ADAMS二次開發(fā)技術在內(nèi)燃叉車動力學仿真的應用*

甘林 周洪威 羅俏

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ADAMS二次開發(fā)技術在內(nèi)燃叉車動力學仿真的應用*

甘林1周洪威2羅俏1

（1.廣東省智能制造研究所 2.深圳長城開發(fā)科技股份有限公司）

內(nèi)燃叉車通常根據(jù)企業(yè)經(jīng)驗數(shù)據(jù)設計，存在設計周期長、成本高的問題。利用多體動力學理論分析內(nèi)燃叉車的動力學特性，運用ADAMS二次開發(fā)技術建立內(nèi)燃叉車的動力學仿真系統(tǒng)，得到怠速工況下內(nèi)燃叉車發(fā)動機懸置的振動加速度。仿真結(jié)果與實測結(jié)果對比，驗證了該動力學仿真系統(tǒng)的準確性。

動力學建模；ADAMS二次開發(fā)；仿真

0 引言

隨著現(xiàn)代工業(yè)的快速發(fā)展，內(nèi)燃叉車作為一種靈活、高效的搬運機械廣泛應用于工廠、碼頭等貨物集中場所。目前，內(nèi)燃叉車通常根據(jù)企業(yè)經(jīng)驗數(shù)據(jù)進行設計，通過物理樣機進行驗證，該方法不僅設計周期長，且成本較高。采用虛擬樣機技術[1]設計內(nèi)燃叉車，可縮短設計周期，降低研發(fā)成本。首先，分析內(nèi)燃叉車的動力學特性；然后通過機械系統(tǒng)動力學自動分析軟件（automatic dynamic analysis of mechanical systems，ADAMS）二次開發(fā)技術[2]建立內(nèi)燃叉車的動力學仿真系統(tǒng)；最后對內(nèi)燃叉車怠速工況下發(fā)動機懸置振動加速度進行仿真與實測，驗證內(nèi)燃叉車動力學仿真系統(tǒng)的準確性。

1 內(nèi)燃叉車動力學特性分析

內(nèi)燃叉車主要部件有車架、發(fā)動機、變速箱、離合器、前后橋、配重、輪胎和發(fā)動機懸置，其中車架、發(fā)動機、變速箱、離合器、前后橋、配重在工作過程中振動變形較小，可近似為剛性構件；輪胎采用ADAMS中的Fiala輪胎模型；發(fā)動機懸置采用模擬怠速工況下的動剛度實測值。

發(fā)動機定義為剛體，將剛體的質(zhì)心笛卡爾坐標和歐拉角定義為該仿真系統(tǒng)的廣義坐標，可表示為，。一般， 多剛體系統(tǒng)動力學的微分代數(shù)方程數(shù)量較多，但高度稀疏耦合，因此可用稀疏矩陣的方法求解[3]。基于拉格朗日乘子法建立系統(tǒng)運動方程如式(1)所示。

將式(1)寫成式(2)所示一般形式，求解該方程組，即可得出各剛體動力學特性的數(shù)值解。

2 內(nèi)燃叉車動力學仿真系統(tǒng)開發(fā)

在ADAMS動力學仿真中，各個構件的固有特性轉(zhuǎn)動慣量和質(zhì)心位置為仿真輸入的關鍵參數(shù)。內(nèi)燃叉車各剛體的形狀不規(guī)則且質(zhì)量分布不均勻，通過公式很難求得準確的轉(zhuǎn)動慣量，因此采用實驗測定的方法獲得[4]。

應用ADAMS二次開發(fā)技術，建立能快速生成模型參數(shù)和動力學仿真的系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過輸入叉車各部件的質(zhì)心坐標、質(zhì)量、轉(zhuǎn)動慣量、發(fā)動機懸置剛度和阻尼特性等參數(shù)，即可建立對應特性的內(nèi)燃叉車動力學模型，并獲取相應仿真結(jié)果。

