QY20汽车起重机动力学仿真分析.doc

QY20汽车起重机动力学仿真分析江苏省特种设备安全监督检验研究院无锡分院 方维摘要：虚拟样机作为产品设计的一项新技术，对于传统的产品设计方法是一次革命。本文利用ADAMS软件构建了QY20汽车起重机动力学仿真模型，并对其在带载回转过程中的突然卸载工况进行了分析。关键词：虚拟样机；ADAMS；汽车起重机；动力学仿真Abstract: As a new technology of product design, Virtual Prototype is a revolution to traditional method of products design. In this paper, the model of QY20 truck crane was built based on ADAMS and analysis the process of rotating with weight remove abruptly.Key words：Virtual prototyping；ADAMS；Truck crane；Dynamic simulation引言在传统的设计与制造过程中，首先是概念设计和方案论证，然后进行产品设计。在设计完成后，为了验证设计，通常要制造样机进行试验，有时这些试验甚至是破坏性的。当通过试验发现缺陷是，又要回头修改设计并再用样机进行试验。只有通过周而复始的设计试验设计过程，产品才能达到要求的性能。通过虚拟样机技术，工程设计人员直接利用CAD系统所提供的零部件的物理信息以及其几何信息，在计算机上定义零部件间的连接关系并对机械系统进行虚拟装配，从而获得机械系统的虚拟样机，使用系统仿真软件在各种虚拟环境中真实地模拟系统的运动，并对其在各种工况下的运动和受力情况进行仿真分析，观察并试验各组成部件的相互运动情况，它可以在计算机上方便地修改设计缺陷，仿真试验不同的设计方案，对整个系统进行不断的改进，直至获得最优设计方案以后，再做出物理样机1。本文以QY20汽车起重机为对象研究虚拟样机技术在产品开发中的实际应用，首先运用ADAMS软件建立QY20汽车起重机三维模型，并对汽车起重机在突然加载和卸载的工况下进行动力学仿真分析，根据仿真分析的结果对整机的稳定性进行判断。1、ADAMS软件简介ADAMS即机械系统动力学自动分析(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems)，该软件是美国MDI公司(Mechanical Dynamic Inc.)开发的虚拟样机分析软件。ADAMS软件使用交互式图形环境和零件库、约束库、力库，创建完全参数化的机械系统几何模型，其求解器采用多刚体系统动力学理论中的拉格郎日方程方法，建立系统动力学方程，对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析，输出位移、速度、加速度和反作用力曲线。ADAMS软件的仿真可用于预测机械系统的性能、运动范围、碰撞检测、峰值载荷以及计算有限元的输入载荷等2。2、在ADAMS环境下建模在ADAMS/View模块中建立QY20汽车起重机的各主要构件，从建模的经济性和仿真耗时的角度考虑，对滑轮、绳索、吊钩组等进行简化，为了不影响整机的仿真结果，将其质量加到基本臂上。三维模型如图1所示。图1 汽车起重机模型模型建立完成后，考虑机构的实际运行情况，分别建立回转支撑与底盘间的旋转副、转台和回转支撑之间的固定副，由于本次仿真只考虑回转机构的运动，在回转过程中静止的零件都采用固定副将其固定。在转台与回转支撑之间的转动副上添加旋转驱动，在旋转驱动特性对话框中输入旋转速度10.02，表示起重机的回转速度是10.02/s。为模拟真实情况，对建立的模型利用柔性力进行弹性体等效3。在汽车起重机相互有弹性作用的部位利用轴套力来模拟，利用轴套力在两个构件之间加上一个柔性力。在变幅油缸活塞杆和基本臂之间添加轴套力来模拟基本臂和活塞间的接触力；在支腿与大地之间加上轴套力来模拟两者之间的接触力。