基于剛柔耦合的前置全液壓游梁式抽油機運動學分析

曹 翱 溫家璽 宋 超 劉豐豪

（長安大學 工程機械學院，西安 710064）

在機械系統(tǒng)的運動學和動力學仿真分析方面，常見的仿真分析軟件有ADAMS和ANSYS。一般來說，ADAMS軟件主要是以剛性體為主要分析分析對象的運動學分析軟件，ANSYS主要是以柔性體為主要分析對象的有限元分析軟件。在現(xiàn)實中，把機構當作剛性系統(tǒng)來處理，雖然大多數(shù)情況下可以滿足要求，但在一些需要考慮變形的特殊情況下，如果要更真實地模擬機構的動態(tài)性能，必須將模型的部分構件做成可以產生變形的柔性體進行分析[1]。

本文中的游梁是前置全液壓游梁式抽油機的關鍵部件，它的彈性變形將直接影響整機的仿真結果，所以，在對整機的運動仿真時，對游梁進行柔性體替換顯得至關重要。本文通過ADAMS和ANSYS的聯(lián)合仿真，并采用soliderworks三維建模來彌補兩個軟件造型能力薄弱的缺點，建立該抽油機的剛柔耦合模型，對其進行仿真分析。仿真結果驗證了該分析方法的有效性。

1 Soliderworks、ADAMS與ANSYS聯(lián)合仿真流程

在工程實際中一般將三種軟件聯(lián)合起來運用，三維模型在soliderworks中建立、裝配，并做干涉檢查；保存格式為.x_t文件，然后將模型傳送給ADAMS，在ADAMS中定義剛體、運動副、載荷，并完成其他仿真參數(shù)的設定，產生參數(shù)化的模型機構模型，進行動力學仿真，再將三維模型零件倒入ANSYS定義材料，劃分網(wǎng)格，建立剛性連接區(qū)域，生成.mnf文件導入ADAMS中，再次進行運動學分析，導出.lod至ANSYS中進行有限元分析[2]。一般情況下，聯(lián)合設計流程如圖1所示。

2 運動學仿真模型的建立

前置式全液壓游梁式抽油機是以前置式游梁抽油機為基礎模型，根據(jù)普通液壓抽油機的基本參數(shù)和機構性能特點，將其二者進行技術性結合，得到了具有新型節(jié)能、高智能化、高自動化等特點的新型抽油機。圖2為前置式全液壓游梁式抽油機的結構示意圖。

該抽油機的工作特點是由液壓泵驅動液壓缸繼而經游梁帶動驢頭上下移動，從而完成整個運動過程。同時，由于省去了減速器傳動系統(tǒng)，減小了抽油機尺寸，故結構更緊[3]。在進行運動分析時可簡化抽油機模型為圖3。

圖1 三種軟件聯(lián)合仿真設計流程框圖

圖2 前置全液壓游梁式抽油機結構圖

3 剛柔耦合的實現(xiàn)

3.1 剛性體模型的建立

運用soliderworks軟件，將完成好的前置式全液壓游梁式抽油機三維模型保存為.x_t格式，并導入ADAMS中。為便于接下來的操作將各個零件重新命名，如表1所示。

圖3 前置全液壓游梁式抽油機簡化三維模型

表1 各個零件重新命名

標注后，抽油機剛性體模型如圖4所示。

圖4 抽油機剛性體模型

3.1.1 約束定義

在ADAMS中定義約束：首先定義Rigid1（底座）為接地部件，與大地鎖死固定。各剛體之間的約束關系如表2所示。

表2 各剛體之間的約束關系

3.1.2 定義運動副

前置式全液壓游梁式抽油機采取液壓驅動，故在Rigid2和Rigid3之間的移動副約束上定義一個運動，運動函數(shù)由抽油機的基本參數(shù)確定。由于該抽油機要求懸點額定載荷80kN，最大沖程為3m，沖刺為6min，故可在一個周期10s內研究其運動特性，設置運動函數(shù)為step函數(shù)：

STEP(time,0,0,2,0.9)+STEP(time,3,0,7,-1.8)+STEP(time,8,0,10,0.9)。

3.1.3 載荷定義

抽油機所受的外載荷主要有自身的重力和懸點處所受的力等。重力直接在ADMAS中設置，并確定其重力加速度方向，懸點載荷通過數(shù)值模擬方式求出大小，以力的形式施加于驢頭上。

3.1.4 實施仿真

在ADAMS中進行仿真，為直觀監(jiān)測抽油機的運動仿真過程，設置結束時間為10s，步長為500，在懸點處建立位移、速度、加速度檢測，結果滿足抽油機的基本參數(shù)，如圖5所示。

圖5 剛性體的驢頭懸點處運動分析曲線

3.2 柔性體模型的建立

首先，將游梁零件導入ANSYS中，設置材料屬性并劃分網(wǎng)格，如圖6所示。由于游梁材料大部分采用結構鋼，材料屬性定義如下，彈性模量：E=2.11e+11pa,泊松比：0.286，密度：7800kg/m3。

圖6 游梁零件有限元模型

其次，建立外部連接節(jié)點和剛性連接區(qū)域，如圖7所示，輸出mnf文件。

圖8 游梁零件剛性區(qū)域示意圖

最后，將零件柔性體化后對原零件進行剛性體替換，進行仿真，如圖9所示。

圖9 前置全液壓游梁式抽油機剛柔耦合模型

4 剛柔耦合仿真結果分析

建立好剛柔耦合模型后，設置相關參數(shù)。在ADAMS軟件下對此機構進行運動學分析，通過數(shù)據(jù)曲線來分析機構的運動性能，如圖10所示。測量結果顯示：剛柔耦合模型的驢頭懸點位移、速度曲線與剛性體模型大致相同。與剛性體模型不同的是，剛柔耦合模型的驢頭懸點加速度曲線變化幅值較明顯，且加速度最大值相對較大。同時，還可以看出考慮游梁的變形后在剛開始階段由于突然加載，會產生一定的沖擊現(xiàn)象，在抽油機柔體系統(tǒng)中，沖擊產生的載荷波動也會更大，對于抽油機運行過程中的狀態(tài)產生更明顯的影響，在設計抽油機機構時一定要考慮部件的彈性變形對其運動的影響。

圖10 剛柔耦合模型的驢頭懸點處運動分析曲線

5 結語

本文將工程仿真中常用的soliderworks、ADAMS和ANSYS結合應用，通過對前置全液壓游梁式抽油機的游梁柔性體替換，建立剛柔耦合模型，再對該模型根據(jù)真實工況進行運動學分析，得到驢頭懸點處位移、速度和加速度曲線。該研究方法克服了各軟件單獨使用時的缺陷，更真實地反映了前置全液壓游梁式抽油機在實際工作時的運動情況。