1) 通過點的位置對車架、發(fā)動機、變速箱、輪胎、前橋、后橋和配重進行參數(shù)化建模，參數(shù)輸入界面如圖1所示。

圖1 參數(shù)輸入界面

由于篇幅限制，本文僅以車架質(zhì)心坐標的輸入與修改為例進行說明；

!對車架質(zhì)心的坐標進行輸入與修改

variable Modify variable=CheJiaZhiXin_X REAL=(eval($CheJiaZhiXin_X))

variable Modify variable=CheJiaZhiXin_Y REAL=( eval ($ CheJiaZhiXin_Y))

variable Modify variable=CheJiaZhiXin_Z REAL=( eval ($CheJiaZhiXin_Z))

2) 將發(fā)動機懸置剛度和阻尼值設置為設計變量，便于對懸置的優(yōu)化設計[5]。開發(fā)仿真條件輸入模塊，將怠速工況的激勵設為函數(shù)形式的輸入欄，便于為仿真提供激勵條件；同時，設置仿真的時長與步長，界面如圖2所示。

圖2 仿真條件輸入界面

部分二次開發(fā)命令如下：

force modify direct single_component_force single_component_force_name =.MODEL1.FZ &

adams_id = 1 &

type_of_freedom = translational &

action_only = on &

function = $field_1 &

i_marker_name =.MODEL1.fadongji.MARKER_4097&

3) 開發(fā)仿真后處理模塊，便于用戶將數(shù)據(jù)以圖表的形式導出，界面如圖3所示。

圖3 仿真后處理界面

對工程設計需要的數(shù)據(jù)進行仿真后處理，包含懸置處向和向的加速度和車架某特征點的向和向加速度。

懸置向加速度二次開發(fā)命令：

interface plot window create_new_page default_layout=yes &

interface dialog execute dialog=.gui.xy__cur_cre undisplay=no

xy_plots curve create &

curve_name = xuanzhi_Y &

dmeasure = xuanzhi_Y &

run_name = $FangZhen &

auto_vertical_axis = yes &

auto_axis = units &

calculate_axis_limits = yes &

auto_color = yes &

line_type = solid &

symbol_type =none &

frozen = yes &

create_page = yes &

trailing_zeros = on &

allow_hotpoints = no

3 系統(tǒng)仿真與驗證

利用MPC2000型轉(zhuǎn)動慣量測試儀測量發(fā)動機、變速箱、前后橋的慣量參數(shù)。發(fā)動機慣量測試圖如圖4所示，內(nèi)燃叉車零部件基本參數(shù)如表1所示。

圖4 發(fā)動機轉(zhuǎn)動慣量測試圖

表1 內(nèi)燃叉車零部件基本參數(shù)

注：表中表示質(zhì)量，單位為kg；、、、、和表示相對坐標軸各方向的轉(zhuǎn)動慣量，單位為kg?m2。

內(nèi)燃叉車發(fā)動機后端通過橡膠懸置與車架相連，且通過發(fā)動機動力總成質(zhì)量、質(zhì)心位置，懸置角度、高度和位置等參數(shù)，計算得到發(fā)動機懸置預載荷為1600 N。內(nèi)燃叉車發(fā)動機為四沖程、兩缸式，怠速時轉(zhuǎn)速為750 r/min。

根據(jù)經(jīng)驗公式(3)[6]可得出發(fā)動機激勵頻率為 25 Hz。

采用車輛減震器動靜態(tài)試驗儀對發(fā)動機懸置的動剛度進行測試。測試安裝方式模擬試件在整車上的承載狀態(tài)，用套筒與發(fā)動機橡膠懸置配合裝夾，如圖5所示。

圖5 發(fā)動機懸置剛度測試

發(fā)動機懸置動剛度測試預載荷設置為1600 N，測試頻率取15 Hz、17.5 Hz、20 Hz、22.5 Hz、25 Hz、26 Hz、27.5 Hz、30 Hz。測試振幅在各個頻率下分別為0.5 mm0.7mm、1 mm1.25 mm、1.5 mm。施加激勵為穩(wěn)態(tài)單頻正弦激勵和位移控制方法，位移激勵為式(4)。

