基于PRO/E和ADAMS的清淤裝置動(dòng)力學(xué)分析

李治國(guó)　張雅靜

【摘 要】運(yùn)用三維建模軟件Pro/E和動(dòng)力學(xué)分析軟件ADAMS對(duì)清淤裝置進(jìn)行虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)。采用“無縫連接”技術(shù)，利用ADAMS和Pro/E的專用接口Mechanism/Pro模塊，將Pro/E建好的三維模型直接導(dǎo)入到ADAMS界面下，解決了模型傳遞過程中單位、密度、剛體設(shè)置，轉(zhuǎn)化時(shí)的選項(xiàng)及曲線丟失問題，避免數(shù)據(jù)丟失。在ADAMS中對(duì)模型添加復(fù)雜約束、工作載荷及摩擦力等模仿真實(shí)運(yùn)動(dòng)情況，利用ADAMS/processor對(duì)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行后續(xù)處理，分析并繪制出抓斗張開角曲線圖、主液壓缸受力變化曲線圖等，為清淤裝置設(shè)計(jì)制造提供理論依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】清淤裝置；抓斗；虛擬樣機(jī)；動(dòng)力學(xué)分析

【Abstract】3D model software Pro/E and dynamic analysis software ADAMS were used for developing the virtual prototype design of Dredging Equipment. Using special connection Mechanism/Pro between Pro/E and ADAM， Pro/E 3D model has been transferred directly into ADAMS to avoid data loss by the “seamless link” technology， the unit， density， rigid body and option of transforming have been solved when model was transferred. Real movement has been imitated after adding complicated constraints， load， friction. The opening angle curve of the open struggle、pressure changes curve of the main hydraulic cylinder， which provide a theoretical basis for the design and manufacture have been analyzed and mapped out by ADAMS/processor.

【Key words】Dredging Equipment；Grab ；Virtual Prototype；Dynamic analysis

0 前言

虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)是近年來利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的一種新的現(xiàn)代設(shè)計(jì)手段[1]，它的產(chǎn)生和發(fā)展為機(jī)械、建筑、化工等行業(yè)注入了新的活力。它是指利用計(jì)算機(jī)反復(fù)構(gòu)造虛擬樣機(jī)，并對(duì)其分析、仿真以得到最優(yōu)設(shè)計(jì)結(jié)果的設(shè)計(jì)方法。虛擬樣機(jī)技術(shù)已經(jīng)與高度發(fā)展的CAD、CAM及CAE系統(tǒng)的有機(jī)結(jié)合，為產(chǎn)品的創(chuàng)意、變更以及工藝優(yōu)化提供了虛擬的三維環(huán)境[2]。在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過程中創(chuàng)造虛擬環(huán)境，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行虛擬加工、裝配和評(píng)價(jià)，進(jìn)而避免設(shè)計(jì)缺陷，有效地縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期，同時(shí)降低產(chǎn)品的開發(fā)成本和制造成本[3]。本課題采用PRO/E和ADAMS創(chuàng)建清淤裝置虛擬樣機(jī)平臺(tái)。

1 建立清淤裝置虛擬樣機(jī)

優(yōu)化后的抓斗模型最終應(yīng)力分析較合理后，再根據(jù)抓斗的模型結(jié)構(gòu)尺寸確立清淤裝置各零件的三維模型[4]，包括主液壓缸、側(cè)液壓缸、十字接頭、斗座、銷軸、螺栓等。建模過程中單位制選擇mm、㎏、S、℃。對(duì)每一零部件都要具體設(shè)定密度、彈性模量、剪切模量、泊松比等。清淤裝置中的零件分標(biāo)準(zhǔn)件和非標(biāo)準(zhǔn)件[5]，對(duì)其中的螺栓、螺母、銷軸等標(biāo)準(zhǔn)件分別進(jìn)行了建庫(kù)[6]，如圖1所示。

