基于Adams-AMESim的平臺吊機升沉補償系統聯合仿真技術

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(1. 武漢第二船舶設計研究所，武漢 430064;2. 華中科技大學 船舶與海洋工程學院，武漢 430074)

海上平臺在海上吊裝起重作業時，波浪升沉運動會給作業帶來很多困難和安全隱患，這就需要升沉補償設備進行輔助作業。國外對于升沉補償系統的研究較早[1]，國內也有不少此類研究文章，文獻[2]和[3]分別提出在不同應用系統下的升沉補償裝置，并利用AMESim軟件進行仿真驗證。雖然AMESim能完成液壓系統和控制系統的分析，但對系統運動學和動力學的分析能力較弱，在系統運動學和動力學分析仿真領域中通常選用Adams軟件進行基于虛擬樣機的仿真分析[4]。因此考慮利用Adams建立虛擬樣機完成平臺吊機升沉補償系統的運動學和動力學分析，并將虛擬樣機與AMESim中的液壓系統和控制系統結合起來，實現機-電-液多領域的聯合仿真，提高建模效率，降低開發成本，得到更好的仿真結果[5]。

基于主被動一體式海上平臺吊機升沉補償系統，利用Adams和AMESim分別建立虛擬樣機系統和液壓控制系統，通過仿真接口完成交互計算，實現聯合仿真。利用多種波浪條件下的仿真結果來分析該升沉補償系統方案，并驗證聯合仿真方案的可行性。

1 系統原理與動力學分析

1.1 系統組成與工作原理

艦船及海上平臺吊裝作業升沉補償系統原理見圖1。

1-負載；2-動滑輪組；3-復合液壓缸；4-絞車；5-電動機；6-液壓泵；7-過濾器；8-溢流閥；9-開關閥；10-換向閥；11-氣液轉換器；12-工作氣瓶；13-高壓氣瓶；14-閘閥圖1 復合油缸升沉補償系統原理示意

復合油缸3的缸體固聯安裝于船上，復合油缸活塞桿上端安裝有動滑輪組，將鋼絲繩繞過動滑輪和定滑輪兩圈，可以實現4倍增距的效果，即活塞桿相對缸體的單位位移會使負載產生4倍單位位移，同時，活塞桿受到的負載力也為繩索拉力的4倍。

油缸內部有a、b、c三腔，a、b兩腔有效作用面積相等。c腔與氣液轉換器11的液相空間相連，氣液轉換器11的氣相空間與工作氣瓶12相連，它們一起組成氣液彈簧。當負載靜止或勻速運動時，負載重力通過動滑輪作用在液壓缸活塞上，c腔液壓油提供的液壓推力與活塞承受壓力平衡，承受系統的靜載荷，即為被動補償部分。當換向閥10處于中位時，復合液壓缸的a腔與b腔不參與工作，只有與氣液轉換器聯通的c腔參與工作，系統變為被動補償系統；當換向閥10處于左位或者右位時，從液壓泵出來的液壓油可以通過換向閥進入a腔與b腔，改變換向閥閥口大小可以改變液壓油量大小，進而改變復合液壓缸活塞桿的位置，實現主被動一體式補償。

該系統包括機械部分、液壓部分和控制部分3個子系統，可以分別用Adams進行機械系統仿真，用AMESim進行液壓系統和控制系統仿真，進而實現聯合仿真。

1.2 系統動力學分析

位移轉換方程

(1)

式中:xp——活塞桿相對缸體位移;

xs——船體位移;

xh——負載絕對位移。

對于負載部分

(2)

式中:G0——負載重力;

T——鋼絲繩拉力;

Mt——負載質量。

對于液壓缸活塞桿，受力圖(見圖2)及動力學方程如下。

圖2 活塞桿受力圖

(3)

式中:Fc——被動補償力;

PL——主動補償壓力油壓力;

4T——鋼絲繩作用在活塞桿上壓力(4倍增距結構);

Mp——活塞桿質量;

g——重力加速度;

Bp——油液粘性阻尼系數;

f——摩擦力。

縱向驗算：長細比λ=h/i=1000/15.8=63.3，查《鋼結構設計規范》中表可知：φ=0.806；則F/（φA）+σm=23740/（0.806×489）+55=115.23MPa＜KA×KH×f=172.51MPa，故系梁縱向滿足要求，是安全的。

對于氣瓶提供的被動補償力Fc，常規的研究方法是用泰勒公式展開得到蓄能器的線性化模型[6]

Fc=4G0+a1xp

(4)

式中:a1的表達式為

(5)

其中:p0，V0——氣瓶的初始壓力與體積。

液壓缸流量連續性方程：

(6)

式中:QL——負載流量;

Vt——液壓缸有效體積;

βe——有效體積彈性模量。

2 聯合仿真原理

用Adams[7]建立主被動一體式升沉補償系統虛擬樣機機械部分，用AMESim建立系統的液壓部分和控制部分，通過Adams/Control模塊將Adams與AMESim有機結合起來，將機械系統導入控制系統及液壓系統分析軟件中，從而進行機-電-液一體化聯合仿真。

Adams與AMESim交互仿真的思路為利用Adams計算出負載位移和活塞桿相對缸體位移，將位移信號輸入AMESim中；再利用AMESim計算出被動補償力和主動補償力，將力信號輸入Adams中，并繼續循環下去。在Adams中，將活塞桿相對缸體位移和負載位移設置為輸出變量，將被動補償力和主動補償力設置為輸入變量，通過輸入與輸出變量實現兩個軟件之間的交互作用。聯合仿真的原理見圖3。

