 得了门式装卸桥的使用状况的数据；然后基于虚拟样机技术，利用 s i m p a c k 软件平台，结合现场实际工况，建立了门式抓斗装卸桥系统 的三维数字化虚拟样机模型，并对模型进行了多体系统动力学与运动 学的仿真分析。首先，运用p r o 鼢g i n e e r 软件建立门式装卸桥的主 要部件的三维几何模型，并计算所有模型的相关物理参数；将c a d 建 立的三维几何模型导入s i m p a c k 中，在s i m p a c k 环境中完成了门式装 卸桥的虚拟样机建模，然后对装卸桥进行了运动学与动力学仿真分 析，得到装卸桥各个重要部件的运动与受力的变化曲线。其次，利用 a n s y s 与s i m p a c k 的接口程序，通过进行有限元的分析将门式装卸桥 门架结构柔性化，建立门式装卸桥系统的刚柔耦合的虚拟样机模型， 并对钢丝绳进行了动力学与运动学的分析。 关键词：虚拟样机技术门式装卸桥s i m p a c k 仿真 北京交通大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fp o rl s ， t h er e q u i r e m e n to rp o r t m a c h i n e r yi sh i g h e ra n dh i g h e r a d o p t i n gt e c h n i q u eo fv jr t u a l p r o t o t y p ei ns t u d yo fp o r tm a c h i n e r yc a nr e a l i z ee m u l a t i o nt h a t t h er u n n i n gs t a t eo f e a c hm e c h a n i s mu n d e rv a r i o u sw o r k in g c o n d i t i o n sw h i c hv a r i e sa c c o r d i n gt ol o a da n dt h ep r o c e s sw h i c h v a r i e sa c c o r d i n gt ot i m e ，r e s u l t sf r o mt h ee m u l a t i o na r eu s e d t oe s t i m a t ea n dj u d g ed i f f e r e n td a t ao fa c t u a lm o v e m e n t w i t h t h ef i e l d w o r kt e s td a t a ，t h ec r a n ew i l lb es a f e t ya s s e s s m e n t f i r s t l yt h i sp a p e rt e s t s1 0 a d i n gb r i d g ew i t ht h e1 a s e r m e a s u r e ，a n dg e t sa c t u a ld a t a s e c o n d l yb a s e so nt h et e c h n i q u e o fv i r t u a 】p r o t o t y p ea n du t i l i z e ss o f t w a r ep l a t f o r mo fs i m p a c k t oe s t a b l i s ht h r e e d it 】e n s i o n a ld i g i t i z e dv i r t u a lp r o t o t y p eo f 1 0 a d i n gb r i d g ew i t ha c t u a lw o r ke n v i r o n m e n t ，a n ds y s t e m a t i c a l l y d oi t sa n a l y s i so fd y n a m i c se m u l a t i o no fm u l t ib o d ys y s t e m f i r s to fa l l ，t h eg e o m e t r i c a lm o d e l so f 丌1 a i nc o m p o n e n t sa n d 1 0 a d i n gb r i d g ea r eb u i l tb yp r o e n g i n e e r ，a n dc a l c u l a t e dt h e p a r a m e t e ro fl o a d i n gb r i d g e t h eg e o m e t r i c a lm o d e l sa r e i m p o r t e di n t os i m p a c ke n v i r o n m e n t t h ep h y s i c a lp r o t o t y p i n go f l o a d i n gb r i d g ei ss