裝載機工作機構運動分析

2013-06-23  by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM  來源:仿真在線

關鍵字:ug adams cae

根據特殊需要用戶化設計裝載機工作機構。應用UGNX內嵌的ADAMS解算器,自動生成裝載機工作機構動力學數字化虛擬樣機模型,提供工作方案論證、詳細設計、方案修改、優化全方位、高精度的仿真計算分析結果,從而達到縮短產品開發周期、降低開發成本、提高產品質量及競爭力的目的。

前言:我國裝載機始于1960年,至今已經歷了三個發展階段:六十年代仿制摸索階段;七十年代自力更生研制階段;八十年代至今是技術引進、合資合作發展階段。全國裝載機產品二十年內增長41.1倍。在全國機械產品中,成為重要代表產品,令世人矚目。世界上工程車輛的工作機構有六十多種,根據特殊需要用戶化設計裝載機工作裝置,核心技術是建立機構運動的數學模型,用運動函數編寫NX能執行的表達式,熟練應用UGNX高級CAD軟件。采用UGNX工程分析可以降低工程制造和測試費用,在產品制造出之前,就可以發現并更正設計錯誤,完善設計方案,在產品開發過程中,減少所需的物理樣機數量,縮短產品的開發周期。

    一、工作要求
    1、裝載機的工作條件
裝載機主要用來鏟、裝、卸、運土和石料一類散狀物料,也可以對巖石、硬土進行輕度鏟掘作業。如果換不同的工作裝置,還可以完成推土、起重、裝卸其他物料的工作。在公路施工中主要用于路基工程的填挖,瀝青和水泥混凝土料場的集料、裝料等作業。由于它具有作業速度快,機動性好,操作輕便等優點,因而發展很快,成為土石方施工中的主要機械。

裝載機進行施工作業時須與自卸汽車配合,故在施工中裝載機的轉移、卸料以及與車輛位置的配合好壞都對作業效率影響很大,因此,必須合理地組織施工。裝載機的卸載高度和卸載距離須滿足物料能卸到自卸汽車車廂中心的要求。

    2、工作機構的運動要求:
首先我們建立工作機構的力學模型:八連桿機構。

自左至右依次為:鏟斗、動臂、拉桿、搖臂、轉斗缸活塞桿、轉斗缸體、舉升缸活塞桿、舉升缸體,前車架可視為與地固定,僅為增加視覺效果設置,它不參與運動。
一個完整的工作循環大致可以分為六個步驟
    (1)收斗

    (2)升舉

    (3)翻斗

    (4)收斗

    (5)下降

    (6)放平

在工作過程中為了保證額定斗容的有效利用率,須使鏟斗開口平面與水平夾角盡可能小,且在整個舉升過程中,希望這個角度的變化越小越好。因此,我們所需要做的分析可以僅考查舉升過程中鏟斗與地面夾角的變化過程,自變量可以選鏟斗與動臂鉸點的高度值。

二、創建運動模型
1、實體建模:按照產品工程圖,建立實體模型。在UG中,模型是由各種特征通過一定的組合關系和位置關系組合在一起的實體。為了建立一個好的零件或產品模型,減少模型編輯過程中相關更新時出現的錯誤幾率,根據零件或產品的加工順序來作為建立模型中各特征的順序,采用的特征一般也盡可能采用與加工形狀相一致的特征。

2、實體裝配:將相關部件裝配在一起,對于僅用作運動分析的模型,可省略部分細節,例如墊片、防塵圈、軸套甚至銷軸等。與產品的實際裝配過程不同,UG的裝配模塊是一種虛擬裝配。將一個零件(或部件)模型引入到一個裝配模型中時,并不是將該零件(或部件)模型的所有數據“復制”或“移動”過來,而只是建立裝配模型與被應用零件(或部件)模型文件之間的引用(或鏈接)關系,即有一個指針從裝配模型指向被應用的每一個零件(或部件)。一旦被引用的零件(或部件)模型被修改,其裝配模型也會隨之更新。

3、設置連桿:將相互之間沒有相對運動的部件,包括部件內部設置的一些參考曲線在內,一起設在同一根連桿上;可以認為機構就是“連接在一起運動的連桿”的集合。這就很容易理解為何創建機構分析方案的第一步是創建連桿。
 
創建連桿的第一步是從連桿和運動付(Links and Joint)工具條中選擇連桿(Links)圖標,見圖2-3-2。彈出創建連桿(Link)對話框,見圖2-3-3。

