基于动态链接库的潜孔锤虚拟样机建模与仿真

基于动态链接库的潜孔锤虚拟样机建模与仿真

潜孔锤的虚拟样机仿真有效井空钻是一种高效的钻孔钻孔设备。广泛应用于土木工程调整、能源开发、市政工程建设、民防等领域。然而由于潜孔锤的配气过程比较复杂,而且设备常常在工况恶劣、地质情况复杂的环境下工作,导致气动潜孔锤设备的开发与研制一直处于传统的经验及实验研发模式下进行,设计与制造周期长、成本高,一些产品严重老化、缺乏市场竞争力。目前对于潜孔锤设计的研究仅局限于对潜孔锤配气过程及冲击过程进行研究,系统性的研究尚未实现。传统开发过程中物理样机试验的毁坏性会非常严重,试验中很难在相互作用的零件中确定故障原因。另外现有的设计理论只是定性的说明问题,缺乏精确的计算和验证,对潜孔锤进行设计和优化的过程中,往往需要多次修改,反复分析,限制了高性能样机的研制。MSC.ADAMS(AutomaticDynamicAnalysisofMechanicalSystem)是目前国际上使用最为普遍的一种虚拟样机仿真软件,它可以建立复杂机械系统的虚拟样机模型,对机械系统进行静力学、运动学和动力学分析,模拟现实工作条件下所有运动情况。应用虚拟样机代替或部分代替潜孔锤物理样机,对其进行分析、设计、测试和评估,可以通过对仿真结果的分析归纳和观察设计参数变化的影响,在设计早期确定关键的设计参数,最终达到缩短开发周期,降低生产成本,提高潜孔锤产品质量的目的。本文利用VisualC++对MSC.ADAMS进行了二次开发,开发了一类无阀式气动潜孔锤的气室载荷子程序,并建立了气动潜孔锤虚拟样机模型,对活塞的运动过程进行了仿真研究,分析了不同气室的压力变化。1潜孔锤栓塞动力学模型潜孔锤的配气过程很复杂,由其前、后气室及配气室的进气、膨胀、排气以及压缩等诸段热力过程及运动过程所组成。某无阀式气动潜孔锤结构,如图1所示。潜孔锤活塞的运动依赖于前后气室中的压力,而气室中的压力又取决于活塞运动的速度和进入(或排出)气室的气体流量。因此,要得出活塞的运动历程,就要将运动方程、流量方程、气体状态方程和等熵方程联立求解。而这些微分方程并非都是线性的,所以虽然理论上运动是确定的,实际上却难以计算。在建立潜孔锤活塞的动力学模型及气室内气体状态模型时,假设气室内热力过程为准稳态过程,在某一过程中的某一小段上的热力函数可视为常数,设此小段时间间隔为∆t。建模时忽略活塞与外缸、内缸和配气杆之间摩擦阻力的影响,并且认为潜孔锤处于竖直状态。1.1不同类型带压力流量的设前气室、后气室、配气室的标号分别为1、2、3,相应的热力学参数分别以下标1、2、3区分,如图2所示。1)活塞加速度计算2)∆t时间结束时活塞的速度3)∆t时间结束时活塞的行程其中:1p、p2、p3分别为前气室、后气室、配气室绝对压力;1A、2A、3A分别为前气室、后气室、配气室有效工作面积;M为活塞的质量;g为重力加速度。1.2气孔充排气质量变化率q1)内缸进气口处压力式中:kP为内缸进气口处压力;CP为储气罐压力;λ为沿程阻力损失系数;L为钻杆组成的管道长度;D为钻杆内径;QC为空压机的排气量;S为钻杆通流面积。2)各气室充(排)气质量变化率式中:iQ为单位时间气体流量;iP、jP分别为气孔上下游气体绝对压力;iT为上游绝对温度;σ为区分亚音速,超音速的临界条件;K为绝热指数。dm为∆t时间内进排出气体的质量。3)各个气室压力及温度变化量当气室为开口系统时,即气室同时处于进气排气状态时,压力方程式及温度方程式如下气室处于绝热膨胀(压缩)时2msc.adams软件的函数MSC.ADAMS软件不但提供了方便的用户操作界面,而且具有强大的分析求解功能,本身就包含了种类很丰富的函数库供用户使用。然而对于气动潜孔锤活塞驱动力此类复杂载荷,需要以子程序的形式定义自己的力和运动发生器。MSC.ADAMS软件中的函数分设计时函数和运行时函数两种。设计时函数用于在ADAMS/View中创建模型和定义测量等,而运行时函数只能在仿真时被ADAMS/Solver动态调用。这里我们采用VisualC++开发活塞驱动力的ADAMS用户自定义运行函数,即用户子程序。2.1插装式组合过程中国气室内固定数法在建立ADAMS活塞驱动力运行函数之前,首先要在VisualC++中建立活塞运动方程、流量方程、气体状态方程和等熵方程的差分方程。为了编程方便,需要根据进气口与排气孔的开关状态对进气、膨胀(压缩)、排气过程进行细化,如图3所示。以活塞冲击反弹位置为起始点,根据前气室/后气室的不同状态划分为以下十个阶段:(返程开始)进气/排气→进气/压缩→膨胀/压缩→排气/压缩→排气/进气→(冲程开始)排气/进气→排气/膨胀→压缩/膨胀→进气/膨胀→进气/排气。图中:l1为前气室的进气长度,l2为前气室进气长度加绝热膨胀(或压缩)长度,l3为后气室排气长度加绝热压缩(或膨胀)长度,l4为后气室排气长度,l5为活塞的实际行程,l是活塞的结构行程。