基于SolidWorks和Adams的翻料機(jī)沖擊研究

徐志楊，蔡 琳，李春茂，蔣海江

（1. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，徐州 221116；2. 江西新余學(xué)院 現(xiàn)代教育技術(shù)中心，新余 338004；3. 天津市渤海裝備新世紀(jì)機(jī)械制造公司，天津 300280；4. 云南省小龍?zhí)兜V務(wù)局，開遠(yuǎn) 661601）

基于SolidWorks和Adams的翻料機(jī)沖擊研究

徐志楊1，蔡 琳2，李春茂3，蔣海江4

（1. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，徐州 221116；2. 江西新余學(xué)院 現(xiàn)代教育技術(shù)中心，新余 338004；3. 天津市渤海裝備新世紀(jì)機(jī)械制造公司，天津 300280；4. 云南省小龍?zhí)兜V務(wù)局，開遠(yuǎn) 661601）

利用ADAMS軟件建立半自動(dòng)液壓式翻料機(jī)的數(shù)字化虛擬平臺(tái)，對(duì)翻料機(jī)的落料口進(jìn)行柔性化建模，按ADAMS中沖擊函數(shù)模型進(jìn)行虛擬沖擊，得出建模的抗沖擊極限。此方法可以簡(jiǎn)化機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開發(fā)過程，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，減少費(fèi)用和成本，獲得最優(yōu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)產(chǎn)品。

ADAMS；沖擊；計(jì)算機(jī)仿真；虛擬樣機(jī)

0 引言

設(shè)備抗沖擊包括設(shè)備本身的抗沖擊性能和沖擊隔離技術(shù)兩個(gè)方面。國(guó)內(nèi)外絕大部分文獻(xiàn)都是關(guān)于設(shè)備振動(dòng)隔離器的研究，設(shè)備本身抗沖擊性能相關(guān)的研究基本上是關(guān)于靜態(tài)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變分析，而動(dòng)力設(shè)備的仿真和試驗(yàn)研究幾乎沒有[1]。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，仿真技術(shù)在翻料機(jī)抗沖擊強(qiáng)度的計(jì)算方面發(fā)揮的作用越來越大， 著名的虛擬樣機(jī)技術(shù)-ADAMS機(jī)械動(dòng)力學(xué)仿真軟件，在靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)上有著很強(qiáng)的分析能力，對(duì)沖擊、碰撞過程具有一定的捕捉分析能力，可以配合試驗(yàn)獲得一些僅靠試驗(yàn)不能得到的實(shí)用性強(qiáng)的技術(shù)數(shù)據(jù)。翻料機(jī)主要用于大、中型模具的翻轉(zhuǎn)，港口鋼卷的翻轉(zhuǎn)，熱處理大中型工件的翻轉(zhuǎn)等，以降低操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，避免意外危險(xiǎn)損壞工件和危及操作人員的人身安全。

1 翻料機(jī)沖擊強(qiáng)度模型系統(tǒng)的建立

利用SolidWorks軟件對(duì)半自動(dòng)液壓式翻料機(jī)進(jìn)行精確的三維實(shí)體模型繪制。為了能完整地表征翻料機(jī)的動(dòng)力學(xué)特性，首先將裝配圖另存為‘*。part’零件格式，通過SolidWorks自帶‘合并’命令將兩兩位置不變的構(gòu)件定義成一個(gè)剛體，并去掉不必要的機(jī)構(gòu)，如，將支架、前臂合并，去掉電控箱、電液泵和連接線路等，這樣翻料機(jī)就簡(jiǎn)化為7個(gè)剛體。

翻料機(jī)落料口的柔性體模型即是在仿真分析過程中將落料口視為彈性變形體，要在多體動(dòng)力學(xué)分析中建立落料口的柔性體，必須先對(duì)落料口進(jìn)行有限元分析。利用有限元軟件進(jìn)行10節(jié)點(diǎn)四面體單元網(wǎng)格劃分，共8882個(gè)單元，18266個(gè)節(jié)點(diǎn)，得到其各階振型和固有頻率，如圖1-圖4所示。

圖1 落料口一階振型（頻率11.27Hz）

落料口需要予以重視的振動(dòng)固有頻率都比較低，300 Hz以內(nèi)的振型可以比較全面地描述落料口的動(dòng)態(tài)特性。

圖4 落料口四階振型（頻率146.47Hz）

由于ADAMS的核心文件格式是Para solid格式，所以把在SOLIDWORKS生成的翻料機(jī)模型轉(zhuǎn)換成Para solid格式就可以了， 將模型文件導(dǎo)入到ADAMS軟件中，底座視為剛體固定在地面上，各部件之間以運(yùn)動(dòng)副聯(lián)接。然后用在ANSYS中生成的柔性落料口(即模態(tài)中性文件)代替剛性落料口，方法是把柔性落料口移動(dòng)到剛性落料口的位置，再將連接關(guān)系進(jìn)行修改[2]。

然后再對(duì)轉(zhuǎn)換過來的翻料機(jī)模型重新設(shè)置材料特性，添加各種約束，修改某些不合理的部分，得到最終的翻料機(jī)模型，如圖5所示。

2 ADAMS中翻料機(jī)虛擬沖擊

圖5 翻料機(jī)虛擬樣機(jī)

