裝載機(jī)工作機(jī)構(gòu)運動分析

2013-06-23  by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-www.br5w05v.cn  來源:仿真在線

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根據(jù)特殊需要用戶化設(shè)計裝載機(jī)工作機(jī)構(gòu)。應(yīng)用UGNX內(nèi)嵌的ADAMS解算器,自動生成裝載機(jī)工作機(jī)構(gòu)動力學(xué)數(shù)字化虛擬樣機(jī)模型,提供工作方案論證、詳細(xì)設(shè)計、方案修改、優(yōu)化全方位、高精度的仿真計算分析結(jié)果,從而達(dá)到縮短產(chǎn)品開發(fā)周期、降低開發(fā)成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量及競爭力的目的。

前言:我國裝載機(jī)始于1960年,至今已經(jīng)歷了三個發(fā)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(shù)引進(jìn)、合資合作發(fā)展階段。全國裝載機(jī)產(chǎn)品二十年內(nèi)增長41.1倍。在全國機(jī)械產(chǎn)品中,成為重要代表產(chǎn)品,令世人矚目。世界上工程車輛的工作機(jī)構(gòu)有六十多種,根據(jù)特殊需要用戶化設(shè)計裝載機(jī)工作裝置,核心技術(shù)是建立機(jī)構(gòu)運動的數(shù)學(xué)模型,用運動函數(shù)編寫NX能執(zhí)行的表達(dá)式,熟練應(yīng)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(chǎn)品制造出之前,就可以發(fā)現(xiàn)并更正設(shè)計錯誤,完善設(shè)計方案,在產(chǎn)品開發(fā)過程中,減少所需的物理樣機(jī)數(shù)量,縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期。

    一、工作要求
    1、裝載機(jī)的工作條件
裝載機(jī)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(jìn)行輕度鏟掘作業(yè)。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(yè)。由于它具有作業(yè)速度快,機(jī)動性好,操作輕便等優(yōu)點,因而發(fā)展很快,成為土石方施工中的主要機(jī)械。

裝載機(jī)進(jìn)行施工作業(yè)時須與自卸汽車配合,故在施工中裝載機(jī)的轉(zhuǎn)移、卸料以及與車輛位置的配合好壞都對作業(yè)效率影響很大,因此,必須合理地組織施工。裝載機(jī)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(jī)構(gòu)的運動要求:
首先我們建立工作機(jī)構(gòu)的力學(xué)模型:八連桿機(jī)構(gòu)。

自左至右依次為:鏟斗、動臂、拉桿、搖臂、轉(zhuǎn)斗缸活塞桿、轉(zhuǎn)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(shè)置,它不參與運動。
一個完整的工作循環(huán)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(chuàng)建運動模型
1、實體建模:按照產(chǎn)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(guān)系和位置關(guān)系組合在一起的實體。為了建立一個好的零件或產(chǎn)品模型,減少模型編輯過程中相關(guān)更新時出現(xiàn)的錯誤幾率,根據(jù)零件或產(chǎn)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(guān)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(xì)節(jié),例如墊片、防塵圈、軸套甚至銷軸等。與產(chǎn)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(shù)據(jù)“復(fù)制”或“移動”過來,而只是建立裝配模型與被應(yīng)用零件(或部件)模型文件之間的引用(或鏈接)關(guān)系,即有一個指針從裝配模型指向被應(yīng)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(shè)置連桿:將相互之間沒有相對運動的部件,包括部件內(nèi)部設(shè)置的一些參考曲線在內(nèi),一起設(shè)在同一根連桿上;可以認(rèn)為機(jī)構(gòu)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(chuàng)建機(jī)構(gòu)分析方案的第一步是創(chuàng)建連桿。
 
創(chuàng)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(biāo),見圖2-3-2。彈出創(chuàng)建連桿(Link)對話框,見圖2-3-3。

