基于ADAMS和AMESim的升降鰭板鎖緊系統(tǒng)特性仿真

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(中船重工集團公司第七〇四研究所，上海 200031)

升降鰭板儀器艙是科學(xué)考察船上的重要設(shè)備，用于安裝和投放各種探測儀器。鰭板在伸出船體不同深度受到的水流沖擊不同，這就要求鎖緊裝置具有自動識別鰭板載荷、并自動平衡這些載荷的功能。另外，鰭板儀器艙內(nèi)部探測設(shè)備有較高的振動噪聲要求，而鎖緊機構(gòu)作為保證其有效可靠鎖緊的裝置，是科考船上具有核心作用的裝備，因而對鎖緊裝置的性能提出了很高的要求。升降鰭板鎖緊機構(gòu)作為保證儀器艙快速有效地鎖緊在所需探測部位的裝置，其重要性不言而喻[1-2]。

升降鰭板鎖緊機構(gòu)由液壓缸運動來驅(qū)動鎖緊機構(gòu)運動從而推動鰭板以使其鎖緊，近年來，對于這類機械液壓相互作用的系統(tǒng)，利用計算機仿真軟件分別對其機械性能和液壓性能所進行的研究有很多，但是將二者結(jié)合起來進行分析的較少。前者往往導(dǎo)致工作機構(gòu)中的驅(qū)動力和液壓系統(tǒng)中的負載不能很好地給定，只能憑經(jīng)驗給出，使研究結(jié)果存在一定偏差。

本文以多體系統(tǒng)動力分析仿真軟件ADAMS為核心，結(jié)合Pro/E中建立的三維模型、有限元分析軟件Nastran柔性化處理軟件對鎖緊系統(tǒng)ADAMS機械裝置建模、運動學(xué)及動力學(xué)性能分析，并建立其剛?cè)峄旌夏Ｐ?，分析各個零部件柔性對整個系統(tǒng)的影響，確定貼近實際情況并利于計算的剛?cè)峄旌夏Ｐ?。在AMESim建立液壓系統(tǒng)模型并驗證其正確性的基礎(chǔ)上[3]，利用ADAMS和AMESim的軟件接口(ADAMS-AMESim Interface)進行實時數(shù)據(jù)傳遞，然后在AMESim中通過工具插件(Import Adams model)加載后建成全系統(tǒng)仿真模型，全系統(tǒng)仿真流程見圖1。

圖1 全系統(tǒng)仿真流程

1 鎖緊系統(tǒng)動力學(xué)模型的建立

對鎖緊系統(tǒng)進行機構(gòu)分析，首先利用Pro/E對其進行三維數(shù)字化建模，再將其傳遞到ADAMS中進行運動學(xué)和動力學(xué)分析。

1.1 三維實體模型

ADAMS中提供的繪圖工具不適合建立較復(fù)雜的三維模型，所以利用Pro/E建立鎖緊系統(tǒng)三維實體模型，見圖2，再將Pro/E模型轉(zhuǎn)換為Parasolid(*x_t)格式，然后通過ADAMS中的ADAMS/Exchange模塊導(dǎo)入到ADAMS。

圖2 鎖緊系統(tǒng)三維實體模型

1.2 動力學(xué)模型

將模型導(dǎo)入到ADAMS中后，要對其實體外觀、名稱、位置、質(zhì)量屬性、初始方位等進行定義，并創(chuàng)建約束副、定義驅(qū)動并施加載荷，動力學(xué)模型見圖3(圖中隱去升降鰭板，后同)。

圖3 鎖緊系統(tǒng)動力學(xué)模型

1.3 剛?cè)峄旌夏Ｐ?/h3>

通過有限元分析軟件Nastran將關(guān)鍵零件剛性體離散成細小的網(wǎng)格，進行模態(tài)分析，得到固有頻率及其振型，生成模態(tài)中性文件MNF(modal neutral file)，將其導(dǎo)入ADAMS多剛體系統(tǒng)模型中，從而實現(xiàn)剛性體的柔性化。最終建立一個更加貼近實際的剛?cè)峄旌夏Ｐ?，見圖4。同時通過仿真及ADAMS/Durability模塊，可以得到基于精確動力學(xué)分析的部件應(yīng)力應(yīng)變結(jié)果[4]。

