基于Pro/E和ADAMS的背罐車翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真及優(yōu)化設(shè)計(jì)

陳子銀 楊海峰 李瑞鋒

摘要：采用Pro/E軟件對(duì)背罐車翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了三維建模，利用ADAMS軟件完成了運(yùn)動(dòng)仿真分析，同時(shí)對(duì)背罐車翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。結(jié)果表明：優(yōu)化后油缸最大舉升力為104 kN，仍發(fā)生在翻轉(zhuǎn)初始階段，相比優(yōu)化前的120 kN減小了13.3%。油缸在翻轉(zhuǎn)時(shí)間約為27 s時(shí)刻油壓接近為0，優(yōu)化后油缸最大拉力值由100 kN減小到72 kN，減小了28%。提高了翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的性能并改善翻轉(zhuǎn)油缸的工況，確保背罐車的翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)工作安全性與可靠性。

關(guān)鍵詞：背罐車；運(yùn)動(dòng)仿真；優(yōu)化設(shè)計(jì)；Pro/E；ADAMS

1 引言

背罐車翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)作為工程專用車輛上裝部分的重要組成結(jié)構(gòu)，在設(shè)計(jì)階段往往要耗費(fèi)較多時(shí)間和精力，需要解決翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的位置分布和液壓油缸的選型等難題，同時(shí)由于翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)對(duì)關(guān)鍵鉸點(diǎn)進(jìn)行反復(fù)試驗(yàn)，需要計(jì)算油缸最大舉升力、校核液壓缸行程、避免翻轉(zhuǎn)過程中干涉的問題以及考慮最大舉升角等都要重復(fù)進(jìn)行，為了縮短設(shè)計(jì)開發(fā)階段所費(fèi)時(shí)間，因此必然要借助于現(xiàn)代計(jì)算機(jī)輔助工程技術(shù)。背罐車翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)承受復(fù)雜而集中的力，翻轉(zhuǎn)架各部位應(yīng)力不斷變化，是影響背罐車工作可靠性和使用壽命的關(guān)鍵要素之一，因此背罐車翻轉(zhuǎn)架應(yīng)具備良好的機(jī)械性能。目前背罐車翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)多采用經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)和相似設(shè)計(jì)，沒有合理的、科學(xué)的理論依據(jù)，影響翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)整體的機(jī)械性能，采用實(shí)驗(yàn)的方法設(shè)計(jì)科學(xué)合理的背罐車翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)會(huì)增加設(shè)計(jì)成本和延長產(chǎn)品開發(fā)周期。

為解決計(jì)算與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)存在的不足，本文采用Pro/E建模軟件建立翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)三維模型，并在Pro/E中進(jìn)行虛擬裝配，而后將三維模型導(dǎo)入到虛擬樣機(jī)軟件ADAMS中，對(duì)翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析，得到翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果。依據(jù)動(dòng)力學(xué)的仿真分析結(jié)果，利用ADAMS軟件對(duì)背罐車的翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了參數(shù)化建模，并進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，在參數(shù)優(yōu)化計(jì)算的結(jié)果中找出最優(yōu)結(jié)果，從而設(shè)計(jì)出具有優(yōu)良性能和較高工作效率的背罐車翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。

2 翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)三維建模及裝配

準(zhǔn)確的幾何模型是獲得精確仿真分析結(jié)果的基礎(chǔ)[3]，基于Pro/E軟件的拉伸、剪切和倒圓等功能分別建立副車架、翻轉(zhuǎn)架、托罐架、連桿機(jī)構(gòu)及液壓缸等部分的3D模型。副車架作為翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的承載部分，應(yīng)具有良好的強(qiáng)度和剛度，采用框架式結(jié)構(gòu)，主要由多個(gè)橫梁和縱梁組成，整體通過連接件固定在底盤車架上，同時(shí)也是汽車各功能部件和安全防護(hù)裝置的載體。其3D模型如圖1所示。

翻轉(zhuǎn)架作為整個(gè)背罐車翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)中受力最為復(fù)雜的部分，主要包括兩根開口相對(duì)的槽形鋼縱梁和兩塊橫梁板，其縱梁采用雙層焊接的結(jié)構(gòu)形式，縱梁內(nèi)槽為托罐架滾輪軌道，采用雙層結(jié)構(gòu)有利于減小局部變形和應(yīng)力集中，還可以增加截面的抗彎曲能力，其3D模型如圖2所示。

四個(gè)滾輪裝在托罐架兩側(cè)，利用滾輪實(shí)現(xiàn)在翻轉(zhuǎn)架縱梁內(nèi)槽中滾動(dòng)。裝卸罐體時(shí)托罐架與罐體之間依靠插罐板和托罐座來固定，其中插罐板位于托罐架前端兩側(cè)，托罐座呈圓弧面分布在托罐架四個(gè)角上。托罐架總體則采用方管焊接的框型結(jié)構(gòu)來保證其具有足夠的剛度要求。另外，在托罐架后部的兩側(cè)，通過翻轉(zhuǎn)架部分與兩個(gè)伸縮液壓油缸相連接，其3D模型如圖3所示。