圖2-3-1設(shè)置連桿

圖2-3-2  連桿和運動付工具條

圖2-3-3創(chuàng)建連桿對話框

    創(chuàng)建連桿對話框?qū)@示連桿默認(rèn)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(shè)置運動副:本套機(jī)構(gòu)主要用到旋轉(zhuǎn)付和滑動付;創(chuàng)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(biāo)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(chuàng)建過程。圖2-4-2為從模型中隱藏了連桿層,剩下了裝載機(jī)工作機(jī)構(gòu)的運動付。

圖2-4-2裝載機(jī)工作機(jī)構(gòu)的運動付

5、設(shè)置運動驅(qū)動:這是一個平面運動機(jī)構(gòu),運動動力來自兩組油缸(兩支舉升油缸,兩支轉(zhuǎn)斗油缸)通過油缸伸縮,完成裝載,卸料工作。
運動驅(qū)動是賦在運動付上控制運動的運動付參數(shù)。當(dāng)創(chuàng)建或編輯調(diào)用一個運動付時,就會彈出運動驅(qū)動對話框,見圖2-5-1。

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

    (2)運動函數(shù)
    運動函數(shù)(Motion Function)是描述復(fù)雜運動驅(qū)動的數(shù)學(xué)函數(shù)。這里有一個階梯(STEP)函數(shù)的例子,運動付直接按時間和位移之間的相互關(guān)系運動,如當(dāng)時間t1=0
    位移x1=0;當(dāng)時間t2=5,位移x2=20。則描述此運動的數(shù)學(xué)函數(shù)為:STEP (TIME,0,0,5,20)

    (3)恒定驅(qū)動
恒定驅(qū)動(Constant Driver)設(shè)置某一運動付為等常運動(旋轉(zhuǎn)或線性位移),所需的輸入?yún)?shù)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(qū)動
簡諧運動驅(qū)動(Harmonic Driver)產(chǎn)生一個光滑的向前或向后的正弦運動。所需的輸入?yún)?shù)是振幅(Amplitude)、頻率(Frequency)、相位角(Phase Angle)和位移(Displacement)。

    (5)關(guān)節(jié)運動驅(qū)動
關(guān)節(jié)運動驅(qū)動(Articulation Driver)設(shè)某一運動付以特定的步長(旋轉(zhuǎn)或線性位移)和特定的步數(shù)運動,所需的輸入?yún)?shù)為步長(Step Size)和步數(shù)(Number of Steps)。  

圖2-5-1  運動驅(qū)動的對話框

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

    三、分析過程

    1、建立數(shù)學(xué)模型
轉(zhuǎn)斗油缸和舉升油缸的運動曲線如下圖所示:

圖3-1-1轉(zhuǎn)斗油缸和舉升油缸的運動曲線

圖中橫坐標(biāo)代表時間t單位是s;縱坐標(biāo)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(huán)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(shù)可由前半部分鏡像得出;

數(shù)學(xué)模型就是運動參數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系。函數(shù)是集合之間的映射。每一函數(shù)都有它的對應(yīng)規(guī)則,這些規(guī)則的表現(xiàn)方法至少有三種:表達(dá)式、圖形、數(shù)表。以上轉(zhuǎn)斗油缸和舉升油缸的運動曲線就是一種圖形函數(shù)關(guān)系。圖形函數(shù)關(guān)系比較直觀,是分析的基礎(chǔ),下面就利用這種直觀的圖形函數(shù)關(guān)系建立UGNX能接受并進(jìn)行解算的運動函數(shù)的表達(dá)式。

轉(zhuǎn)斗油缸驅(qū)動函數(shù)為四段分段函數(shù),對于大于兩段的分段函數(shù),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(shù)中的條件分支語句。它能將程序的執(zhí)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(dá)式。else子句是可選的。
    if語句的執(zhí)行過程如下:如果條件為真,就執(zhí)行if的對象(statement1 );否則,執(zhí)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(qū)動函數(shù)為兩段分段函數(shù),可直接調(diào)用step函數(shù)“STEP( time, 1.8, 0, 9.86, 806)”。所謂階梯函數(shù),顧名思義,是在一組子區(qū)間(定義域的一個分割)內(nèi)各區(qū)間都是常數(shù)。