圖2-3-1設置連桿

圖2-3-2  連桿和運動付工具條

圖2-3-3創建連桿對話框

    創建連桿對話框將顯示連桿默認的名字(Name),格式為L001、L002、L003、…、L00n。

    編輯名字項按回車鍵可改變名字。

    4、設置運動副:本套機構主要用到旋轉付和滑動付;創建運動付的操作分三步:
    ① 選擇運動付要約束的連桿(Links)。
    ② 確定運動付的原點(Origin)。
    ③ 確定運動付的方向(Orientation)。

圖2-4-1 連桿和運動付工具條及運動付菜單

選擇連桿和運動付(Link and Joint)工具條中的圖標Joints?；驈闹鞑藛沃羞x擇InsertàJoint。彈出運動付對話框,見圖2-4-1。開始運動付的創建過程。圖2-4-2為從模型中隱藏了連桿層,剩下了裝載機工作機構的運動付。

圖2-4-2裝載機工作機構的運動付

5、設置運動驅動:這是一個平面運動機構,運動動力來自兩組油缸(兩支舉升油缸,兩支轉斗油缸)通過油缸伸縮,完成裝載,卸料工作。
運動驅動是賦在運動付上控制運動的運動付參數。當創建或編輯調用一個運動付時,就會彈出運動驅動對話框,見圖2-5-1。

    共有5個輸入類型:
    (1)無驅動
    無驅動(No driver):顧名思義,沒有外加的運動驅動賦在運動付上。

    (2)運動函數
    運動函數(Motion Function)是描述復雜運動驅動的數學函數。這里有一個階梯(STEP)函數的例子,運動付直接按時間和位移之間的相互關系運動,如當時間t1=0
    位移x1=0;當時間t2=5,位移x2=20。則描述此運動的數學函數為:STEP (TIME,0,0,5,20)

    (3)恒定驅動
恒定驅動(Constant Driver)設置某一運動付為等常運動(旋轉或線性位移),所需的輸入參數是位移(時間t=0時的初始位移位置)、速度和加速度。

    (4)簡諧運動驅動
簡諧運動驅動(Harmonic Driver)產生一個光滑的向前或向后的正弦運動。所需的輸入參數是振幅(Amplitude)、頻率(Frequency)、相位角(Phase Angle)和位移(Displacement)。

    (5)關節運動驅動
關節運動驅動(Articulation Driver)設某一運動付以特定的步長(旋轉或線性位移)和特定的步數運動,所需的輸入參數為步長(Step Size)和步數(Number of Steps)。  

圖2-5-1  運動驅動的對話框

由于我們只想得到鏟斗轉角與它與動臂鉸點高度之間的關系曲線,所以我們不妨將油缸設為勻速運動。

    三、分析過程

    1、建立數學模型
轉斗油缸和舉升油缸的運動曲線如下圖所示:

圖3-1-1轉斗油缸和舉升油缸的運動曲線

圖中橫坐標代表時間t單位是s;縱坐標代表油缸中活塞的位移單位是mm。

觀察以上曲線可以看出整個循環過程左右對稱,總時間26秒,可以僅分析前13秒,后面的運動參數可由前半部分鏡像得出;

數學模型就是運動參數之間的函數關系。函數是集合之間的映射。每一函數都有它的對應規則,這些規則的表現方法至少有三種:表達式、圖形、數表。以上轉斗油缸和舉升油缸的運動曲線就是一種圖形函數關系。圖形函數關系比較直觀,是分析的基礎,下面就利用這種直觀的圖形函數關系建立UGNX能接受并進行解算的運動函數的表達式。

轉斗油缸驅動函數為四段分段函數,對于大于兩段的分段函數,可采用if語句編寫“if(time-1.55:100*time,155,if(time-10:155,155,if(time-12.45:155-100*(time-10),-90,-90)))”。

    if語句是運動函數中的條件分支語句。它能將程序的執行路徑分為兩條。if語句的完整格式如下:
        if (condition) statement1;
        else statement2;
        其中,if和else的對象都是單個語句(statement ),也可以是程序塊。條件condition 可以是任何返回布爾值的表達式。else子句是可選的。
    if語句的執行過程如下:如果條件為真,就執行if的對象(statement1 );否則,執行else 的對象(statement2 )。
        if語句用流程圖來表示如下圖:

圖3-1-2 if語句流程圖

舉升油缸驅動函數為兩段分段函數,可直接調用step函數“STEP( time, 1.8, 0, 9.86, 806)”。所謂階梯函數,顧名思義,是在一組子區間(定義域的一個分割)內各區間都是常數。

當從運動付(Joints)對話框的運動驅動(Motion Driver)選項中選擇一般運動函數(General),則對話框中的函數輸入欄及函數編輯部分被激活,見圖3-1-3運動付對話框。