t u d i e da n db u i l t u n d e rs i m p a c k t h e k i n e 皿a t i c sa n dd y n a 】i c sp e r f o r m a n c e so ft h el o a d i n gb r i d g ea r e a n a l y z e d ，a n dt h ec u r v eo fk i n e m a t i c s a n dd y n a m i c sa r eo b t a i n e d t h es e c o n d ，w i t ht h ea n a l y s i so ff e m ，w eu s et h ei n t e r f a c e p r o g r a mb e t w e e ns o f t w a r eo fa n s y sa n ds o f t w a r eo fs i m p a c kt o m a k em a i nc o m p o n e n to fl o a d i n gb r i d g ef l e x i b l e ，a n de s t a b l i s h r i g i dc o u p l i n gv i r t u a lp r o t o t y p eo fl o a d i n gb r i d g e ， a n dw i r e r o d eisa n a l v s e d k e yw o r d s ： v i r t u a lp r o t o t y p e1 0 a d i n gb r i d g es i m p a c k 2 北京交通大学硕士学位沦文 第一章绪论 1 1 问题的提出 目f j ，我国拥有大中型起重机数众多。起重机械一般体积庞大， 结构复杂，检测手段具有局限性，无法准确评价设备是否存在安全隐 患。随着使用年限的增长经常会发生事故，不仅造成重大经济损失和 人身伤亡，而且给使用单位的安全生产带来严重威胁。如何科学合理 地对这类起重机进行安全检测，保证安全工作，是一个普遍关注问题。 在港口，门式起重机主要用于露天货场，采用吊钩、抓斗等取物 装置，进行件杂货、散货的装卸作业。门式装卸桥的跨度通常大于3 5 米，起重量不大于4 0 吨。与其它类型的起重机相比，具有起重量大， 作业空间大，货场面积利用率高，装卸效率高，基建投资少，运行成 本低等优点。 随着激光检测技术的发展，激光在工程测量中显示出不可替代的 优越性，具有方向性好、高光亮度等特点，激光己广泛应用于军事、 医疗、精密测量、微细加工、全息照相等各个领域，在起重机安全检 验方面来说，激光检测技术也有很大的应用，且具有如下的特点。 ( 1 ) 检测跨度大。一般光学仪器只能检测跨度在3 0 m 以内的起重 机，而激光测量可以实现3 0 m 以上的大跨度起重机主梁挠度的检测。 目前生产的半导体激光器准直距离一般都可达到8 0 m 以上，远的可以 达到2 0 0 m ，因此完全可以满足大跨度起重机检测的需要。 ( 2 ) 检测精度高。其他检测方法由于使用直尺进行读数，最高精 度只能达到l m ，而激光测量法使用数字游标尺显示数值，最高精度 可达o 1 m m 。 ( 3 ) 使用方便，效率高。半导体激光器体积非常小，重量轻，准 北京交通大学硕士学位论文 直和读数时不需进行调焦，因此测量速度快，适合异地携带测量。 门式装卸桥是在复杂工况下作业的大型结构系统，其动态性能受 多种因素的影响，运动参数与载荷不能用一个简单的数学模型描述， 以往静态设计方法具有局限性，因此对于大型的门式装卸桥的设计 中，应采用动态仿真设计的新方法，即用计算机对机构和结构在各种 工况下承受载荷和结构响应进行运行状态及随时间变化过程的仿真 模拟，得到仿真输出参数和结果，并对其位移、速度、加速度、以及 载荷响应，进行幅域、时域及频域的统计分析，以此来估计和推断实 际运行的各种数据，其结果供实际设计使用。 1 2 起重机动态仿真 起重机是种经常起动、制动、和反复运动的机械，在起动和制 动的过程中，机构和结构承受着强烈的冲击振动。这种冲击振动产生 的动载荷在起重机的运行过程中是必须加以考虑的。 长期以来，在起重机设计中都是将动态问题简化为静态问题处 理，一些国家和国际起重机协会的起重机设计规范均采用一个动载系 数p 来考虑这种动态载荷。虽然这样可以使问题简单化，但其最大 的缺陷是不能够较为准确地反映起重机实际工况的动态性能，导致分 析和设计计算的不合理及不准确性。随着计算理论的发展和计算机的 普及，国内外不少研究人员根据起重机的实际结构及受载特点，对超 重机结构和机构的振动进行了大量的动态仿真计算和研究分析，是动 态仿真方法逐步应用于起重机的设计计算分析中” 。 1 2 1 动载系数法 动载系数法是将起升载荷乘以大于1 的动载系数妒来考虑动载 效应。而动载系数妒，则按起重机的类型、级别或起升等级直接给出 2 北京交通大学硕士学位论文 数据或取为起升速度v 的线性函数p 1 。 德国是最早在起重机金属结构计算中引用动载系数妒、的概念。 