假设活塞在冲击反弹时刻开始返程,首先根据给定的原始参数值计算在第一时间间隔内活塞的加速度、速度和位移,然后算出该时间间隔内进排出气室的气体流量,以及前后气室的压力、温度等参数。以上一时间步长计算结果,作为下一时间步长的初始值,计算活塞运动参数及各气室热力学参数。重复上述计算过程,直到活塞运动循环结束。当活塞运行一个循环后,把计算所得的本循环末的潜孔锤性能参数同上一循环末的值比较,看循环是否稳定。若不稳定,则以本循环的计算值作为下一循环的初始值运行。流程图如图4所示。2.2程序的编写开发气体驱动载荷子程序时,采用MSC.ADAMS提供的用户子程序的模板程序的user.c来编写,程序中需要包含的两个头文件userPortName.h,utilCcallable.h。利用模板程序的user.c来编写子程序时,由于仿真过程中气体驱动载荷要被求解器动态载入和调用,因此它们的函数名称和形参个数、类型等都要按照ADAMS预先规定好的格式编写。在子程序中通过功能子程序(UtilitySubroutines)中的数据访问子程序SYSARY函数或SYSFNC函数来调用系统变量。SYSARY函数可以向用户子程序提供系统的状态值,如位移和速度等,这些ADAMS/Solver的系统状态值的各个分量一起被保存在特定的数组中,并以数组的形式传递给用户子程序。格式为CALLSYSARY(fncnam,ipar,nsize,states,nstates,errflg)。SYSFNC函数可以得到系统的单个变量值。格式:CALLSYSFNC(fncnam,ipar,nsize,state,errflg)。参数说明:fncnam—字符型变量;ipar—nsize大小的整型数组;nsize—整型变量;states—双精度数组,其大小与包含SYSARY返回值的fnanam有关;nstates—整型变量,用于返回ADAMS/Solver放入states中数值的数目;errflg—逻辑型变量,当调用SYSARY发生错误时,返回值为真。根据SYSARY函数及SYSFNC函数,可以建立气体驱动载荷子程序,子程序建立的过程如图5所示。3动听洞穴模型3.1潜孔锤的模型建立考虑到潜孔锤零件构造的复杂性,潜孔锤三维特征建模在PRO/E中实现,利用PRO/E生成参数化的零件实体,预装配成潜孔锤运动部件,进行干涉检查,然后通过ADAMS与PRO/E之间的接口MECHANISM/Pro,将整个潜孔锤的CAD模型传送给ADAMS,添加部件间的约束(Constraint)、作用力(Force)及接触力(Contact)。几个关键部件的约束及施加载荷情况如下:钻头与卡钎套之间,考虑到两者的相对滑动及碰撞作用,添加圆柱副并施加接触力;外缸与内缸之间,施加圆柱副及接触力;活塞与钻头间,施加接触力;逆止阀座与后接头之间采用非线性弹簧来模拟缓冲弹簧的作用;在活塞上施加单作用力,单作用力通过调用气体驱动子程序而驱动活塞运动。产生参数化的虚拟样机模型如图6所示。3.2气体压力的变化通过仿真可以得到作用在活塞上的等效气体驱动力,即作用在活塞上的单作用力,其曲线如图7所示。通过气体驱动子程序的运行能够获得前、后气室气体压力随活塞位移的变化曲线,如图8所示,从图中可以清晰地看出前后气室气体压力在活塞各个行程中的变化状态。从运动返程开始,潜孔锤首先经历前气室充气阶段(a-b段),后气室排气阶段(e-f段)。此阶段前气室气体压力变化幅度较小,后气室气体压力下降幅度较大。然后前气室经历膨胀和排气阶段(b-c段),后气室先经历压缩阶段(f-g段)。同时由于活塞继续返程运动,后气室进气口打开,后气室进行充气(g-h段)。此阶段前气室气体压力下降幅度很大,后气室气体压力在压缩阶段(f-g段)有一定的增幅,但增长幅度较小。在充气阶段(g-h段),后气室压力幅度增长较大。随着返程运动的继续,活塞到达返程终点,开始进行冲程运动。然后潜孔锤前气室经历排气和压缩阶段(c-d段),后气室充气阶段(h-i段)。由于返程开始时,活塞的运动速度较低,前气室虽然处于排气和压缩阶段,但压力变化幅度不大。后气室经历了较长时间的充气阶段后,气室气体压力已接近于配气室压力。因此在此充气阶段(h-i段)内,后气室虽然处于开口进气状态,但压力变化幅度很小。随着活塞冲程运动,前气室排气口关闭,前气室进入充气状态(d-a段),气室气体压力增长幅度较大。后气室在冲程末了阶段经历了绝热膨胀和排气阶段(i-e段),后气室压力下降幅度较大。最后,活塞达到冲程终点,并与钻头冲击碰撞,整个运动循环结束。活塞开始进入下一个运动循环。3.3仿真结果与实验结果的对比为检验气动潜孔锤虚拟样机模型建立的准确性,本文结合测试试验结果对仿真得出的潜孔锤性能参数进行了考核验证。通过ADAMS的后处理模块ADAMS/PostProcessor可以获得潜孔锤虚拟样机中活塞的运行周期、频率、速度等结果。将仿真获得的潜孔锤冲击频率、冲击功及活塞的冲击末速度的结果与实测结果进行对比,见表1。由表1可以看出,仿真结果误差很小(小于9%),说明仿真的结果基本上反映了潜孔锤的实际工作情况,也证