可以采用上述的建模方式，實(shí)現(xiàn)液壓缸部分與連桿機(jī)構(gòu)的建模。通過Pro/E軟件的裝配模塊采用自底向上的裝配方法完成翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的整體虛擬裝配，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行裝配干涉檢驗(yàn)和合理性檢查，有效避免樣車在試制過程中會(huì)出現(xiàn)的實(shí)際問題，3D裝配圖如圖4所示。

3 翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真

利用虛擬樣機(jī)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)模擬系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)，可實(shí)時(shí)再現(xiàn)各部件之間相互運(yùn)動(dòng)情況，進(jìn)而獲取各構(gòu)件和運(yùn)動(dòng)副的速度、位移和加速度等數(shù)據(jù)，可有效規(guī)避設(shè)計(jì)缺陷[4]，與此同時(shí)進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。本研究在虛擬裝配的基礎(chǔ)上采用虛擬樣機(jī)仿真分析技術(shù)基于ADAMS軟件對(duì)背罐車翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，并根據(jù)仿真結(jié)果和對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)分析，在檢驗(yàn)?zāi)Ｐ秃侠硇缘耐瑫r(shí)確定優(yōu)化目標(biāo)，為模型的參數(shù)化設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供理論依據(jù)[5]。

3.1 模型導(dǎo)入及前處理

在Pro/E軟件中對(duì)模型進(jìn)行適當(dāng)簡化并以Parasolid格式輸出，在ADAMS軟件中以同樣格式導(dǎo)入模型，如圖5所示。

模型導(dǎo)入ADAMS中后，在進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析前還須進(jìn)行用布爾和操作合并固定件、定義和添加材料信息、修改構(gòu)件顏色和名稱、添加運(yùn)動(dòng)副和驅(qū)動(dòng)等前處理工作[6]。本模型進(jìn)行適當(dāng)簡化后直接導(dǎo)入的Model仍包含200多個(gè)Part，采用布爾操作后的翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)組件基本分為副車架、翻轉(zhuǎn)架、托罐架、連桿機(jī)構(gòu)、翻轉(zhuǎn)油缸和罐體6個(gè)主要構(gòu)件。對(duì)組件的各個(gè)部分分別進(jìn)行泊松比、彈性模量與密度等材料信息的定義是通過定義及添加材料信息實(shí)現(xiàn)的，可以直接選擇ADAMS軟件中已提供的一些常用基本材料外，也可以自定義新材料。

添加約束和驅(qū)動(dòng)是為了完成運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，根據(jù)實(shí)際工況進(jìn)行的固定副、旋轉(zhuǎn)副和滑移副等約束定義以及添加運(yùn)動(dòng)副的驅(qū)動(dòng)和載荷。

3.2 仿真結(jié)果及分析

仿真計(jì)算后通過Postprocess模塊來完成仿真分析結(jié)果的運(yùn)動(dòng)曲線繪制及運(yùn)動(dòng)副上的位移、速度和加速度等數(shù)據(jù)分析和統(tǒng)計(jì)。油缸的行程隨時(shí)間變化曲線如圖6所示，罐體的質(zhì)心位移隨時(shí)間變化曲線如圖7所示?？梢钥闯?，整個(gè)翻轉(zhuǎn)過程中隨角度增大，油缸活塞最大行程接近為1 500 mm，符合背罐車翻轉(zhuǎn)過程實(shí)際情況。而且機(jī)構(gòu)模型承載部分罐體質(zhì)心位移變化曲線大致呈拋物線狀態(tài)，高度值先增大后減小。

翻轉(zhuǎn)油缸的舉升力大小隨時(shí)間變化的曲線如圖8所示?？梢钥闯觯e升力曲線變化相對(duì)比較平緩，沒有發(fā)生突變現(xiàn)象，在整個(gè)過程中舉升力由起初的推力減小逐漸變?yōu)槔υ龃?，變化曲線近似拋物線變化，其中最大舉升力位于起始狀態(tài)，約為120 kN。綜合上述數(shù)據(jù)可知翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)虛擬樣機(jī)模型的仿真情況基本正確，與實(shí)際情況相符，并且翻轉(zhuǎn)過程中無運(yùn)動(dòng)干涉，從舉升力曲線圖中可以看出舉升力最大值仍比較大，曲線圖走勢也可以進(jìn)一步減弱，具有很大的優(yōu)化空間。