ADAMS中將構(gòu)件看作是剛體，因此兩個(gè)構(gòu)件接觸時(shí)不允許產(chǎn)生相互穿透，在數(shù)學(xué)上用不等式條件表示。處理這種約束條件的方法通常采用拉格朗日算子法或懲罰函數(shù)法。懲罰函數(shù)法具有簡(jiǎn)單、不增加附加方程與附加變量的優(yōu)點(diǎn)；特別是它適合處理不連續(xù)型接觸問題；而且，容易用彈簧這種物理模型來解釋。因此，ADAMS采用懲罰函數(shù)法來建立接觸約束模型[3]。

在兩物體接觸面上存在著接觸面法向力(沖擊力或接觸力)和接觸面切向力(摩擦力)兩種作用。當(dāng)接觸不連續(xù)時(shí)產(chǎn)生的接觸法向力就是沖擊力。由于摩擦力本身也是非常復(fù)雜的問題，ADAMS中對(duì)它作了簡(jiǎn)化，采用比較簡(jiǎn)單的庫(kù)侖摩擦力模型來計(jì)算。本文對(duì)此不作詳細(xì)討論，而集中在法向力上。

沖擊函數(shù)模型用位移、速度來定義接觸力，它可以用在連續(xù)型接觸和不連續(xù)型接觸兩種情況上；而且，剛度k與材料特性相關(guān)物理意義明顯；當(dāng)剛度取值較大造成收斂困難時(shí)，可以通過調(diào)整穿透深度來改善收斂，計(jì)算比較穩(wěn)定。所以計(jì)算沖擊力時(shí)要采用該模型[4]。

ADAMS中沖擊函數(shù)模型用一個(gè)彈簧一阻尼模型來表示，沖擊力函數(shù)表示為：

式中：

k——彈簧剛度；

e——形狀指數(shù)，對(duì)于接觸的兩個(gè)構(gòu)件都是鋼材料時(shí)，e選取1.5；

dmax——最大允許穿透深度，數(shù)值上一般為剛度值的0.01%—0.1%；

cmax——當(dāng)達(dá)到最大穿透深度時(shí)所應(yīng)用的最大阻尼值。

一般鋼結(jié)構(gòu)阻尼系數(shù)可按如下規(guī)律選?。翰牧喜捎镁€性模型，構(gòu)件工作在彈性階段，阻尼系數(shù)取0.02～0.05，當(dāng)應(yīng)力較小時(shí)取偏小值，應(yīng)力較大時(shí)取偏大值；采用線性模型，構(gòu)件工作在彈塑性階段，阻尼系數(shù)取0.1～0.2，進(jìn)入塑性化程度較淺時(shí)取小值，進(jìn)入塑性化程度較深時(shí)取大值。 如果材料采用非線性模型，阻尼系數(shù)取0.01。此處設(shè)置其阻尼為0.035 N ·s ·mm-1。

剛度k的數(shù)值是相接觸的兩個(gè)構(gòu)件剛度的綜合值。理論上k的數(shù)值可以參考接觸力學(xué)文獻(xiàn)計(jì)算[5]。在初始仿真時(shí)也可以按下面的公式估算：

物料沖擊發(fā)生在t=0.3s，此時(shí)速度約為2.826m/s，物料重量為145.92kg，計(jì)算的k為114249N/m，如圖6，圖7所示。

對(duì)翻料機(jī)實(shí)施虛擬沖擊，調(diào)用接觸沖擊力函數(shù)，在Adams中分析得圖8s，最大沖擊力為37689.8N，遠(yuǎn)小于落料口的屈服極限，即落料口可承受的該沖擊。通過樣機(jī)試驗(yàn)，也證明該結(jié)構(gòu)可承受能夠可靠的承受沖擊。

3 結(jié)論

1）基于多體動(dòng)力學(xué)所建的翻料機(jī)仿真模型的抗沖擊模型是可靠的 ，其結(jié)果是可用的。

2）利用沖擊函數(shù)模型對(duì)落料口的抗沖擊強(qiáng)度特性進(jìn)行了仿真，落料口的強(qiáng)度在額定工況下在其屈服極限內(nèi)。

3）由于未考慮摩擦等因素，模型中落料口的強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果要小于實(shí)際結(jié)果。

4）應(yīng)用多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論、 有限元模態(tài)分析方法， 對(duì)翻料機(jī)落料口沖擊強(qiáng)度作了仿真分析，可以簡(jiǎn)化翻料機(jī)的設(shè)計(jì)開發(fā)過程，減少開發(fā)成本。

圖6 沖擊構(gòu)件前速度

圖7 物料沖擊構(gòu)件后速度

圖8 物料沖擊構(gòu)件時(shí)加速度

[1] 吳問鮑. 翻料機(jī)抗沖擊性能仿真[J]. 船海工程, 2010,39(1).

[2] 西雅, 孟翔. 基于ADAMS的汽車座椅沖擊強(qiáng)度的仿真研[J]. 陜西科技大學(xué)學(xué)報(bào), 2009, 25(2)： 100-104.

[3] MSC ADAMS Users' Guide [DB/OL].

[4] 裴未遲, 李耀剛, 李運(yùn)紅, 等. 基于虛擬樣機(jī)技術(shù)—ADAMS的沖擊力模型[J]. 理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2007, 30(4)： 59-63.

[5] k L Jolm. On Contact Mechanics[M]. the Press Syndicate of the University of Cambridge.

Research on impact simulation of upender based on ADAMS and SolidWorks

XU Zhi-yang1, CAI Lin2, LI Chun-mao3, JIANG Hai-jiang4

TH117

A

1009-0134(2011)5(下)-0103-03

10.3969/j.issn.1009-0134.2011.5(下).31

2010-11-26

徐志楊（1988－），男，山東濰坊人，在讀研究生，研究方向?yàn)闄C(jī)械制造及自動(dòng)化。