可旋轉(zhuǎn)多向組合機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真及力學(xué)分析

俞海濤，邵 飛，徐 倩，趙術(shù)杰

(陸軍工程大學(xué) 野戰(zhàn)工程學(xué)院， 南京 210007)

總體結(jié)構(gòu)型式是設(shè)備實(shí)現(xiàn)其性能指標(biāo)的基礎(chǔ)，很大程度上決定了設(shè)備綜合性能的高低，但現(xiàn)有設(shè)備所采用的架設(shè)方式與架設(shè)裝置難以滿足新功能的要求[1-2]。在目前的機(jī)械設(shè)備中，旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)是應(yīng)用最為廣泛的機(jī)構(gòu)之一，簡(jiǎn)單的軸系機(jī)構(gòu)已不能滿足復(fù)雜的功能要求。復(fù)雜的旋轉(zhuǎn)架設(shè)機(jī)構(gòu)如果通過(guò)傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，即先通過(guò)樣機(jī)反復(fù)試驗(yàn)并改進(jìn)的方式即會(huì)消耗掉大量時(shí)間，也會(huì)使經(jīng)費(fèi)大大增加。因此，在制備樣機(jī)之前，運(yùn)用仿真技術(shù)提前改進(jìn)設(shè)計(jì)缺陷既可以縮短設(shè)計(jì)周期，也可以減少經(jīng)費(fèi)的使用[3-5]。本研究將進(jìn)行可旋轉(zhuǎn)多向組合機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，根據(jù)初步設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)構(gòu)件，在Solidworks中進(jìn)行可旋轉(zhuǎn)多向組合機(jī)構(gòu)實(shí)體模型建立，利用Solidworks motion插件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真。仿真主要為分析不同架設(shè)時(shí)間下的車轍不同速度和角速度的影響。根據(jù)在運(yùn)動(dòng)分析的結(jié)果，再對(duì)旋轉(zhuǎn)接頭和旋轉(zhuǎn)連接塊的力學(xué)分析。

1 旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)

機(jī)構(gòu)如圖1所示。橋跨連接機(jī)構(gòu)分為縱向連接和橫向連接兩部分。體系轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)的方式采用頂升—旋轉(zhuǎn)—下落固定的方式，由一套可旋轉(zhuǎn)架設(shè)機(jī)構(gòu)完成此功能。旋轉(zhuǎn)組合機(jī)構(gòu)主要用于對(duì)橋跨模塊在車軸線與垂直車軸線之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換，主要由可旋轉(zhuǎn)立柱、升降油缸、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)等組成。圖1為旋轉(zhuǎn)組合機(jī)構(gòu)示意圖，圖2為旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)示意圖，由集成面板、旋轉(zhuǎn)油缸、滑動(dòng)導(dǎo)槽、聯(lián)板、作業(yè)臂、油缸支撐板等組成。

圖1 旋轉(zhuǎn)組合機(jī)構(gòu)示意圖

2 運(yùn)動(dòng)學(xué)模型建立

在運(yùn)動(dòng)仿真中，Adams能夠?qū)崿F(xiàn)多剛體系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真，如今Solidworks已經(jīng)將其整合至Solidworks motion插件中[6]，因此，可以在Solidworks中實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)架設(shè)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真。

2.1 幾何建模

由于橋跨結(jié)構(gòu)和架設(shè)裝置是左右對(duì)稱的，為減少建模和計(jì)算量，建立二分之一模型。模型只模擬旋轉(zhuǎn)變換階段的架設(shè)過(guò)程，不需要頂升油缸的作用，因此模型舍去頂升油缸。模型主要由12種構(gòu)件組成，構(gòu)件總數(shù)為39件，模型如圖3所示。

