基于ADAMS抓斗挖泥船吊臂剛?cè)峄旌夏Ｐ蛣討B(tài)特性研究*

肖新華 徐賜軍 蔣超平

(1湖北理工學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，湖北黃石435003;2三一集團(tuán)，湖南長沙410000)

建立抓斗挖泥船吊臂動力學(xué)仿真模型，對抓斗挖泥船吊臂進(jìn)行仿真分析，為抓斗挖泥船的吊臂設(shè)計提供依據(jù)，促進(jìn)大型抓斗挖泥船的吊臂設(shè)計和建造技術(shù)的發(fā)展，提升行業(yè)水平，滿足清淤治理工程的需求。構(gòu)件的模態(tài)是構(gòu)件本身的一個固有物理屬性［1］，一個構(gòu)件一旦制造出來，它的模態(tài)就是自身的一種屬性。在將一個構(gòu)件離散成有限元模型時，要對每個單元和節(jié)點(diǎn)進(jìn)行編號，以便將節(jié)點(diǎn)的位移按照編號組成一個矢量，該矢量可以由多個最基本且相互垂直的同維矢量通過線性組合得到，最基本的矢量就是構(gòu)件的模態(tài)。

本文在有限元分析軟件MSC.Nastran中建立吊臂的有限元模型，并進(jìn)行模態(tài)分析，獲得相應(yīng)的模態(tài)參數(shù)，得到吊臂模態(tài)中性文件，為抓斗挖泥船剛?cè)峄旌夏Ｐ偷慕⒌於ɑA(chǔ)。

1 吊臂模態(tài)分析

MSC.Nastran軟件是一個具有高度可靠性的結(jié)構(gòu)有限元分析軟件，其功能覆蓋了絕大多數(shù)工程應(yīng)用領(lǐng)域，并為用戶提供了方便的模塊化功能選項(xiàng)。MSC.Nastran軟件的主要功能模塊有:基本分析模塊(含靜力、模態(tài)、屈曲、熱應(yīng)力等)、動力學(xué)分析模塊、非線性分析模塊、優(yōu)化模塊、DMAP用戶開發(fā)工具模塊及高級對稱分析模塊。除模塊化外，MSC.Nastran軟件還按解題規(guī)模分成10 000節(jié)點(diǎn)到無限節(jié)點(diǎn)，用戶引進(jìn)時可根據(jù)自身的經(jīng)費(fèi)狀況和功能需求靈活地選擇不同的模塊和不同的解題規(guī)模，以最小的經(jīng)濟(jì)投入取得最大的經(jīng)濟(jì)效益。

在MSC.Nastran軟件中求得吊臂的前10階模態(tài)，并自動生成網(wǎng)格，劃分網(wǎng)格，劃分網(wǎng)格后的吊臂有限元模型如圖1所示。各階模態(tài)對相應(yīng)的貢獻(xiàn)量不同，貢獻(xiàn)量與激勵的頻率及結(jié)構(gòu)有關(guān)，一般情況低階模態(tài)比高階模態(tài)貢獻(xiàn)量大。通常，模態(tài)的貢獻(xiàn)量隨頻率的增加而減小，結(jié)構(gòu)中只有少數(shù)較低的模態(tài)容易被激發(fā)，高階模態(tài)不易被激發(fā)。

圖1 吊臂有限元模型

本文采用最簡單的模態(tài)截斷法，直接對構(gòu)件的模態(tài)進(jìn)行截斷，除去高階模態(tài)，提取前10階模態(tài)［2］，模態(tài)分析結(jié)果如表1所示。由表1可以看出，抓斗挖泥船的柔性吊臂在較低頻率范圍內(nèi)包含了較多的模態(tài)，這進(jìn)一步表明吊臂柔性對抓斗挖泥船動態(tài)特性有很大的影響，因此吊臂柔性不容忽視。

表1 模態(tài)分析結(jié)果

吊臂有限元建模是指在對吊臂進(jìn)行有限元建模時對吊臂結(jié)構(gòu)作如下簡化:去除對整體動態(tài)特性影響不大的小筋板。吊臂頭部剛度與吊臂整體相比大很多，所以將吊臂頭部視為剛體處理，將吊臂頭部去掉，對余下部分進(jìn)行柔性化，最后在ADAMS環(huán)境下通過外聯(lián)節(jié)點(diǎn)將其與頭部再連接起來。同時對單元及材料參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，定義材料特性，比如密度、泊松比、彈性模量等，再選擇適當(dāng)?shù)膯卧愋蛠韯澐志W(wǎng)格。定義材料特性時應(yīng)注意各個物理量的單位，由于有限元軟件 MSC.Patran中沒有單位的概念，因此需要在同一個問題中將各物理量的單位統(tǒng)一。

