基于SolidWorks和Adams的翻料機沖擊研究

徐志楊，蔡 琳，李春茂，蔣海江

（1. 中國礦業大學 機電學院，徐州 221116；2. 江西新余學院 現代教育技術中心，新余 338004；3. 天津市渤海裝備新世紀機械制造公司，天津 300280；4. 云南省小龍潭礦務局，開遠 661601）

基于SolidWorks和Adams的翻料機沖擊研究

徐志楊1，蔡 琳2，李春茂3，蔣海江4

（1. 中國礦業大學 機電學院，徐州 221116；2. 江西新余學院 現代教育技術中心，新余 338004；3. 天津市渤海裝備新世紀機械制造公司，天津 300280；4. 云南省小龍潭礦務局，開遠 661601）

利用ADAMS軟件建立半自動液壓式翻料機的數字化虛擬平臺，對翻料機的落料口進行柔性化建模，按ADAMS中沖擊函數模型進行虛擬沖擊，得出建模的抗沖擊極限。此方法可以簡化機械產品的設計開發過程，縮短產品開發周期，減少費用和成本，獲得最優的創新設計產品。

ADAMS；沖擊；計算機仿真；虛擬樣機

0 引言

設備抗沖擊包括設備本身的抗沖擊性能和沖擊隔離技術兩個方面。國內外絕大部分文獻都是關于設備振動隔離器的研究，設備本身抗沖擊性能相關的研究基本上是關于靜態結構的應力應變分析，而動力設備的仿真和試驗研究幾乎沒有[1]。

隨著計算機技術的發展，仿真技術在翻料機抗沖擊強度的計算方面發揮的作用越來越大， 著名的虛擬樣機技術-ADAMS機械動力學仿真軟件，在靜力學、運動學和動力學上有著很強的分析能力，對沖擊、碰撞過程具有一定的捕捉分析能力，可以配合試驗獲得一些僅靠試驗不能得到的實用性強的技術數據。翻料機主要用于大、中型模具的翻轉，港口鋼卷的翻轉，熱處理大中型工件的翻轉等，以降低操作人員的勞動強度，避免意外危險損壞工件和危及操作人員的人身安全。

1 翻料機沖擊強度模型系統的建立

利用SolidWorks軟件對半自動液壓式翻料機進行精確的三維實體模型繪制。為了能完整地表征翻料機的動力學特性，首先將裝配圖另存為‘*。part’零件格式，通過SolidWorks自帶‘合并’命令將兩兩位置不變的構件定義成一個剛體，并去掉不必要的機構，如，將支架、前臂合并，去掉電控箱、電液泵和連接線路等，這樣翻料機就簡化為7個剛體。

翻料機落料口的柔性體模型即是在仿真分析過程中將落料口視為彈性變形體，要在多體動力學分析中建立落料口的柔性體，必須先對落料口進行有限元分析。利用有限元軟件進行10節點四面體單元網格劃分，共8882個單元，18266個節點，得到其各階振型和固有頻率，如圖1-圖4所示。

圖1 落料口一階振型（頻率11.27Hz）

落料口需要予以重視的振動固有頻率都比較低，300 Hz以內的振型可以比較全面地描述落料口的動態特性。

圖4 落料口四階振型（頻率146.47Hz）

由于ADAMS的核心文件格式是Para solid格式，所以把在SOLIDWORKS生成的翻料機模型轉換成Para solid格式就可以了， 將模型文件導入到ADAMS軟件中，底座視為剛體固定在地面上，各部件之間以運動副聯接。然后用在ANSYS中生成的柔性落料口(即模態中性文件)代替剛性落料口，方法是把柔性落料口移動到剛性落料口的位置，再將連接關系進行修改[2]。

然后再對轉換過來的翻料機模型重新設置材料特性，添加各種約束，修改某些不合理的部分，得到最終的翻料機模型，如圖5所示。

2 ADAMS中翻料機虛擬沖擊

圖5 翻料機虛擬樣機

ADAMS中將構件看作是剛體，因此兩個構件接觸時不允許產生相互穿透，在數學上用不等式條件表示。處理這種約束條件的方法通常采用拉格朗日算子法或懲罰函數法。懲罰函數法具有簡單、不增加附加方程與附加變量的優點；特別是它適合處理不連續型接觸問題；而且，容易用彈簧這種物理模型來解釋。因此，ADAMS采用懲罰函數法來建立接觸約束模型[3]。