圖3 聯合仿真原理示意

3 基于Adams的虛擬樣機機械系統

3.1 機械系統三維模型

Adams具有很強的運動學及動力學分析能力，但很難建立復雜的三維模型,因此考慮利用Solidworks建立精確的機械系統三維模型，再導入Adams中進行分析。由于鋼絲繩部分為柔性體，在Solidworks中很難建模，不過在Adams中用耦合副來模擬鋼絲繩是合理的[8]。因此在Solidworks建模中可以省略鋼絲繩，在Solidworks中建立的簡化三維模型見圖4。

圖4 系統三維模型

3.2 機械系統運動仿真模型

機械系統的運動和動力仿真需要在Adams中進行。將Solidworks中的三維模型另存為Parasolid格式，即可導入Adams中。在Adams中完成基本的單位、網格和重力設置后，再對機械模型進行約束建模和力元建模即可建立機械系統運動仿真模型。

由于海上平臺會隨著波浪升沉運動，因此在海上平臺與ground之間建立豎直上下的滑移副；在液壓缸與海上平臺之間建立固定副；在活塞桿與液壓缸之間建立滑移副；在滑輪組與它們的旋轉軸之間分別建立圓柱副；負載與ground之間建立滑移副；負載與滑輪組之間、滑輪組內部各滑輪之間的鋼絲繩可以用耦合副來代替，因此在活塞桿、滑輪組和負載之間分別建立耦合副。

在活塞桿的被動力和主動力接觸面分別定義單方向作用力，作用力特征為Body fixed，用來模擬被動補償力和主動補償力；在海上平臺與ground之間的滑移副上定義運動，用來模擬平臺隨波浪的升沉運動。

4 基于AMESim的液壓與控制系統

4.1 液壓系統

虛擬樣機中的液壓系統分為主動補償部分和被動補償部分。主動補償部分實際上是一個閥控液壓缸位置控制系統，即根據傳感器反饋的波浪位移信號得出活塞桿相對液壓缸的期望位移，將此信號作為控制信號來控制閥的開口量進而控制活塞桿相對液壓缸的位移。被動補償部分實際上是一個由蓄能器-液壓缸組成的液壓彈簧系統，承受系統的靜載荷。在AMESim中，這兩部分需分開建模。

4.2 控制系統

對于虛擬樣機的控制系統，采用位置反饋、速度反饋和加速度反饋的控制方案，見圖5。

圖5 控制方案原理

其中，指令信號是指期望的活塞桿相對缸體位移，它可以由波浪位移信號算出，指令信號再與活塞桿相對缸體實際位移相減即可得出偏差信號，該偏差信號經過位置控制器(Kfs)計算后得出位置控制信號；速度信號和加速度信號分別在速度反饋控制器(KfvS)和加速度反饋控制器(KfaS2)的作用下得出速度反饋控制信號和加速度反饋控制信號；這3個控制信號一起作用于電液伺服閥，實現位置反饋、速度反饋和加速度反饋的控制算法。

5 聯合仿真系統

5.1 聯合仿真模型的建立

將AMESim作為主控軟件，并利用Adams/Control模塊將Adams導入AMESim中，整個仿真過程需在AMESim中運行與控制。

在Adams中，將負載位移和活塞桿相對缸體位移設置為輸出變量，將主動補償力和被動補償力設置為輸入變量，配置好輸入與輸出接口后，即生成inf文件，這個文件可被導入至AMESim中，實現兩個軟件的交互計算與仿真。模型搭建完成后，AMESim中的模型見圖6。

圖6 聯合仿真模型

5.2 聯合仿真結果分析

圖7 聯合仿真結果

由圖7可見，主被動一體式船舶吊機升沉補償系統在不同波浪輸入作用下的補償效果不同，不過都能夠達到很好的補償效果；對比同樣波浪頻率不同波浪幅值下的負載位移，可以看出，波浪幅值對于補償效果影響不大；對比同樣波浪幅值不同波浪頻率下的負載位移，可以看出，波浪頻率對于補償效果具有一定影響。基于虛擬樣機的聯合仿真模型可以實現多領域聯合仿真，為海上平臺吊機升沉補償系統的分析提供合適的虛擬試驗平臺。

6 結論

1)該系統在不同波浪輸入作用下都有較好的補償效果，波浪頻率對補償效果的影響較大，波浪幅值對補償效果影響很小；

2)聯合仿真技術可以對該系統進行很好地仿真模擬，能為該系統提供合適的虛擬試驗平臺。

3)之前有不少學者研究升沉補償系統，但很少利用聯合仿真技術進行驗證，筆者在此前的研究工作中也對主被動一體式升沉補償系統進行了理論分析，并設計出位置反饋、速度反饋和加速度反饋的控制方法，但仿真結果不夠精確，文中在此基礎上，利用虛擬試驗平臺，對該系統進行了聯合仿真，得到更有說服力的仿真結果。

4)文中所研究的聯合仿真技術可以對升沉補償系統的理論分析進行更精確的仿真，得到更接近實際情況的結果，為升沉補償系統實際樣機的開發提供技術支持。

5)可以考慮在控制算法進一步優化之后，利用Matlab建立控制模型，并與該平臺聯合起來，建立Adams-AMESim-Matlab聯合仿真模型，達到更好的仿真效果。

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