他们在总结1 9 2 6 年以来在桥梁工程结构计算方面取得的经验的基础 上，于1 9 3 6 年公布了有关起重机结构训算的标准d i n l 2 0 ，其中动载 系数p 规定按起重机工作类型的轻、中、重、特重级分别取为1 2 、 1 4 、1 6 和1 9 。这一标准在起重机设计中使用了3 0 多年，其基本 观点在苏联、英国、日本、美国以及中国等广泛接受，但在取值方面 略有差别。上述d i n l 2 0 标准按工作类型决定动载系数的方法并不合 理，且混淆了起升货物突然离地和运行冲击这两者的动载系数。 1 9 5 2 年英国e d e n 将起升载荷按单自由度系统简化分析后得到了 动载系数计算式 口：l + v 业生ll 2 卅2 9 式中m ，一起升质量 k 一滑轮组和结构的串联刚性 v 一起升速度 g 一重力加速度 1 9 5 5 年英国l i g h t f o o t 根据简化理论计算及测试数据回归分析， 提出了另一动在稀疏的计算公式 ：l + o 8 8 v 熊1 2 。2 m 2 9 式中m 一结构的简化质量 k ，一滑轮组刚性 另外，1 9 5 7 年西德n e a g e h a u e r 、1 9 6 5 年东德k u r t h 等用二自由 北京交通大学硕士学位论文 度系统分析方法，也都提出过动载系数类似的计算公式。由于囿于分 析系统的复杂性和计算手段的限制，他们提出的简化公式均有使用局 限性。 1 9 8 2 年胡宗武根据二自由度系统简化分析，考虑了起升质量、结 构质量、滑轮组弹性、结构弹性及离地速度等诸多因素的影响，提出 了动载系数简化的计算公式 。1 ”。孺赤萧 卜3 式中y 。一额定载荷作用下货载悬挂点结构的静变位 一额定载荷作用下滑轮组的静变位 艿一计及结构等效质量影响的系数 v 。货载离地瞬间吊钩的上升速度 1 9 8 3 年我国制定了标准g b 3 8 l 卜8 3 引用了公式l 一3 ，并用操作系 数c 将v 。表示为额定起升速度v 的关系，同时以起重机弹性结构及操 作紧张程度将起重机划分为四种类别来计算动载系数，如表1 一l ，这 样比起升等级的概念更为明确。 表卜l 动载系数计算公式 起重机类别动载系数计算公式适用的起重机 1= 1 + 0 1 7 v安装用臂架起重机 2 = 1 + 0 3 5 v 安装用桥吊、装卸用臂架吊 3 机加工用桥吊、装卸用门座吊 = l + o 7 v 4 抓斗及电磁桥式起重机 = 1 + v 1 9 8 5 年苏嘉科依靠实验数据进行量纲分析和回归理论应用，对几 种动载系数公式进行了分析，也提出了动载系数的近似计算公式。 北京交通大学硕士学位论文 妒，= 1 + o 7 7 1 ( 堕) ”。( 善) 。磐 1 4 gm 2 “2、珑1 动载系数法的优点在于引用动载系数加大静载后将动态问题转 化为静态处理，使得计算方便、工作量少，因而迄今仍受设计工作者 的普遍欢迎，最近几年公布的国内外标准及i s o 新标准仍以动载系数 法为主。 1 2 2 动态仿真设计 起重机是在复杂工况下工作的大型结构系统，其动态性能受多种 因素影响，运动参数与载荷不能用一个简单的数学模型描述，因此必 须根据具体的研究对象，用计算机对机构与结构在各种工况下承受动 态载荷进行运行状态及随时间变化过程的仿真模拟，从而得到起重机 准确的动态性能与动态响应川。 近年来，应用动态分析方法获得超重机的结构动特性与动力响 应，己为国内外众多学者所采用，并应用于各类起重机中，如桥式起 重机、门式起重机、塔式起重机、门座起重机、装卸桥及其他种类的 起重机等。在起重机机构的动特性研究时，同样应用了动态仿真方法， 如起升机构、运行机构、液压系统和机械传动系统等。 将起重机结构在空间经过有限元离散化后，可以建立多自由度的 动态模型，此时相应的高阶动力学微分方程组为 m 羔) + c 主) + k 吐x ) 2 f - 一s 式中 f 卜一广义载荷矢量 m 、 c 】、嘲离散化系统的质量、阻尼和刚度矩阵 f 、 二j 、 。 离散化振动质点的广义加速度、速 北京交通大学硕士学位论文 度和位移矢量 对微分方程组进行直接积分是工程中广泛采用的数值分析方法， 常用的经典方法有n e w m a r k 法、h o u b 0 1 t 法、w i 】s o n 一臼法、 h 订b e r - h u g h e s 的a 法和卢一口配置法、p a r k 法、以及时间有限元法等。 这些方法都是隐式的，因而具有无条件的稳定区域，有助于选择时间 积分步长。经典的显式方法常用的有四阶r u n g e k u t t a 法和中心差分 法，当l m i 为对角阵时用四阶r u n g e k u t t a 法、当系统阻尼可以忽略 或【m 】与 c 】同为对角阵且成比例时用中心差分法，均可不解代数方程 组。 动态仿真直接积分法是在离散的时间点上满足系统的联立运动 的微分方程组，也就是使在给定时间系统的外加力与系统各质量的惯 性力、阻尼力及弹性力相平衡，显然它计算了所有各阶振型，因而计 算时间较多。当系统为几十个自由度时，用直接积分法计算振动响应 的效果比较好。 