當(dāng)從運動付(Joints)對話框的運動驅(qū)動(Motion Driver)選項中選擇一般運動函數(shù)(General),則對話框中的函數(shù)輸入欄及函數(shù)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(shù)(Function)下拉列表框,單擊函數(shù)編輯器按鈕,彈出函數(shù)編輯器,見圖3-1-4函數(shù)編輯器。

    3-1-4 函數(shù)編輯器
函數(shù)編輯器(Function Editor)是創(chuàng)建運動函數(shù)的交互式對話框。當(dāng)使用ADAMS解算器的運動函數(shù)或其他高級數(shù)學(xué)功能時,本對話框非常有用。

    2、ADAMS解算器
UGNX運動仿真模塊內(nèi)嵌了ADAMS解算器。ADAMS,即機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)自動分析(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems),該軟件是美國MDI公司(Mechanical Dynamics Inc.)開發(fā)的虛擬樣機(jī)分析軟件。ADAMS軟件使用交互式圖形環(huán)境和零件庫、約束庫、力庫,創(chuàng)建完全參數(shù)化的機(jī)械系統(tǒng)幾何模型,其求解器采用多剛體系統(tǒng)動力學(xué)理論中的拉格郎日方程方法,建立系統(tǒng)動力學(xué)方程,對虛擬機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行靜力學(xué)、運動學(xué)和動力學(xué)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(yù)測機(jī)械系統(tǒng)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(zhí)行“動畫”命令解算器開始解算。算完之后,系統(tǒng)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(jī)構(gòu)為平面機(jī)構(gòu),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(dāng)機(jī)構(gòu)作關(guān)節(jié)運動或運動仿真分析時,內(nèi)部即生成一組輸出數(shù)據(jù)表,并駐留在UG內(nèi)部以便以后利用。在一個關(guān)節(jié)運動或運動仿真分析進(jìn)程中,該數(shù)據(jù)表連續(xù)記錄數(shù)據(jù)。而在每一個新的分析進(jìn)程則重新記錄數(shù)據(jù)。

當(dāng)調(diào)用數(shù)據(jù)表進(jìn)行觀察時,該數(shù)據(jù)表顯示一組行列表,每一行數(shù)據(jù)表示關(guān)節(jié)運動或運動仿真分析的一步。表格中的一列數(shù)據(jù)代表機(jī)構(gòu)中每個驅(qū)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(shè)置輸出變量:解算完成之后選擇,生成圖表,將我們所關(guān)心的鏟斗與動臂連接的鉸點(jiont45)的Y坐標(biāo)方向的位移及該鉸點的絕對轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)表

    2、繪制圖表(graphing)
    圖表功能(Graphing)生成電子表格數(shù)據(jù)庫并繪出下列仿真結(jié)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(guān)節(jié)運動或運動仿真分析處理才能生成分析結(jié)果數(shù)據(jù)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(jìn)入圖表功能:
    ① 從Analysis工具條中選擇Graphing圖標(biāo) 。
    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(shù)據(jù),繪制曲線圖如下:

    上圖即為整個機(jī)構(gòu),在舉升過程中,轉(zhuǎn)斗和地面之間的夾角與鏟斗離地面高度之間的對應(yīng)關(guān)系。

3、分析結(jié)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(jìn)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(zhuǎn)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(jìn)入舉升階段,這時鏟斗幾乎保持平動,轉(zhuǎn)角變化不大于5°,這樣使鏟斗在運動過程中不會由于轉(zhuǎn)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(jī)構(gòu)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(jù)實際工況的要求,找出各自的優(yōu)缺點,選出最優(yōu)的運動方案。分析結(jié)果可以指導(dǎo)修改零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計,如加長或縮短油缸、活塞長度、修改、調(diào)整工作周期。設(shè)計的更改可以反映在裝配主模型的復(fù)制品:分析方案(Scenario)中,再重新分析,一旦確定優(yōu)化的設(shè)計方案,設(shè)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(guān)聯(lián),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(dǎo)》,清華大學(xué)出版社,2004/9。
    2、胡小康編譯,《UGNX2運動分析培訓(xùn)教程》,清華大學(xué)出版社,2005/1。

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