圖3 運(yùn)動(dòng)仿真模型

2.2 創(chuàng)建約束

在運(yùn)動(dòng)仿真中，構(gòu)件與構(gòu)件之間的約束會(huì)影響到最終的運(yùn)行軌跡[7-8]。為了簡(jiǎn)便旋轉(zhuǎn)變換階段的分析，將在此階段中與集成面板不發(fā)生相對(duì)位移的構(gòu)件都設(shè)置為固定，其中包括旋轉(zhuǎn)立柱、旋轉(zhuǎn)接頭和滑動(dòng)導(dǎo)槽3種共計(jì)5個(gè)構(gòu)件。橋跨與車轍旋轉(zhuǎn)連接塊、頂緊塊和多功能承壓板通過(guò)3個(gè)維度的位置限制，實(shí)際已經(jīng)是一個(gè)整體。旋轉(zhuǎn)立柱與車轍的旋轉(zhuǎn)連接塊連接，旋轉(zhuǎn)接頭與旋轉(zhuǎn)連接塊的配合方式為同軸心配合。聯(lián)板與車轍多功能承壓板采用鉸鏈配合，這種配合方式可以不建立兩個(gè)零件之間的連接軸就能實(shí)現(xiàn)兩種零件的運(yùn)動(dòng)仿真?；瑒?dòng)塊通過(guò)配合只能沿著限位板的滑槽運(yùn)動(dòng)?；瑒?dòng)塊與旋轉(zhuǎn)油缸和作業(yè)臂的位置是固定的。

2.3 仿真分析

在運(yùn)動(dòng)仿真中，主要是對(duì)第二過(guò)程旋轉(zhuǎn)變化的仿真模擬。旋轉(zhuǎn)變換的操作過(guò)程是在頂升連接的基礎(chǔ)上，旋轉(zhuǎn)油缸開始縮短。此時(shí)，作業(yè)臂順著滑動(dòng)導(dǎo)槽帶動(dòng)聯(lián)板運(yùn)動(dòng)，聯(lián)板又帶動(dòng)車轍旋轉(zhuǎn)。在整個(gè)旋轉(zhuǎn)變換的過(guò)程中，旋轉(zhuǎn)立柱式固定的，車轍是以旋轉(zhuǎn)立柱的陽(yáng)接頭為軸心旋轉(zhuǎn)的。當(dāng)車轍旋轉(zhuǎn)90 s時(shí)，頂升油缸停止運(yùn)動(dòng)。至此，旋轉(zhuǎn)變換過(guò)程完成。

3 運(yùn)動(dòng)仿真計(jì)算與分析

在模擬中采用等速和距離兩種方式進(jìn)行模型的驅(qū)動(dòng)，整個(gè)模型的單位系統(tǒng)選擇為MMGS(mm、g、s)[9-10]。馬達(dá)的運(yùn)動(dòng)類型選擇線段的形式。首先設(shè)置位移曲線，選擇CUBIC(default)的曲線形式。位移的大小設(shè)置為138 mm，以10 s為運(yùn)動(dòng)時(shí)間。計(jì)算出速度和加速度曲線，以橋跨遠(yuǎn)離旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的表面為載體，提取其在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的角速度和速度等曲線。10 s完成旋轉(zhuǎn)時(shí)車轍的最大速度與加速度歷程如圖4所示。

車轍表面的法向加速度很小，所以圖4選取切向加速度代替加速度。從圖4可以得出，當(dāng)車轍剛開始旋轉(zhuǎn)時(shí)，速度和角速度都不大，但是切向加速度和角加速度都較大，然后慢慢減小。當(dāng)速度和角速度達(dá)到最大時(shí)，切向加速度和角加速度都為零。之后切向加速度和角加速度小于零，速度和角速度都開始減小。當(dāng)10 s時(shí)，速度和角速度都為零；在速度與角速度最大的一刻，加速度與角加速度為0相反；在加速度與角加速度最大一刻，速度與角速度為0。

在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，能量輸出是由馬達(dá)完成。馬達(dá)力-時(shí)間關(guān)系圖和馬達(dá)的能量輸出功率-時(shí)間曲線如圖5所示。