1 3 虚拟样机技术概述 1 3 1 虚拟样机技术概念 虚拟样机是一种计算机技术，它能够反映实际产品的特性，包括 外观、空间关系以及运动学和动力学的特性。借助于这项技术，设计 师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 拟在真实环境下机械系统的运动和动力特性，并根据仿真结果优化机 械系统”。 虚拟样机技术是一门综合多学科的技术，该技术以机械系统运动 学、动力学和控制理论为核心，加上成熟的三维计算机图形技术和基 于图形的用户界面技术，将分散的零部件设计和分析技术( 如零部件 6 北京交通大学硕士学位论文 的c a d 和有限元分析) 集成在起，提供一个全新研发机械产品的设计方 法。它通过设计中的反馈信息不断地指导设计，保证产品寻优开发过 程顺利进行1 ”。 1 3 2 虚拟样机技术的研究范围 虚拟样机技术的研究对象目前主要是机械系统，机械系统可以视 为由多个相连接、彼此能够相对运动的构件组合，机械系统是一个多 体系统”。 机械系统设计时设计师主要考虑三种类型的问题： 1 机械系统的静力学问题，当系统受到静载荷时，确定在运动副 制约下的系统平衡位置以及运动副的静反力。 2 机械系统的运动学问题，不考虑系统运动起因的情况下研究各 部件的位置及其他们变化速度与加速度的关系。 3 机械系统的动力学问题，己知外力求系统运动的问题是动力学 正问题。己知系统运动确定运动副的动反力的问题是动力学逆问题。 虚拟样机技术的研究范围主要是机械系统运动学和动力学问题， 其核心是利用计算机分析技术进行机械系统的运动学和动力学分析， 以确定系统及其各构件在任意时刻的位置、速度和加速度，同时，通 过求解代数方程组确定引起系统及其各构件运动所需的作用力及反 作用力。 1 3 3 虚拟样机软件 目前，国外虚拟样机相关技术的软件化过程已经完成，较有影响 的有美国机械动力公司( m e c h a n i c a ld y n a m i c si n c ，m d i ) 的a d a m s ， c a d s i 的d a d s ，德国航天局的s i m p a c k ，其它还有w o r k i n gm o d e l ， f l o w 3 d ，i d e a s ，a n s y s ，p a m c r a s h 等等。借助虚拟样机技术可以虚拟 北京交通大学硕十学位论文 仿真各种复杂的机械系统和样机，模拟再现各种机械系统或样机在不 图卜1 虚拟样机技术 同工况下的运动和动力学性能嘲。可以观察样机在各种工况下的表 现，发现并排除故障，对整个系统进行分析、优化设计和安全评价等。 随着机械动力学和控制理论的完善，传统的对机械系统原型机进行实 物试验方法，将会被计算机仿真分析技术取代。虚拟样机涉及多个学 科的协同工作。如图卜1 1 4 论文主要研究工作 本论文以秦皇岛港口货场l o t 4 0 m 门式抓斗装卸桥为研究对 象，首先对门式装卸桥进行了现场检测，利用激光检测方法获得了门 式装卸桥的使用状况的数据，将现场检测与虚拟仿真计算分析结合起 来评估起重机的运行状况。根据现场利用激光测量法测试门式装卸桥 的主梁的挠度变形，然后用三维c a d 软件p r o e n g i n e e r 、有限元软件 a n s y s 和虚拟样机软件s i m p a c k 把门式抓斗装卸桥的门架做为柔性 体，将装卸桥的走行机构、小车运行机构和起升机构做为刚性体，建 立刚一柔耦合的门式抓斗装卸桥模型进行动力学仿真计算，得到虚拟 北京交通大学硕士学位论文 仿真计算分析的柔性变形后，可以与激光测量的装卸桥主粱的挠度变 形相比较，检验仿真计算的结果。 本论文的主要研究工作包括以下几部分： l 、三维几何建模 利用三维c a d 软件p r o e n g i n e e r 构建门式抓斗装卸桥的门架结 构、走行机构、小车运行机构和起升机构的三维模型，同时计算出动 力学仿真中需要的门式抓斗装卸桥的各部件的质量、质心和转动惯量 等参数。 2 、刚体系统虚拟仿真 将p r o e n g i n e e r 构建门式抓斗装卸桥的门架结构、走行机构、 小车运行机构和起升机构的三维模型导入到虚拟样机软件s j m p a c k 中，根据计算的门式抓斗装卸桥三维模型的质量、质心和转动惯量等 数据，对模型进行多刚体系统的动力学仿真计算。 3 、对模型进行有限元模态分析 为对装卸桥模型进行柔性体动力学分析，先要进行有限元的模态 分析，利用有限元软件a n s y s 计算，获得s i m p a c k 柔性动力学分析所 需要的频率振型、刚度阵、质量阵和阻尼阵。 4 、柔体系统虚拟仿真建模 将a n s y s 中得到的分析结果导入s i m p a c k 中，建立刚一柔耦合的 门式抓斗装卸桥的动力学模型，其中门架结构为柔性体，走行机构、 小车运行机构为刚性体。 北京交通大学硕士学位论文 第二章门式装卸桥检测 2 1 门式装卸桥概述 装卸桥一般用于港口或铁路 式装卸桥根据起吊装置的不同， 装卸桥和集装箱装卸桥i ”。 