圖4 剛?cè)峄旌夏Ｐ?/p>

為了利用聯(lián)合仿真模型更加準(zhǔn)確地仿真實際鎖緊系統(tǒng)，對鎖緊系統(tǒng)的關(guān)鍵部件：銷軸和耳環(huán)進行柔性化處理，經(jīng)過分析表明，銷軸對整個系統(tǒng)的影響更大，應(yīng)力云圖見圖5，因此最終的聯(lián)合仿真采用對連接楔塊及油缸的銷軸柔性化處理的剛?cè)峄旌夏Ｐ汀?/p>

圖5 銷軸和耳環(huán)應(yīng)力云圖

2 液壓系統(tǒng)仿真模型的建立

液壓仿真模型的建立是基于實際的液壓系統(tǒng)原理進行的，原理圖見圖6，該系統(tǒng)的額定壓力為18 MPa，額定流量為26 L/min，油箱容積250 L。電機泵組互為備用，轉(zhuǎn)速為1 440 r/min，泵排量為18 mL/r，液壓油采用68號抗磨液壓油。

液壓系統(tǒng)仿真模型利用AMESim軟件完成，該軟件除能按照數(shù)學(xué)方程式建模外，還提供了按照面向原理圖進行建模的方式，此種方式建立模型的優(yōu)點在于完全依照物理樣機的結(jié)構(gòu)或原理進行建模，物理意義非常清晰，提高了工作效率。根據(jù)液壓原理圖，對其進行適當(dāng)?shù)暮喕?，建立液壓系統(tǒng)仿真模型，見圖7。

3 聯(lián)合仿真

ADAMS與AMESim聯(lián)合的軟件環(huán)境，適用于大多數(shù)機液聯(lián)合仿真系統(tǒng)，通過利用ADAMS軟件在機械結(jié)構(gòu)動力學(xué)仿真方面有較強優(yōu)勢的和

圖6 鎖緊裝置液壓系統(tǒng)原理圖(單套)

1-恒壓變量泵；2-船用電機；3-切換閥；4-比例壓力閥；5-電磁溢流閥；6-壓力補償器；7-比例換向閥;8-電磁換向閥；9-鎖緊油缸；10-蓄能器及安全閥組；11-海水冷卻器；12-回油濾器

圖7 液壓系統(tǒng)仿真模型

AMESim軟件在液壓系統(tǒng)仿真分析方面有較強的優(yōu)勢，二者聯(lián)合仿真充分利用了各自仿真軟件的優(yōu)勢，解決了在單一軟件平臺建立復(fù)雜系統(tǒng)模型的困難，這樣大大提高了建模的效率，易于實現(xiàn)并可得到更真實準(zhǔn)確的仿真結(jié)果[5]。

3.1 聯(lián)合仿真模型建立

由鎖緊裝置ADAMS動力學(xué)模型向其液壓系統(tǒng)的AMEsim模型輸入液壓缸的受力狀態(tài)，同時由AMEsim模型向ADAMS動力學(xué)模型輸入液壓缸缸桿的運動狀態(tài)，具體輸入輸出關(guān)系見圖8。在仿真過程中，確定輸入輸出關(guān)系，可以使機構(gòu)和液壓系統(tǒng)在任何時刻進行同步實時傳遞。

圖8 機械液壓聯(lián)合仿真輸入輸出關(guān)系

建立接口模塊，在AMEsim中可直接將鎖緊機構(gòu)的機械模型作為一個可以忽略其內(nèi)部細節(jié)的普通模塊來使用，將模塊中的輸入輸出分別與AMEsim中的相關(guān)部件連接處相連，最終建立整個系統(tǒng)的聯(lián)合仿真模型見圖9。