在兩物體接觸面上存在著接觸面法向力(沖擊力或接觸力)和接觸面切向力(摩擦力)兩種作用。當接觸不連續時產生的接觸法向力就是沖擊力。由于摩擦力本身也是非常復雜的問題，ADAMS中對它作了簡化，采用比較簡單的庫侖摩擦力模型來計算。本文對此不作詳細討論，而集中在法向力上。

沖擊函數模型用位移、速度來定義接觸力，它可以用在連續型接觸和不連續型接觸兩種情況上；而且，剛度k與材料特性相關物理意義明顯；當剛度取值較大造成收斂困難時，可以通過調整穿透深度來改善收斂，計算比較穩定。所以計算沖擊力時要采用該模型[4]。

ADAMS中沖擊函數模型用一個彈簧一阻尼模型來表示，沖擊力函數表示為：

式中：

k——彈簧剛度；

e——形狀指數，對于接觸的兩個構件都是鋼材料時，e選取1.5；

dmax——最大允許穿透深度，數值上一般為剛度值的0.01%—0.1%；

cmax——當達到最大穿透深度時所應用的最大阻尼值。

一般鋼結構阻尼系數可按如下規律選取：材料采用線性模型，構件工作在彈性階段，阻尼系數取0.02～0.05，當應力較小時取偏小值，應力較大時取偏大值；采用線性模型，構件工作在彈塑性階段，阻尼系數取0.1～0.2，進入塑性化程度較淺時取小值，進入塑性化程度較深時取大值。 如果材料采用非線性模型，阻尼系數取0.01。此處設置其阻尼為0.035 N ·s ·mm-1。

剛度k的數值是相接觸的兩個構件剛度的綜合值。理論上k的數值可以參考接觸力學文獻計算[5]。在初始仿真時也可以按下面的公式估算：

物料沖擊發生在t=0.3s，此時速度約為2.826m/s，物料重量為145.92kg，計算的k為114249N/m，如圖6，圖7所示。

對翻料機實施虛擬沖擊，調用接觸沖擊力函數，在Adams中分析得圖8s，最大沖擊力為37689.8N，遠小于落料口的屈服極限，即落料口可承受的該沖擊。通過樣機試驗，也證明該結構可承受能夠可靠的承受沖擊。

3 結論

1）基于多體動力學所建的翻料機仿真模型的抗沖擊模型是可靠的 ，其結果是可用的。

2）利用沖擊函數模型對落料口的抗沖擊強度特性進行了仿真，落料口的強度在額定工況下在其屈服極限內。

3）由于未考慮摩擦等因素，模型中落料口的強度計算結果要小于實際結果。

4）應用多體系統動力學理論、 有限元模態分析方法， 對翻料機落料口沖擊強度作了仿真分析，可以簡化翻料機的設計開發過程，減少開發成本。

圖6 沖擊構件前速度

圖7 物料沖擊構件后速度

圖8 物料沖擊構件時加速度

[1] 吳問鮑. 翻料機抗沖擊性能仿真[J]. 船海工程, 2010,39(1).

[2] 西雅, 孟翔. 基于ADAMS的汽車座椅沖擊強度的仿真研[J]. 陜西科技大學學報, 2009, 25(2)： 100-104.

[3] MSC ADAMS Users' Guide [DB/OL].

[4] 裴未遲, 李耀剛, 李運紅, 等. 基于虛擬樣機技術—ADAMS的沖擊力模型[J]. 理工大學學報(自然科學版),2007, 30(4)： 59-63.

[5] k L Jolm. On Contact Mechanics[M]. the Press Syndicate of the University of Cambridge.

Research on impact simulation of upender based on ADAMS and SolidWorks

XU Zhi-yang1, CAI Lin2, LI Chun-mao3, JIANG Hai-jiang4

TH117

A

1009-0134(2011)5(下)-0103-03

10.3969/j.issn.1009-0134.2011.5(下).31

2010-11-26

徐志楊（1988－），男，山東濰坊人，在讀研究生，研究方向為機械制造及自動化。