门式装卸桥一般由门架、大 升机构、操纵室、主滑线和辅助 ( 1 ) 门架 与三维建模 露天货场的装卸及超重运输工作。门 又可分为吊钩门式装卸桥、抓王卜门式 车移行机构、小车、装在小车上的提 滑线等组成u 。 门架又称大车，是起重机的基本构件，出主梁、端粱、走道等部 分组成。门架结构是装卸桥的主要承载构件，由两根主梁，两根端梁， 一根刚性支腿，一根柔性腿，两根下横梁组成。两根主梁与两根端梁 组成横梁，为小车运行机构与起升机构提供工作的平台；刚性支腿和 柔性支腿为横梁提供支撑；两根下横梁与大车运行机构相联接，保证 装卸桥可以顺利运动。主梁横跨在货场上空，其两端联有端梁，组成 箱式桥架。两侧设有走道和安全栏杆，一侧装有大车移行机构的传动 装置，使大车可沿车间长度方向铺设的轨道移动；另一侧安装小车电 气设备供电的装置，即辅助滑线。主梁上铺有小车移动的轨道，使小 车可沿车间宽度方向移动。 主梁有上下盖板和两块腹板组成，为封闭的箱型截面结构，通常 腹板中部为矩形，两端做成梯形。为保持腹板的局部稳定性，需要在 主梁腹板内布置一些垂直横向的大加劲板。为进一步增加腹板的局部 稳定性，在大加劲板之间腹板受压区域内增设一些垂直的小加劲板， 高度约为大加劲板的三分之一。 门架结构的其它部分，如端梁、刚腿、柔腿等均采用类似的结构。 北京交通大学硕士学位论文 ( 2 ) 大车移行机构 大车移行机构由大车拖动电动机、传动机构、制动器及车轮等部 分组成。一般安装在门架结构的下横梁上。大车拖动方式有集中拖动 和分别拖动两种，前者用一台电动机经减速装置拖动大车的两个主动 轮同时移动；后者用两台电动机经减速装置分别拖动大车的两个主动 轮同时移动。因分别拖动方式具有自重轻、机动灵活、安装调试方便 等优点。整台装卸桥的大车运行机构有四套，每套大车运行机构有车 轮四个，其中两个为驱动轮，整个装卸桥有车轮1 6 个。 ( 3 ) 小车 小车俗称“跑车”，安放在门架导轨上，可沿车间宽度方向移动。 小车主要由小车架、小车移行机构、限位开关和安装在小车上的提升 机构等组成。小车架由钢板焊接而成，其上装有小车移行机构、提升 机构、栏杆及提升限位开关。在小车运动方向的两端装有缓冲器和限 位丌关。 小车移行机构由小车电动机、减速器、车轮和制动器等组成，小 车电动机经减速后驱动小车主动轮，使小车沿导轨移动。由于小车主 动轮相距较近，小车采用一台电动机拖动。 ( 4 ) 提升机构 提升机构由提升电动机、减速器、卷简和制动器等组成。1 5 t 以上的 门武装卸桥有两套提升机构，即主提升机构( 丰钩) 和副提升机构( 副 钩) 。抓斗装卸桥的吊具为一个能抓取散装物料的抓斗，利用升降机 构和开闭机构控制抓斗的上升、下降、张开和闭合来抓取物料。 5 ) 操纵室 操纵室是操纵起重机的吊舱，又称驾驶室。操纵室内有大、小车 移行机构的电气控制装罱、提升机构控制装置以及起重机的保护装置 北京交通大学硕士学位论文 虚黧 矗吐救t lu 般涮 图2 1 门式装卸桥结构图 表2 1门架结构主要结构参数 名称尺寸单位 主梁长度 7 1 0 0 0m m 主梁高度 2 5 2 0m m 主粱宽度( 单根) 1 5 1 6m 端粱长度 2 5 0 0m m 端梁高度 1 0 5 0【i i l 端梁宽度 l 0 0 0m 下横梁长度 1 2 1 9 6 m m 下横粱高度 1 2 4 0m m 下横梁宽度 1 0 0 0m m 支腿高度 1 8 5 9 3m m 支腿宽度 1 0 0 0m m 跨度 4 0 0 0 0m 外层钢板 8m m 内部钢板 1 0 唧 北京交通大学硕士学位论文 操纵室一般固定在主梁的一端，也有装在小车下方随小车移动的。操 纵室上方开有通向走道的舱口，供检修大车小车的机械与电气设备时 人员上下用。 综上所述，门式装卸桥的运动情况有：大车沿货场的长度方向的 前后运动、小车沿主梁上的导轨的左右运动和重物随起升机构的上下 运动。每种运动都要求有极限位置保护。如图2 1 所示 2 。2 装卸桥主梁挠度激光检测 为了更好的对门式装卸桥进行安全评估，使仿真计算结果与实际 的工况更加符合，对门式装卸桥进行现场激光检测方法的测量主梁挠 度变形，通过虚拟仿真计算柔性模型的计算变形与实际变形的对比， 验证虚拟仿真的结果。 在装卸桥的金属结构组成部分中，主梁是承受弯矩、剪切、扭矩 等复杂载荷最为重要的一个受力部件，它担负着货物起升、下降、小 车运行等多秘复合运动。主粱常见的变形有跨中出现下挠、旁弯，主 梁腹板出现波浪变形等，其中尤以主梁跨中下挠危害最大，主梁在载 荷作用下产生下挠变形，使小车轨道有一定的坡度，上坡时产生运行 打滑，停车时出现自动滑移，极易带来险性事故。随着负载的长期作 用，不可避免的会使预拱度降低，进而出现下挠变形】。 1 、激光检测装置结构 该检测装置由激光器、光电接收靶、测量电路、数据处理等部分 组成，见图2 2 ，它是将半导体激光器视作点光源，使其置于准直透 镜的焦点处，则该镜的出射光可近似视为准直光。该光束位于主梁上 盖板表面的上部，可作为挠度测量的基准。