2 柔性體生成與剛?cè)峄旌夏Ｐ偷臉?gòu)建

吊臂的模態(tài)分析過程與一般模態(tài)分析過程相比有幾個需要特別注意的地方:一方面在有限元模型建立過程中必須注意柔性體部件與其他外部構(gòu)件之間的連接問題，一般采用建立外聯(lián)節(jié)點(diǎn)的方法來實(shí)現(xiàn)，在ADAMS軟件中通過外聯(lián)節(jié)點(diǎn)對吊臂和與其相連的剛體之間定義約束和施加載荷;另外在開始模態(tài)分析之前還需要對ADAMS軟件輸出作相關(guān)特殊設(shè)置，以確保輸出正常的MNF文件，否則MNF文件導(dǎo)入ADAMS軟件后零件尺寸會被放大，與實(shí)際不相符。替換后的吊臂柔性體如圖2所示，從圖2可以看出在外聯(lián)節(jié)點(diǎn)處自動生成了相應(yīng)的MARK，它用來添加約束和加載［3］。

圖2 吊臂柔性體

柔性體加載后除了添加約束和施加載荷外，還需進(jìn)行編輯。柔性體沒有質(zhì)量和慣性矩的概念，因此不需要給柔性體賦予質(zhì)量信息，對柔性體最大的編輯就是決定使用哪階模態(tài)參與運(yùn)算。在模態(tài)初始狀況對話框中可以先選中某階模態(tài)，然后使其失效或激活，也可以使某個范圍內(nèi)的模態(tài)失效或激活。

吊臂模態(tài) MSC.Nastran計算結(jié)果及其向ADAMS軟件轉(zhuǎn)換結(jié)果如表2所示，通過查看模態(tài)的振型，決定哪些模態(tài)對計算結(jié)果不作貢獻(xiàn)，然后使其失效，以便在不影響仿真結(jié)果的基礎(chǔ)上減少仿真時間。

表2 吊臂模態(tài)MSC.Nastran計算結(jié)果及其向ADAMS轉(zhuǎn)換結(jié)果

3 抓斗挖泥船剛?cè)峄旌蟿討B(tài)特性分析

將吊臂柔性化后得到抓斗挖泥船剛?cè)峄旌戏抡婺Ｐ?，在考慮吊臂彈性特性的基礎(chǔ)上對抓斗挖泥船進(jìn)行仿真分析，分析吊臂柔性對抓斗挖泥船動態(tài)特性的影響。

3.1 標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)動態(tài)特性分析

吊臂鉸點(diǎn)力、抓斗在船舶縱向平面內(nèi)擺角和抓斗在船舶橫向平面內(nèi)擺角分別如圖3～5所示。對比多剛體動力學(xué)分析結(jié)果，不難發(fā)現(xiàn)在抓斗啟動后幾秒內(nèi)和從第 20 s開始直至結(jié)束，鋼絲繩張力二者基本一致，但從第5 s到第20 s之間卻出現(xiàn)了較大的差異，這表明吊臂柔性對這一階段有顯著影響。吊臂鉸點(diǎn)力的情形與鋼絲繩張力類似。抓斗擺角的峰值與前面結(jié)果基本一致，但曲線規(guī)律有了變化。從開始到第40 s，抓斗在船舶橫向平面內(nèi)擺角趨于平緩;從第40 s到第80 s，抓斗在船舶縱向平面內(nèi)擺角趨于平緩［4］。表明吊臂運(yùn)動與抓斗運(yùn)動的耦合使抓斗擺角更加緩和，也進(jìn)一步說明了吊臂柔性對挖泥船抓斗機(jī)動態(tài)特性的影響不容忽視。

圖3 吊臂鉸點(diǎn)力

圖4 抓斗在船舶縱向平面內(nèi)擺角

圖5 抓斗在船舶橫向平面內(nèi)擺角

3.2 吊臂俯仰動態(tài)特性分析

抓斗在船舶縱向平面內(nèi)擺角和鋼絲繩張力分別如圖6～7所示。對比多剛體動力學(xué)分析結(jié)果，抓斗在2個平面內(nèi)的擺角與吊臂柔性化前基本一致，幅值略有增大。吊臂鉸點(diǎn)力和鋼絲繩張力幅值與吊臂柔性化前基本一致，但變化趨勢有些差異。

圖6 抓斗在船舶縱向平面內(nèi)擺角

圖7 鋼絲繩張力

4 結(jié)論

本文分析了在ADAMS軟件環(huán)境下柔性體生成方法，通過對吊臂進(jìn)行模態(tài)分析并將其柔性化，在此基礎(chǔ)上建立起抓斗挖泥船剛?cè)峄旌戏抡婺Ｐ?。對多個典型工況進(jìn)行了仿真分析，并與多剛體動力學(xué)仿真分析結(jié)果進(jìn)行了對比，發(fā)現(xiàn)吊臂柔性對抓斗在2個平面內(nèi)的擺角影響很小，而對吊臂鉸點(diǎn)力和鋼絲繩張力有較大的影響。

［1］ 余龍，王娟.半潛式平臺深水錨泊系統(tǒng)三維時域動力分析［J］.中國海洋平臺，2007(6):34－37

［2］ 楊寶林.基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的船用起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)動力學(xué)仿真［D］.武漢:武漢理工大學(xué)，2008

［3］ 蘇文力.基于虛擬樣機(jī)的抓斗卸船機(jī)結(jié)構(gòu)動力學(xué)仿真研究［D］.武漢:武漢理工大學(xué)，2007

［4］ 李建.基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的斗輪挖掘機(jī)動態(tài)性能分析［D］.大連:大連理工大學(xué)，2007