內(nèi)燃叉車怠速工作時，發(fā)動機激勵頻率為25 Hz，為更準確地對叉車進行仿真，本文取22.5 Hz、25 Hz和26 Hz測試，得到的動剛度平均值為發(fā)動機懸置的剛度，其值為851 N/mm。

輪胎的剛度參數(shù)直接從輪胎生產(chǎn)廠家獲取，具體參數(shù)如表2所示。在參數(shù)輸入界面輸入相應的參數(shù)，即可完成內(nèi)燃叉車的建模。

圖6 發(fā)動機橡膠懸置動剛度測試曲線

表2 叉車輪胎剛度參數(shù)

內(nèi)燃叉車為平面布置曲軸的直列柴油機，發(fā)動機的主要激勵源為二階往復慣性力和傾覆力矩可分別由式(5)和式(6)計算得到。

(6)

仿真激勵源設置為發(fā)動機的二階往復慣性力和傾覆力矩，仿真時間為5 s，步長為0.001 s。懸置向加速度實測圖如圖7所示，運用LMS聲振信號采集儀和PCB三向加速度傳感器對發(fā)動機的懸置進行實測，并將實測數(shù)據(jù)導入仿真系統(tǒng)。

發(fā)動機懸置向加速度的仿真與實測對比圖如圖8所示，其中實線為仿真結(jié)果，虛線為實測結(jié)果。仿真結(jié)果與實測結(jié)果的變化趨勢一致，懸置向加速度仿真峰值與實測值基本吻合，驗證了該仿真系統(tǒng)的準確性。

圖7 懸置Y向加速度實測圖

圖8 懸置Y向加速度對比

4 結(jié)語

本文運用ADAMS二次開發(fā)技術，建立內(nèi)燃叉車動力仿真系統(tǒng)，并通過測試驗證該系統(tǒng)的準確性，提高內(nèi)燃叉車的研發(fā)效率，具有一定的工程應用意義。

[1] 李增剛.ADAMS入門詳解與實例[M].北京:國防工業(yè)出版社,2006.

[2] 殷俊文.基于ADAMS/View的汽車前懸架仿真分析系統(tǒng)的二次開發(fā)[D].武漢:武漢理工大學,2012.

[3]齊朝暉.多體系統(tǒng)動力學[M].北京:科學出版社,2008.

[4] 孔玥.阻尼條件下轉(zhuǎn)動慣量測量技術的研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學,2013.

[5] 薛文星,秦俊奇,賈長治,等.基于虛擬樣機的機械結(jié)構參數(shù)優(yōu)化[J].新技術新工藝,2009,07:53-55.

[6] 張新剛.怠速工況客車振源識別及發(fā)動機懸置優(yōu)化技術研究[D].西安:長安大學,2012.

Application of ADAMS Secondary Development Technology in Dynamic Simulation of Internal Combustion Forklift Truck

Gan lin1Zhou Hongwei2Luo qiao1

(1.Guangdong Institute of Intelligent Manufacturing 2.Shenzhen Kaifa Technology Co., Ltd.)

In order to solve the problem of the long design cycle of internal combustion forklift and the high cost of research and development. Analyzing the dynamic performance of the diesel forklift with theory of multi-body dynamics. The internal combustion forklift simulation system was developed base on ADAMS secondary development technology, and simulation internal-combustion forklift engine mount vibration acceleration on idle speed condition. Finally, the simulation results are compared with the measured results, and the accuracy of the dynamic simulation system is verified.

Dynamics Modeling; ADAMS Secondary Development; Simulation

甘林，男，1988年生，碩士，主要研究方向：振動與噪聲控制、制造業(yè)自動化及其信息化。E-mail: l.gan@giim.ac.cn

周洪威，男，1989年生，碩士，主要研究方向：振動與噪聲控制。

羅俏，男，1978年生，大學本科，工程師，主要研究方向：制造業(yè)自動化及其信息化。

廣東省科技計劃項目（2015B090922001）