测量时，光电接收靶沿上 盖板移动，会伴随着主梁的上拱度、卜翘度变化而上下位移，从而使 北京交通大学硕士学位论文 激光束照射到接收靶四象限探测器的位置发生变化，即激光束与四象 限光电池的中心发生偏移，4 个象限接收的光能量不同，通过四象限 光电池的对角差额输出，便会将这个位移变化量转换为相应的对角象 限电流差信号。该信号送入电流表后，表指针发生偏转，便显示出电 流差的大小。再经过二维对中读数装置的处理，使电流表的指针回到 零位，从而使激光束重新回到四象限光电池的中心。此时通过数字游 标尺读数装黄的液晶显示，可以直接读出位移偏差数值。利用此方法 在主梁的2 个悬臂端、2 个支腿处及跨中5 个特征点上读取数据( 门式起 重机只需测量两支腿和跨中3 个特征点) ，运用数学处理方法，便可以 直接算出主梁跨中的上拱度和悬臂端的上翘度。 l 一芈导体墩光嚣；2 一万向安装支策一3 一般光嚣框i4 一光牛镜月一 5 一光柬 对准裳置i6 破光求，7 磁性童8 一消磁掘忸：9 滤圯翠il o 一四泉鼠光 电池。1 】一接收粑框一1 2 一嘲平攫旋一j 3 幢啦靶笨摩t1 4 一调整遵杆 图2 2 激光挠度测量的整体结构 挠度测量分为两部分，一个是空载时的跨中上拱度，一个是受载 时的跨中下挠度。测量时，激光准直器置于端梁上表面上，光束可根 据需要通过垂直水准器调整成水平线，在水平面内可有微小的活动夹 角。如中途有物体遮光，可适当调整激光器高度，便于光电接收靶在 北京交通大学硕七学位论文 全量程内接收激光光点。由容栅式位移传感器将相应的数字信号输给 单片机采集，再由单片机传给p c 机处理。测量方法如图2 3 所示。 2 、主梁跨中上拱度 将空载小车停在桥架跨端，激光准直器置于主梁一端梁上面，向 主梁另一端发射光束，用光电接收靶上的四象限光电池跟踪光点，分 别在两跨端和跨中有筋板的上盖板处取光点。 8 7 6 5 1 、撖光准直器2 ，激光束3 、光乜接收靶“小午位置 5 ，上翼皱板6 臻轭7 、下翼缘镀8 、措浆 图2 3 主粱上拱度测量方法 主梁跨中上拱度为 居十：h ，一毕 2 一l 式中h ，主梁跨中光高值( m m ) h 。，h ：主梁两端光高值( m m ) 3 、主梁跨中下拱度 测量方法如图2 4 所示。将空载小车停在跨中，提升额定载荷离 地后，稳定悬挂在空中适当高度，悬停1 0 分钟后，按照检测跨中上拱 度相同的方法检测跨中下挠值。 北京交通大学硕士学位论文 4 i ，张光准豆错2 、激党柬3 光电挂收靶4 、小车位置 图2 4 主梁跨中下挠度测量方法 跨中下挠度 f3 = l 驽* j 2 2 式中磊一主梁上拱度( f m ) ： ，；一按测量上拱度方法测得的虚下挠度( m m ) 。 乃= 自j 一掣 2 3 够，掰，琏相当于测量上拱度时 ， ， ：。 通过检测装卸桥的跨中静变位为2 4 m ，符合5 0 m m 的装卸桥设计标 准，属于安全范围。 2 3c a d 三维建模 对装卸桥进行虚拟仿真分析，建立三维建模、计算装卸桥的相关 参数是基础。 2 3 1c a d 三维建模技术 建模技术是c a d 的核心技术，建模技术的研究、发展和应用就代 表了c a d 技术的研究、发展和应用。三维c a d 建模技术主要有三大理论， 即实体造型技术、参数化造型技术和特征造型技术。早期实体造型属 北京交通大学硕上学位论文 于无约束自由造型，后来向基于约束的实体造型发展，产生了参数造 型理论。参数化造型技术分为全约束与非全约束，其代表分别是p r d e 和i d e a s 。特征造型理论是参数化造型理论的深化与拓展。特征面向 加工制造，对产品信息的表达较为完整。 l 、参数化造型技术 参数化设计m 1 是指参数化模型的尺寸用对应的关系表达式表示， 而不需用确定的数值，变化一个参数值，将自动改变所有与它相关的 尺寸。也就是参数化模型是通过调整参数来修改和控制几何形状，自 动实现产品的精确造型。要实现参数化设计，必须建立参数化模型。 对于几何参数模型而言，主要有两个内容：几何关系和拓扑关系。几 何关系是指具有几何意义的点、线、面有确定的位置和大小。拓扑关 系反映了形体的特性和关系，如儿何元素之间的邻接关系。参数化设 计技术以其强有力的草图设计、尺寸驱动修改图形的功能。 2 、特征造型技术 基于特征的建模是将特征作为产品上具有一定语义信息、能完成 某一定特定功能的一组几何实体来构造零件，它不仅有一定的几何形 状，还包含相应的功能信息与工程知识( 如螺纹孔，实际上表达了它 的功能及加工方法) 【” 。 特征建模与几何建模相比有如下特点：特征建模用于产品的概 念设计，而几何建模困难：特征建模能全面表达产品的几何信息和 非几何信息，而几何建模只能表达产品的几何信息：特征建模能说 明特征间的关系，用户可以查询这些关系，并能为后续的应用提供所 需要的产品信息，而几何建模却很难做到：特征建模对产品的设计 可全部参数化，构造产品零件时，可以进行创造性的设计，同时对设 计修改方便，为用户提供良好的设计环境，而几何建模很难提供这种 北京交通人学硕十学位论文 环境。 