    3-1-3 運動付對話框

選擇General激活函數(Function)下拉列表框,單擊函數編輯器按鈕,彈出函數編輯器,見圖3-1-4函數編輯器。

    3-1-4 函數編輯器
函數編輯器(Function Editor)是創建運動函數的交互式對話框。當使用ADAMS解算器的運動函數或其他高級數學功能時,本對話框非常有用。

    2、ADAMS解算器
UGNX運動仿真模塊內嵌了ADAMS解算器。ADAMS,即機械系統動力學自動分析(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems),該軟件是美國MDI公司(Mechanical Dynamics Inc.)開發的虛擬樣機分析軟件。ADAMS軟件使用交互式圖形環境和零件庫、約束庫、力庫,創建完全參數化的機械系統幾何模型,其求解器采用多剛體系統動力學理論中的拉格郎日方程方法,建立系統動力學方程,對虛擬機械系統進行靜力學、運動學和動力學分析,輸出位移、速度、加速度和反作用力曲線。ADAMS軟件的仿真可用于預測機械系統的性能、運動范圍、碰撞檢測、峰值載荷以及計算有限元的輸入載荷等。

執行“動畫”命令解算器開始解算。算完之后,系統會跳出下圖所示提示,指出哪些鉸點處的自由度欠約束,因為此機構為平面機構,所以在垂直屏幕方向的自由度,不需要計算,可忽略該提示。

    四、圖表分析
    1、電子表格(spreadsheet)
當機構作關節運動或運動仿真分析時,內部即生成一組輸出數據表,并駐留在UG內部以便以后利用。在一個關節運動或運動仿真分析進程中,該數據表連續記錄數據。而在每一個新的分析進程則重新記錄數據。

當調用數據表進行觀察時,該數據表顯示一組行列表,每一行數據表示關節運動或運動仿真分析的一步。表格中的一列數據代表機構中每個驅動運動付的位移,見圖4-1-1。運動過程中獲得的電子表格(spreadsheet)設置輸出變量:解算完成之后選擇,生成圖表,將我們所關心的鏟斗與動臂連接的鉸點(jiont45)的Y坐標方向的位移及該鉸點的絕對轉角幅值作偽輸出變量,輸出到電子表格中。

圖4-1-1 jiont45鉸點的解算數據表

    2、繪制圖表(graphing)
    圖表功能(Graphing)生成電子表格數據庫并繪出下列仿真結果:位移(Displacement)、速度(Velocity)、加速度(Acceleration)和力(Force)。圖表功能是從運動仿真分析中提取這些信息的惟一方法。

    與電子表格功能不同(電子表格需要作關節運動或運動仿真分析處理才能生成分析結果數據庫),而圖表功能本身即是一個獨立運動仿真處理器。

    有兩種方式可以進入圖表功能:
    ① 從Analysis工具條中選擇Graphing圖標 。
    ② 從下拉式菜單中選擇AnalysisàMotionàGraphing,打開分析選項對話框,見圖4-2-1。

圖4-2-1  分析選項對話框

以分析1.8秒到9.86秒的舉升過程為例,截取感興趣的部分表格數據,繪制曲線圖如下:

    上圖即為整個機構,在舉升過程中,轉斗和地面之間的夾角與鏟斗離地面高度之間的對應關系。

3、分析結果:得出了以上的曲線之后,就可以對整套工作裝置在舉升過程中的運動特性進行較為精確的分析了。
(1)舉升過程描述:在離地面高度小于1200mm時,鏟斗轉動角度變化較大,有利于鏟斗裝載物料,在離地高度大于1200mm時,鏟斗完成裝載,離開料堆,進入舉升階段,這時鏟斗幾乎保持平動,轉角變化不大于5°,這樣使鏟斗在運動過程中不會由于轉動而將物料灑落。
(2)可以按照此曲線較為精確地檢索在某一高度上鏟斗和地面之間的夾角;
(3)采用同樣的方法,改變機構中,某個或某些連桿的長度,角度等物理特性,得到不同的曲線,比較他們之間的差異,再根據實際工況的要求,找出各自的優缺點,選出最優的運動方案。分析結果可以指導修改零件的結構設計,如加長或縮短油缸、活塞長度、修改、調整工作周期。設計的更改可以反映在裝配主模型的復制品:分析方案(Scenario)中,再重新分析,一旦確定優化的設計方案,設計更改就可直接反映到裝配主模型中。

4、動畫輸出:在最終確定的方案場景名稱上右鍵單擊,選擇輸出動畫。輸出的動畫文件與UG不關聯,可以獨立地用其它軟件編輯,播放。

    參考資料
    1、洪如瑾編著,《UGNX2CAD快速入門指導》,清華大學出版社,2004/9。
    2、胡小康編譯,《UGNX2運動分析培訓教程》,清華大學出版社,2005/1。

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