在本次仿真过程中，起重机在5S时加载，回转机构以1.67r/min的转速回转，在9S时突然卸载，此时吊臂与车架大约成90，为此，利用阶跃函数定义单向力的函数表达式，-STEP( time , 0 , 0 , 4.9 , STEP( time , 4.9 , 0 , 5 ,STEP( time , 5 , 120000 , 9 ,STEP( time , 9 , 120000 , 9. 1,STEP( time , 9. 1 , 0 , 15 ,0)。该表达式表示在0到4.9S时回转机构未加载回转，在4.9S到5S的很短的时间内，加载至120000N（12t）；之后带载回转，一直到9S；在9S到9.11S的时间内，所受载荷突然从120000N变成0，以此来模拟突然卸载的过程，之后回转机构一直回转至15S时停止。3、带载回转工况动力学分析研究QY20汽车起重机在带载回转过程中突然卸载对系统所产生的动态响应，可以通过整机系统的振动直观的表现出来。通过测量出支腿与大地之间由于振颤而出现的相对位移和振动幅度，判断系统在最不利的吊载回转的工况下整机的稳定性。为分析的方便，将四个支腿分别标号1、2、3、4号，如图2所示。图2 支腿编号示意图图3 支腿相对位移（1）一号支腿：在0到5s内，由于汽车起重机自重的作用，支腿受压，同时在回转时产生动载荷，导致在开始的一段时间内，1号支腿振动并趋于平稳；在5s时，吊臂已经转过大约50，此时吊重加载，1号支腿继续受压并振动，随着受压逐渐增强，其向下的位移在趋于平稳的同时也逐渐增大；在9s时突然卸载，由于惯性力的作用，整车有后倾的趋势，1号支腿振动剧烈，最高振幅为3.6598mm，此时支腿已离开地面，但根据稳定性标准7，此时起重机处于稳定状态，随着回转振动逐渐趋于初始时的稳定状态。（2）二号支腿:在5s加载后，2号支腿产生向下位移，随后由于加载产生振颤，最大幅度达到5.6623mm，此时也是起重机在正常吊重工作时经常出现的三点支撑情况4。从5s加载到9s突然卸载的过程中，随着吊臂向左后侧转动，整机的载荷向后移动，2号支腿受力逐渐增大，故其向下的位移也逐渐增大；在9s突然卸载的时刻，2号支腿也有振动，并随着回转逐渐趋向稳定的初始状态。（3）三号支腿：在5s加载时刻，三号支腿受力最大，因此其向下的位移也最大，随着起重机的转动，三号支腿受力逐渐减轻，故其位移曲线在逐渐平稳的过程中有向上抬起的趋势；在9s突然卸载，支腿向惯性力的作用下向上弹起并振动，但仍未脱离地面；此后随着转台的转动，振动逐渐平稳并稳定在初始状态。（4）四号支腿：在5s加载时受压产生振动，位移向下；随后随着回转，吊臂转到左侧，四号支腿受力开始减小，位移减小；在9s时刻，吊重突然消失，在后倾的惯性力作用下，四号支腿受到的压力增大，此时位移往下并振动；随着回转，振动逐渐平稳在初始状态。4、稳定性分析起重机在失稳时的倾翻线，由起重机的支腿尺寸或轮胎尺寸确定。最危险的倾翻线是在该工况下整个重量的重心离该倾翻线垂直距离最短的那一边。显然，在汽车起重机不论使用支腿或不使用支腿吊重时，最危险的失稳情况是吊臂位在垂直于侧方向倾翻线的位置上。所以，在考虑起重机稳定时或进行稳定性试验时，都是以吊臂位在正侧方向的工况为基准，在这个工况下起重机必须保证最低的稳定性。起重机在作业时突然卸载或吊钩脱落时，在起重机吊具上作用有一向上的惯性力，使起重机后倾翻，起重机设计规范中给出了验算该工况的稳定性公式4：式中0.2系数是一个实验数据；：汽车起重机的上车自重；：起重机底盘不回转部分的质量；：配重的自重力；：吊臂的自重力；：起升载荷。相互间的位置关系如图4所示。图4 相互位置示意图查阅本型号的汽车起重机各个参数：=11837N =900mm； =115000N =2405mm；=14984N =2887.515mm； =14510N =400mm；=10920N =715mm； =10500N =1850mm；=3350mm将以上各个数值带入上面的验算公式，得出结果远大于零。同时通过ADAMS软件对起重机进行动力学仿真分析，对相应曲线分析结果也表明，该起重机在最不利的载荷工况下能满足稳定性的要求。参考文献：1.陈乐天，王以伦.多刚体动力学基础M. 第1版. 哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1995：11-132.郑建荣. ADAMS虚拟样机技术入门与提高. 第1版.北京：机械工业出版社，20