2 3 2p r o e 软件 l 、p r o e n g i n e e r 软件简介 p r o e n g i n e e r ( 简称p r o e ) 是由美国参数技术公司( p a r a m e t e r i c t e c h n o l o g yc o r p o r a t i o n 简称p t c ) 设计丌发的大型c a d c a m 软件。广 泛应用于机械、模具、电子、航空、航天、邮电、兵工、纺织等行业 a p r o e n g i n e e r 是多项技术的集成产品，它的内容涵盖了零件设 计、工业造型设计、三维模型设计、模具开发、n c 加工、钣金设计、 铸造设计、逆向工程、分析计算、动态模拟与仿真、工程图的输出、 生产加工成产品、产品数据管理等功能。 p r o e n g i n e e r 突出的特点是系统采用全参数化的设计，在软件环 境下建立的零件或组件模型等的形状和位置等尺寸都可以用参数符 号来代替，在需要的时候只要输入相应的值，就可以重新生成相应的 产品，参数化方便了产品的设计和修改。另外，它采用了基于特征的 建模技术，产品可以分解为特征的集合。p r o e n g i n e e r 利用特征运算 的方法，可以将独立的特征以一定的关系组合成产品。同时， p r o e n g i n e e r 还设计了与其他大型c a d c a m 软件的接口，如i g e s 、s t e p 等接口标准，而且操作简单，只要将p r o e n g i n e e r 环境下的模型文件 保存为上述格式的文件即可；同样，来自其他的c a d c a f 软件的上述 格式的文件也可以在p r o e n g i n e e r 环境中运行。 2 、p r o e n g in e e r 软件建模 p r o e n g i n e e r 是一个以特征为主的实体模型系统。用户可以利用 软件所给的各种建模特征，设计自己所需要的三维模型。 北京交通大学硕士学位论文 ( 1 )立体雏形特征的构建立体特征的构建方式有拉伸 ( e x t r u d e ) 、旋转( r e v o l v e ) 、扫描( s _ e e p ) 、混成( b l e n d ) 等。 每一种方法都可以通过材料填充、切削、抽壳等功能实现具体实体特 征的构建。 ( 2 ) 曲面特征的建立可以利用变截面扫描( v a r s e cs w p ) 、混 成扫描( s w e p tb l e n d ) 、螺旋扫描( h e ii c e ss w p ) 、b o u n d a r i e s 曲面 等命令菜单来实现，主要用来完成截剖面实时变化、不能用拉伸、旋 转、扫描、混成等方法实现的复杂、高级曲面的造型。 ( 3 ) 设计特征的建立设计特征是指孔、槽、加强筋建立在立 体雏形特征之上的加工特征，分为规则特征和不规则特征两种类型。 实际建模过程中，单个用以上的步骤是无法实现的，需要多步骤 交叉使用，而且还要用到诸如：c o p y 、p a t t e r n 、g r o u p s e ct 0 0 1 s 、 g e o mt 0 0 1 s 、m i r r o r 、m e r g e 等命令来帮助实现几何特征的构建，用 r e g e n e r a t e 、m o d i f y 、d e l e t e 等来生成、修改、删除、编辑特征，对 于有父子关系的特征可以用i n f or e d e f i n e 及模型树m o d e lt r e e 进行 查询、修改、重新定义、删除等操作。 p r o e n g i n e e r 软件不仅可以进行三维建模，还可以利用模型分析 功能对模型的物理属性进行计算分析”“。计算的零件或组件质量属性 包括：体积，模型的总体积曲面面积，模型的总曲面面积密度，对于 零件质量属性，在此列出指定的零件密度。对于组件质量属性，将列 出其元件的平均密度。平均密度用总质量除以总体积来计算：平均密 度= ( 组件总质量) ( 组件总体积) 每一个零件的密度应用丁质量属 性的计算。质量一模型的总质量重心，关于指定坐标系的重力中心位 罱等等。在模式i 二幽形显示重心和坐标系对指定坐标系在原点沿轴的 惯性张量。 北京交通大学硕十学位论文 2 4 门式装卸桥三维建模 2 4 1 门式装卸桥三维模型 根据装卸桥的各部件的结构，依据产品设计资料、竣工图纸的具 体尺寸，建立三维模型。 对于主梁、刚腿和柔腿这些具有类似特征的装卸桥部件，我们首 先建立基准线与基准平面：然后采用拉伸特征构造出各部件的外部形 状：在模型上建立相对的基准平面，再利用切割特征构造刚腿、柔腿、 主梁的内部的箱型金属结构；最后采用倒圆、倒角、拔模、阵列等特 征，构造各部件的一些细节特征。最后装配成装卸桥整体的三维模型。 所建模型如下面各图所示。 图2 5 门式装卸桥主梁三维模型 北京交通大学硕士学位论文 图2 6 门式装卸桥刚腿三维模型 图2 7 门式装卸桥柔腿三维模型 北京交通大学硕士学位论文 图2 8 门式装卸桥走行机构三维模型 图2 9 门式装卸桥三维模型装配图 2 4 2 门式装卸桥三维模型参数 ( 1 ) 三维模型的质量 通过对各部件三维模型的质心、质量等物理参数的计算，得到的 结果与设计制造资料提供的各项参数基本相符。 