圖4 10 s完成旋轉(zhuǎn)時(shí)車轍的最大速度與加速度

圖5 馬達(dá)力及功率-時(shí)間曲線

從運(yùn)動(dòng)仿真結(jié)果表明可旋轉(zhuǎn)多向組合接頭機(jī)架設(shè)機(jī)構(gòu)可滿足門橋結(jié)構(gòu)要求，但10 s的架設(shè)時(shí)間是比較短的，下面模擬15 s、20 s、25 s、30 s旋轉(zhuǎn)架設(shè)時(shí)間，其速度-時(shí)間曲線如圖6，馬達(dá)力-時(shí)間曲線如圖7，馬達(dá)輸出功率-時(shí)間曲線如圖8。

為了方便查看各種數(shù)據(jù)，表1中列舉了不同旋轉(zhuǎn)架設(shè)時(shí)間下，最大與最小速度、馬達(dá)力和馬達(dá)輸出功率。以及將對(duì)比數(shù)據(jù)歸一化，分析各仿真計(jì)算結(jié)果隨旋轉(zhuǎn)時(shí)間變化趨勢(shì)，如圖9所示。

圖6 多種旋轉(zhuǎn)時(shí)間下的速度-時(shí)間曲線

圖7 多種旋轉(zhuǎn)時(shí)間下的馬達(dá)力-時(shí)間曲線

圖8 多種旋轉(zhuǎn)時(shí)間下的馬達(dá)輸出功率-時(shí)間曲線

旋轉(zhuǎn)時(shí)間/s最大速度/(mm·s-1)最大馬達(dá)力/N最小馬達(dá)力/N最大功率/W1060418 776-39 852210232154038 379-18 10164-74203014 739-10 18126-31252323 039-6 51613-16302012 113-4 5258-9

圖9 不同旋轉(zhuǎn)時(shí)間下仿真計(jì)算曲線

從圖9可以看出，隨著架設(shè)時(shí)間的增加，車轍的馬達(dá)力與馬達(dá)輸出功率的峰值都迅速減小，且減小的程度呈指數(shù)形式；而最大速度呈接近線性的程度下降。說(shuō)明當(dāng)架設(shè)時(shí)間有較小的減小時(shí)，對(duì)油缸的要求會(huì)有較大的提高；相反，當(dāng)架設(shè)時(shí)間有較小的增加時(shí)，油缸的要求會(huì)有較大的降低。

4 旋轉(zhuǎn)連接接頭的力學(xué)仿真

為了簡(jiǎn)化力學(xué)分析中的幾何模型，集合模型只有一組旋轉(zhuǎn)立柱和一組車轍。模型在Solidworks中建立。為了考慮到模型的安全，模型的應(yīng)力計(jì)算是以10s完成旋轉(zhuǎn)的最大的角速度或者最大速度為力學(xué)計(jì)算的條件。在網(wǎng)格劃分時(shí)，在零件接觸表面能夠共用節(jié)點(diǎn)，不用建立接觸，這樣可以減小計(jì)算量。車轍旋轉(zhuǎn)連接塊和車轍之間的接觸設(shè)置為綁定模式，旋轉(zhuǎn)接頭與車轍旋轉(zhuǎn)連接塊之間的接觸設(shè)置為摩擦，摩擦系數(shù)設(shè)置為金屬摩擦常用的系數(shù)：0.18。立柱的底部和頂部都設(shè)置為固定，模擬車身和旋轉(zhuǎn)頂板對(duì)立柱位移的限制作用。立柱和旋轉(zhuǎn)接頭材料采用30CrMnSiA，旋轉(zhuǎn)連接塊的材料采用DB685，車轍材料為鋁合金。在實(shí)際情況中，墊塊的材料也是DB685，為簡(jiǎn)化模型采用鋁合金。

