基于ADAMS與EASY5的40 kN液壓起重機(jī)聯(lián)合仿真

程學(xué)進(jìn)，王慶安，許同輝

(1.淮陰工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，江蘇淮安 223003；2.江蘇省神工機(jī)械制造集團(tuán)有限公司，江蘇淮安 223003)

液壓起重機(jī)作為一種常見的甲板設(shè)備，包含了機(jī)械、液壓、電氣等多個(gè)子系統(tǒng)，且工況多變，其液壓系統(tǒng)的性能直接影響整臺設(shè)備的性能。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步，由最初的單一系統(tǒng)分析逐淅發(fā)展到將液壓系統(tǒng)與機(jī)械、電氣等系統(tǒng)耦合起來進(jìn)行分析成為可能［1－4］。利用虛擬樣機(jī)技術(shù)，分別建立液壓起重機(jī)的機(jī)械系統(tǒng)與液壓系統(tǒng)模型，并通過ADAMS的Controls模塊與EASY5軟件建立實(shí)時(shí)通信，實(shí)現(xiàn)ADAMS和EASY5之間的聯(lián)合仿真，為液壓起重機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)分析提供一種方便快捷的途徑。

1 機(jī)械系統(tǒng)建模

1.1 建立三維模型

在ADAMS中進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)分析時(shí)，只需考慮零件的質(zhì)量和質(zhì)心，而對零件的外部形狀可不予考慮，但若能獲得準(zhǔn)確的零件形體描述，ADAMS自動(dòng)計(jì)算的零件質(zhì)量和質(zhì)心位置也就越精確。由于ADAMS軟件的三維建模功能相對較弱，但其提供了與通用CAD軟件的接口，可利用UG軟件進(jìn)行建模和裝配，再以Parasolid格式導(dǎo)入ADAMS中進(jìn)行仿真分析。

該液壓起重機(jī)主要由吊臂、回轉(zhuǎn)體及回轉(zhuǎn)支座等組成，可實(shí)現(xiàn)變幅、起升及回轉(zhuǎn)動(dòng)作，分別由變幅油缸與液壓馬達(dá)來完成。在滿足工程應(yīng)用需要的前提下，對起重機(jī)模型做了一些合理的簡化，然后在UG軟件中繪制出了各零件的三維模型，并且對其進(jìn)行裝配。

1.2 建立虛擬樣機(jī)模型

將UG中建立的起重機(jī)三維模型以Parasolid格式導(dǎo)入ADAMS中，設(shè)置各個(gè)零件的名稱和顯示顏色，定義零件的材料屬性以及各個(gè)零件之間的運(yùn)動(dòng)副約束關(guān)系、欲輸出結(jié)果、仿真基本參數(shù)等，最后得到起重機(jī)的虛擬樣機(jī)模型，如圖1所示。

圖1 起重機(jī)虛擬樣機(jī)模型

2 液壓系統(tǒng)建模

該起重機(jī)液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由兩個(gè)獨(dú)立的液壓馬達(dá)與一個(gè)工程液壓缸構(gòu)成，分別實(shí)現(xiàn)起重機(jī)的回轉(zhuǎn)、起升與變幅等動(dòng)作。文中只針對變幅動(dòng)作進(jìn)行聯(lián)合仿真，在液壓系統(tǒng)圖基礎(chǔ)上，依據(jù)EASY5的工程應(yīng)用液壓庫的特點(diǎn)，在不影響分析結(jié)果的原則上將原系統(tǒng)進(jìn)行了適當(dāng)?shù)暮喕⒌淖兎鶆?dòng)作液壓系統(tǒng)回路模型如圖2所示。

圖2 液壓系統(tǒng)回路

此系統(tǒng)采用單向調(diào)速回路，活塞桿伸出時(shí)速度不可調(diào)，退回時(shí)由節(jié)流閥進(jìn)行調(diào)節(jié)，油液的流向由三位四通閥來控制。

3 聯(lián)合仿真

3.1 接口設(shè)計(jì)

ADAMS軟件的Controls模塊提供了與EASY5進(jìn)行通信的標(biāo)準(zhǔn)接口［5－7］，其作用是實(shí)現(xiàn)機(jī)械虛擬樣機(jī)與液壓系統(tǒng)模型之間的數(shù)據(jù)傳遞。

在EASY5中，液壓缸組件有兩種工作模式［6］，如圖3所示:(1)缸體固定，輸入為施加在活塞桿上的作用力，輸出為活塞桿的速度與位移，見圖3(a);(2)缸體固定，輸入為活塞桿的速度與位移，輸出為作用在活塞桿上的液壓力，見圖3(b)。為了保持系統(tǒng)的物理意義與人們的習(xí)慣思維一致，采用第二種工作模式，即活塞桿的速度與位移由ADAMS動(dòng)力學(xué)模型計(jì)算得出并輸出給EASY5中的液壓系統(tǒng)模型。液壓系統(tǒng)模型在仿真計(jì)算的過程中根據(jù)輸入的速度與位移計(jì)算出作用在活塞桿上的驅(qū)動(dòng)力，ADAMS模型則以此驅(qū)動(dòng)力作為輸入?yún)?shù)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)計(jì)算。

圖3 EASY5中活塞缸組件的2種工作模式

在ADAMS中設(shè)置好輸入、輸出變量后，利用ADAMS/Control模塊導(dǎo)出，在 EASY5中通過 Extension接口導(dǎo)入，聯(lián)接兩者相對應(yīng)的輸入、輸出參數(shù)。然后點(diǎn)擊EASY5軟件Build/Export Model as/ADAMS External System Library，在出現(xiàn)的對話框中對Use Design Parameters和Use Display Output的參數(shù)按需要進(jìn)行設(shè)置，這樣做的目的是為了在ADAMS軟件中可對液壓系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行修改，并在仿真結(jié)束后顯示液壓系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果。點(diǎn)擊Export后生成*.dll和*.xfe.ezanl兩個(gè)文件，其中*.dll文件就是ADAMS軟件所需要的動(dòng)態(tài)鏈接庫文件。需要注意的是，兩個(gè)文件需在同一個(gè)文件夾內(nèi)，聯(lián)合仿真才能正常運(yùn)行。

3.2 仿真結(jié)果分析

設(shè)置總的仿真時(shí)間為為15 s，三位四通閥的開度函數(shù)控制閥芯位置變化如圖4所示，仿真結(jié)果如圖5—7所示。從圖中可以看出，液壓系統(tǒng)模型中的液壓缸產(chǎn)生的推力成功的傳遞給ADAMS所建立的虛擬樣機(jī)上，仿真過程成功實(shí)現(xiàn)了虛擬樣機(jī)模型與液壓系統(tǒng)模型的無縫連接。

圖4 閥芯位置變化曲線

圖5 溢流閥流量曲線

圖6 液壓缸速度曲線

圖7 液壓缸位移曲線

4 結(jié)論

針對液壓起重機(jī)，探討了采用ADAMS與EASY5進(jìn)行機(jī)械/液壓聯(lián)合仿真的方法，成功實(shí)現(xiàn)了機(jī)械系統(tǒng)與液壓系統(tǒng)的無縫聯(lián)接，仿真結(jié)果在ADAMS窗口中可直觀動(dòng)態(tài)顯示，克服了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的不足，為相應(yīng)設(shè)備的機(jī)電液一體化仿真提供了一種有效的途徑。

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