4 基于ADAMS的翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計(jì)與優(yōu)化

4.1 參數(shù)化模型的建立

利用ADAMS參數(shù)化設(shè)計(jì)功能可以對(duì)現(xiàn)有方案進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而獲得最優(yōu)的設(shè)計(jì)結(jié)果[7]。由于其他三維建模軟件導(dǎo)入的模型不能夠在ADAMS中直接進(jìn)行參數(shù)化計(jì)算，本研究虛擬樣機(jī)參數(shù)化模型的創(chuàng)建，是采用ADAMS中直接建模的方式進(jìn)行翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的參數(shù)化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的。建模過程中需定義設(shè)計(jì)變量，包括變量的名稱、類型、單元、標(biāo)準(zhǔn)值和變化范圍等，其中標(biāo)準(zhǔn)值即可設(shè)定為鉸點(diǎn)位置初始值，變化范圍定義則是為了觀察設(shè)計(jì)目標(biāo)隨設(shè)計(jì)變量的變化情況[8]。完成設(shè)計(jì)變量定義之后，就可以根據(jù)翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)實(shí)際模型，在不改變各主要部件的尺寸、位置和相對(duì)運(yùn)動(dòng)規(guī)律等基本原則下來建立樣機(jī)的簡化模型并完成參數(shù)化建模。

建立實(shí)體模型時(shí)，可以首先創(chuàng)建幾何點(diǎn)，對(duì)關(guān)鍵鉸點(diǎn)位置通過之前定義的設(shè)計(jì)變量來依次進(jìn)行參數(shù)化處理，然后創(chuàng)建構(gòu)件時(shí)選擇相關(guān)幾何點(diǎn)位置，將構(gòu)件和以上幾何點(diǎn)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，從而參數(shù)化整體模型就可以通過參數(shù)化幾何點(diǎn)位置間接參數(shù)化油缸、連桿等構(gòu)件實(shí)現(xiàn)。

4.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)

翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性是由各主要活動(dòng)構(gòu)件的尺寸和相對(duì)位置確定的，特別是相關(guān)鉸接點(diǎn)的位置尺寸，在一定范圍內(nèi)改變鉸點(diǎn)位置會(huì)引起翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的性能改變，因而主要鉸點(diǎn)位置的優(yōu)化也就是此次翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)模型優(yōu)化的關(guān)鍵所在[9]。ADAMS 對(duì)參數(shù)化模型的優(yōu)化分析功能比較強(qiáng)大，主要方式包括設(shè)計(jì)研究、試驗(yàn)設(shè)計(jì)和最優(yōu)化計(jì)算[10-11]。本次優(yōu)化共涉及6個(gè)設(shè)計(jì)變量，同時(shí)進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算量較大，因而選用先分別對(duì)單個(gè)設(shè)計(jì)變量進(jìn)行逐個(gè)優(yōu)化，通過研究各設(shè)計(jì)變量靈敏值后選取靈敏度較高變量進(jìn)行二次優(yōu)化的方法。

4.3 優(yōu)化結(jié)果分析

綜合設(shè)計(jì)研究階段和試驗(yàn)設(shè)計(jì)階段的優(yōu)化結(jié)果，得出翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)主要鉸點(diǎn)位置的最終優(yōu)化坐標(biāo)見表1。

然后根據(jù)關(guān)鍵鉸點(diǎn)坐標(biāo)的優(yōu)化結(jié)果對(duì)參數(shù)化樣機(jī)模型相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行修改，并結(jié)合副車架結(jié)構(gòu)與翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行微調(diào)，得到優(yōu)化后的油缸舉升力曲線圖如圖9所示。

其中，優(yōu)化后油缸最大舉升力為104 kN，仍發(fā)生在翻轉(zhuǎn)初始階段，但與優(yōu)化前120 kN相比，減小了13.3%，油缸在翻轉(zhuǎn)時(shí)間約為27 s時(shí)刻油壓接近為零，接著由推力變小變?yōu)槔υ龃箅A段，油缸最大拉力值優(yōu)化后也由100 kN減小到72 kN，減小了28%。由此看出，優(yōu)化后的油缸舉升力的變化幅度有明顯變緩且走勢較平，橫坐標(biāo)與舉升力曲線之間圍成的面積已有明顯減小，也可以說明油缸在翻轉(zhuǎn)過程中做功量減小，優(yōu)化后舉升力系數(shù)有所減小，舉升力變化曲線形狀更為接近理想油壓特性曲線，提高了翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)性能并改善了翻轉(zhuǎn)油缸的工況，達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)束語

充分利用Pro/E軟件的強(qiáng)大建模功能，將創(chuàng)建好的三維模型導(dǎo)入到 ADAMS 中進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，并根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真的結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化，利用兩款軟件間優(yōu)勢互補(bǔ)，實(shí)現(xiàn)可設(shè)計(jì)的科學(xué)性，提高了設(shè)計(jì)效率。根據(jù)仿真結(jié)果得知翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)虛擬樣機(jī)模型的仿真情況基本正確，但翻轉(zhuǎn)油缸舉升力最大為120 kN，舉升力仍然較大，還具備相當(dāng)大的優(yōu)化空間。在運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到優(yōu)化后油缸最大舉升力為104 kN，較優(yōu)化前減小13.3%，油缸的最大拉力值也由100 kN 減小到72 kN，減小了28%，優(yōu)化后油缸舉升力變化幅度變緩，舉升力系數(shù)有所減小，舉升力變化曲線形狀更為接近理想油壓特性曲線，翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)性能得到較大改善，達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)要求。

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