首先計(jì)算僅在重力作用下，旋轉(zhuǎn)接頭的受力大小。在荷載中添加初始重力荷載。仿真計(jì)算結(jié)果如圖10所示。

圖10 重力作用下模型部分仿真計(jì)算結(jié)果

從應(yīng)力云圖10中可以看出，僅重力作用下，模型受力最大處為下部旋轉(zhuǎn)接頭與立柱連接處，大小為500.6 MPa。最大位移為9.426 mm。兩節(jié)橋跨整體質(zhì)量為1 400 kg，則產(chǎn)生切向加速度的慣性力大小為400 N，遠(yuǎn)小于重力的大小。當(dāng)模型在重力和切向加速度雙重作用下時(shí)，模型的最大等效應(yīng)力為182.35 MPa，出現(xiàn)在下部旋轉(zhuǎn)接頭與立柱相連接的位置。其最大位移達(dá)到了11.605 mm。當(dāng)模型在重力和速度雙重作用下時(shí)，模型的最大等效應(yīng)力為500.02 MPa，出現(xiàn)在下部旋轉(zhuǎn)接頭與立柱相連接的位置，其最大位移達(dá)到了11.305 mm。

當(dāng)3種荷載同時(shí)作用，模型的最大等效應(yīng)力為482.32 MPa，同樣出現(xiàn)在下部旋轉(zhuǎn)接頭與立柱相連接的位置，最大位移為12.415 mm。四種不同荷載作用情況下，各構(gòu)件的最大等效應(yīng)力見(jiàn)表2所示。

表2 不同荷載組合下各構(gòu)件的最大等效應(yīng)力 MPa

從表2的數(shù)據(jù)中可以看出，重力作用以外的荷載對(duì)旋轉(zhuǎn)接頭和旋轉(zhuǎn)連接塊的受力影響不是很大。橋跨結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)速度對(duì)受力幾乎沒(méi)有影響，但當(dāng)橋跨存在加速度時(shí)，下旋轉(zhuǎn)接頭的力減小，上旋轉(zhuǎn)接頭的力增加，一定程度上使受力更加均勻。之前計(jì)算時(shí)的加速度為0.05 m/s2，再分別計(jì)算0.1，0.15，0.2和0.25 m/s2時(shí)車轍的受力，探究在重力的基礎(chǔ)上，旋轉(zhuǎn)的加速度對(duì)于車轍橋跨受力的具體影響，計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 不同加速度各構(gòu)件的最大等效應(yīng)力 MPa

從表3中可以看出，在重力作用的情況下，隨著加速度的增大，上下旋轉(zhuǎn)接頭與上下旋轉(zhuǎn)連接塊的受力趨于一致。僅在重力作用時(shí)，上旋轉(zhuǎn)接頭主要受到豎向的剪切和軸向的拉力。拉力主要是車轍的重力產(chǎn)生的彎矩造成的。下旋轉(zhuǎn)接頭主要受到豎向的剪切和軸向的壓力。當(dāng)車轍存在加速度時(shí)，車轍的縱向與水平方向的夾角變小，一定程度上使得上下旋轉(zhuǎn)接頭在各自軸向上的受力變得一致，所以其受力也更加一致。但從這個(gè)角度考慮，旋轉(zhuǎn)架設(shè)的時(shí)間應(yīng)該越短越好。

5 結(jié)論

1) 設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)能夠按照預(yù)定軌跡進(jìn)行旋轉(zhuǎn)架設(shè)，運(yùn)動(dòng)仿真結(jié)果表明可旋轉(zhuǎn)多向組合接頭機(jī)架設(shè)機(jī)構(gòu)可滿足門橋結(jié)構(gòu)要求。在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，當(dāng)車轍速度與角速度最大時(shí)，加速度與角加速度為0。當(dāng)車轍速度與角速度為0時(shí)，加速度與角加速度最大。

2) 油缸推進(jìn)速度與車轍質(zhì)心速度呈正向關(guān)，在相同時(shí)刻取得速度的最值。旋轉(zhuǎn)架設(shè)時(shí)間的選定對(duì)旋轉(zhuǎn)油缸有較大影響，計(jì)算結(jié)果中油缸輸出功率與時(shí)間呈指數(shù)關(guān)系。

3) 橋跨重力對(duì)與旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的受力影響最大，當(dāng)重力疊加橋跨加速度或者速度時(shí)，旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)最大應(yīng)力處為旋轉(zhuǎn)接頭與立柱接觸位置，但在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，越大的角加速度會(huì)使上下旋轉(zhuǎn)接頭的最大應(yīng)力越趨于一致。