对于装卸桥，根据秦皇岛港务局提供的图纸资料，主梁质量 北京交通大学硕士学位论文 1 1 9 9 6 吨，刚腿质量为1 7 1 6 吨，柔腿质量为6 3 3 8 吨，小车自重 2 3 2 1 吨，所吊重物近1 0 吨。 利用p r o e n g i n e e r 软件的模型分析功能，对我们所建的三维模 型进行质量属性分析计算。主梁质量1 2 1 0 1 吨，刚腿质量1 7 9 8 吨， 柔腿质量6 5 2 吨，与装卸桥原设计制造资料提供的质量基本相符。 ( 2 ) 三维模型相对重心惯性矩 主梁相对于重心的惯性矩为 6 4 0 3 5 1 9 0 e + 0 8 2 4 4 1 2 7 1 9 e + 0 6 2 0 0 5 5 5 6 7 e 十0 7 2 4 4 1 2 7 1 9 e + 0 6 5 2 9 6 6 1 2 0 e + 1 0 一13 3 9 4 3 6 8 e + 0 5 刚腿相对于重心的惯性矩为 厂3 0 4 5 9 51 6 e + 0 94 6 6 8 9 2 5 0 e + 0 6 4 6 6 8 9 2 5 0 e + 0 62 6 3 1 5 8 1 4 e + 0 9 3 7 6 7 7 1 9 6 e + 0 67 6 0 7 6 4 9 6 e + 0 6 l 柔腿相对于重心的惯性矩为 r1 - 3 3 9 5 0 8 6 e + 0 96 1 3 9 6 3 5 1 e + 0 4 6 1 3 9 6 3 5 1 e + 0 49 3 5 7 9 7 5 4 e + 0 8 i 一7 3 1 5 6 8 5 5 e + 0 68 5 2 2 4 7 0 8 e + 0 6 门架结构相对于重心的惯性矩 6 3 6 0 7 4 8 2 e + 0 9 2 _ 3 4 0 0 5 6 7 e + 0 8 40 3 1 0 2 8 8 e + 0 9 2 3 4 0 0 5 6 7 e + 0 8 9 4 6 1 7 7 0 5 e + 1 0 一3 9 3 0 1 5 6 5 e + 0 5 2 0 0 5 5 5 6 7 e + 0 7 1 - 3 3 9 4 3 6 8 e + 0 5 5 3 3 8 7 6 0 2 e + l o 3 7 6 7 7 1 9 6 e + 0 6 7 6 0 7 6 4 9 6 e + 0 6 2 2 7 3 2 5 0 1 e + 0 9 吨毫米2 吨毫米2 7 - 3 1 5 6 8 5 5 e + 0 6 主淼嚣严 4 1 5 1 6 7 0 7 e + 0 8i 一4 0 3 1 0 2 8 8 e + 0 9 3 9 3 0 1 5 6 5 e + 0 5 9 2 8 2 8 2 6 5 e + 1 0 吨毫米2 以上是利用p r o e n g i n e e r 软什的模型分析功能，计算出的三 维模型的惯性矩。与我们利用物理学上计算惯性矩公式计算的惯性 矩基本相符，说明装卸桥的三维模型基本准确。 北京交通大学硕士学位论文 2 5 本章小结 建立准确的门式装卸桥三维模型是进行多体动力学分析的前提 条件，本章主要完成以下工作： 1 根据产品设计资料、竣工图纸，按照实际结构参数建立了门式 装卸桥三维模型。 2 对门式装卸桥三维模型进行了模型分析，计算了模型的相关物 理参数，包括模型的质量、质心和转动惯量等。 3 分析了现场对门式装卸桥主梁挠度检测的方法与结果，建立了 合理的装卸桥三维几何模型，为后面的虚拟仿真提供了支持。 北京交通大学硕士学位论文 第三章门式装卸桥刚性仿真分析 3 1 虚拟样机理论基础 虚拟样机技术的核心理论是多体系统动力学，多体系统动力学包 括多刚体系统动力学和多柔体系统动力学。多刚体系统动力学的研究 对象是由任意有限个刚体组成的系统，刚体之间以某种形式的约束连 接，研究这些系统的动力学需要建立非线性运动方程、能量表达式、 运动学表达式等。多柔体系统动力学的研究对象是大量刚体和柔体组 成的系统1 ”j 。 3 1 1 多体系统动力学理论基础 机械多体系统由若干刚性体或柔性体组成，彼此之间按照定的 空间拓扑结构有机地联系在一起，可进行大范围运动并且具有特定的 功能”8 】【”】。 一、机械系统的自由度 一个在3 维空间自由浮动的刚体有6 个自由度，而由许多构件组 成的机械系统的自由度取决于构件的数量和构件之间的相互约束。机 械系统的自由度f 可以用下式计算： f = 6 n 一n 一毋一尺。 ( 3 一1 ) f = 1 = 1 式中n 为活动构件总数； p j ，m 分别为第i 个运动副的约束条件数，运动副总数。 q ，x分别为第j 个原动机的驱动约束条件数，原动机总数。 r 。为其他的约束条件数。 机械系统的自由度f 和原动机的数量q 与机械系统的运动特性有 着密切的关系： 北京交通大学硕士学位论文 当f o ，且q ，= o 时，机械系统蜕变为刚性系统，构件之间 没有相对运动，此时可以运用静力学理论求解机械系统的受力。 当f o 时，表示在一个刚性机械系统中设置有原 动机，此时原动机将无法运动，或者机械系统将在薄弱处遭到破坏。 当f = o ，且q o 时，机械