圖9 全系統(tǒng)聯(lián)合仿真模型

3.2 仿真結(jié)果分析

設(shè)置仿真參數(shù)：仿真時間21 s，時間步長0.01 s，積分交換步長0.001 s，仿真模式為連續(xù)仿真模式，動畫模式為交互模式。

3.3 液壓系統(tǒng)仿真結(jié)果

圖10為活塞桿受力圖，圖11為位移速度變化曲線、圖12為流量變化曲線。

圖10 活塞桿受力

圖11 活塞桿位移、速度變化

圖12 鎖緊油缸兩腔流量變化

由圖10～12可見，楔塊在10.8 s時接觸到鰭板，接觸后由于外負載發(fā)生變化，導(dǎo)致液壓系統(tǒng)壓力變化，經(jīng)過自身調(diào)整在14 s時使得活塞桿速度恒定在14 mm/s附近。直至16 s時系統(tǒng)外負載再次微小變化，導(dǎo)致液壓系統(tǒng)再一次進行調(diào)速，至17 s時液壓桿速度穩(wěn)定在14 mm/s附近，直至勻速將鰭板鎖緊至靜止?fàn)顟B(tài)。

3.4 升降鰭板運動分析

要更加具體地分析該鎖緊系統(tǒng)的鎖緊性能，可通過ADAMS/postprocessor分析整個運動過程相關(guān)參數(shù)的變化，圖13～17中實線為聯(lián)合仿真模型分析所得結(jié)果，虛線為剛?cè)峄旌蟿恿W(xué)模型分析所得結(jié)果。

圖13 上楔塊與鰭板間的接觸力在水平、垂直方向的分力

圖14 下楔塊與鰭板間的接觸力在水平、垂直方向的分力

圖15 油缸與活塞桿垂直方向位移對比

圖16 升降鰭板水平方向位移與速度對比

圖17 升降鰭板水平及垂直方向位移速度變化

由圖14～17可見，整個過程中由于考慮銷軸為柔性體的影響，上楔塊受力較為嚴(yán)重，9.98 s之前上楔塊勻速運動，下楔塊基本保持靜止?fàn)顟B(tài)，接觸后上下楔塊在水平垂直向都有一個波動，且此時主要是下楔塊在垂向移動，最終在19.9 s時不再波動，并穩(wěn)定將鰭板鎖緊，證明了鎖緊機構(gòu)設(shè)計的可靠性，也給了設(shè)計人員很好的設(shè)計依據(jù)，即上楔塊以及上銷軸的強度應(yīng)該設(shè)計得更高。證明所建立的虛擬樣機模型與實際運行情況相一致，驗證了聯(lián)合仿真模型的正確性，為生產(chǎn)設(shè)計以及產(chǎn)品優(yōu)化分析提供了研究依據(jù)。

4 結(jié)論

全系統(tǒng)聯(lián)合仿真虛擬樣機模型，驗證了該鎖緊機構(gòu)工作的可靠性，可以為產(chǎn)品設(shè)計生產(chǎn)提供依據(jù)，為物理樣機的實驗提供更為準(zhǔn)確有效的數(shù)據(jù)參考，大大節(jié)省了設(shè)計時間和設(shè)計費用。今后可在以下幾方面深入研究。

1)鎖緊系統(tǒng)故障仿真分析。

2)進行虛擬樣機參數(shù)化分析和設(shè)計，對有關(guān)零部件的結(jié)構(gòu)尺寸采用優(yōu)化設(shè)計方法，以尋求最佳設(shè)計。

3)液壓系統(tǒng)的測試分析工作，提高整個系統(tǒng)仿真的精確度。

[1] 王良武.海洋科學(xué)綜合考察船升降鰭板系統(tǒng)設(shè)計研究[D].武漢：武漢理工大學(xué),2011.

[2] 譚新東，翟高進.客滾船減搖鰭板安裝工藝[J].船海工程，2010，39(4)：24-26.

[3] 余新康,王 健.基于ADAMS的液壓系統(tǒng)虛擬樣機[J].工程機械,2003(11):42-45.

[4] 陳立平,張云清.機械系統(tǒng)動力學(xué)分析及ADAMS應(yīng)用教程[M].北京:清華大學(xué)出版社,2005.

[5] 沈建軍,劉 龍.基于AMESim與ADAMS的雙鋼輪壓路機液壓系統(tǒng)的仿真分析[J].中國工程機械學(xué)報,2009,7(1):31-35.