三維零件模型明如圖2。

2 Pro/E和ADAMS聯(lián)合仿真實(shí)現(xiàn)

2.1 Pro/E和ADAMS的無縫連接

Pro/E和ADAMS是兩家公司開發(fā)的軟件平臺(tái)，所以模型的傳輸不可能達(dá)到100%的無縫連接，兩者之間不同的圖形格式將導(dǎo)致圖形轉(zhuǎn)化時(shí)會(huì)發(fā)生某些圖形元素丟失現(xiàn)象。本課題利用MDI公司提供的Pro/E與ADAMS專用接口模塊Mechanism/Pro，通過該模塊，Pro/E與ADAMS可以采用無縫連接的方式，使Pro/E用戶不必退出其應(yīng)用環(huán)境，就可以將裝配體根據(jù)其運(yùn)動(dòng)關(guān)系定義為機(jī)構(gòu)系統(tǒng)，進(jìn)行系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真、干涉檢查、確定運(yùn)動(dòng)鎖止的位置以及計(jì)算運(yùn)動(dòng)副間的作用力等，避免了數(shù)據(jù)丟失。

2.2 聯(lián)合仿真流程

利用Pro/E和ADAMS兩大軟件進(jìn)行聯(lián)合仿真分析的流程圖3如下[7]。

2.3 添加約束、載荷

在ADAMS中添加復(fù)雜的約束，包括六個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副、三個(gè)移動(dòng)副。其中在主液壓缸、兩側(cè)液壓缸移動(dòng)副上添加三個(gè)滑移驅(qū)動(dòng)；根據(jù)轉(zhuǎn)換后的系統(tǒng)坐標(biāo)，設(shè)置環(huán)境的重力加速度方向和大小，方向?yàn)檠貀 軸正方向，大小為9865㎜/S2。

添加完模型約束和驅(qū)動(dòng)后，ADAMS/View可以自動(dòng)調(diào)用ADAMS/Solver對(duì)模型進(jìn)行仿真求解。在進(jìn)行仿真之前，ADAMS/Solver通過計(jì)算模型的自由度判斷是進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真還是進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真。如果整個(gè)模型的自由度為0，對(duì)其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真；如果整個(gè)模型的自由度為1或大于1，則對(duì)其進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真。點(diǎn)擊工具欄菜單Interactive Simulation就可以進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真[8]。

按照單斗受力簡(jiǎn)圖依次添加載荷，將計(jì)算得到的抓斗刃口切割阻力F1、側(cè)板切割阻力F2、底板內(nèi)外摩擦力和粘聚力F3、側(cè)板內(nèi)外摩擦力和粘聚力F4依次添加。

為了確保運(yùn)動(dòng)仿真時(shí)抓斗在正確的位置閉合，需要添加一個(gè)傳感器來控制抓斗的運(yùn)動(dòng)。傳感器是通過測(cè)量?jī)勺ザ分g的角度來建立的。點(diǎn)擊菜單Build —>Measure—>angle，選取已建好的三個(gè)Maker點(diǎn)后就可以測(cè)量抓斗在運(yùn)動(dòng)仿真過程中的張開角度。點(diǎn)擊菜單Simulate —>Senor，建立新的傳感器。在Expression中輸入.MPRO_model.MEA_ANGLE_1，選取Terminate current simulation step復(fù)選框中的stop， 這樣傳感器會(huì)在抓斗完全閉合即抓斗張開角等于0 時(shí)自動(dòng)停止運(yùn)動(dòng)[9]。

3 進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析

3.1 抓斗挖掘過程曲線分析

在開始仿真分析計(jì)算后，ADAMS軟件通過其功能強(qiáng)大的積分器求解矩陣方程。如果在仿真時(shí)間結(jié)束前，不發(fā)生雅可比矩陣奇異或矩陣結(jié)構(gòu)奇異（如位置鎖死），則仿真成功。如果在仿真過程中，出現(xiàn)雅可比矩陣奇異或矩陣結(jié)構(gòu)奇異[10]，則數(shù)值發(fā)散，ADAMS軟件顯示為仿真失敗，同樣在模型添加約束、載荷、驅(qū)動(dòng)等時(shí)，如果添加不當(dāng)，也會(huì)造成模型仿真失敗。如出現(xiàn)系統(tǒng)提示錯(cuò)誤，就需要檢查系統(tǒng)模型（特別是運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的位置鎖死點(diǎn)以及約束的類型），或者重新設(shè)置時(shí)間步長(zhǎng)、系統(tǒng)阻尼、數(shù)值積分程序中的控制參數(shù)等，自然得出正確的仿真結(jié)果。清淤裝置在運(yùn)動(dòng)仿真過程中受到傳感器的控制，在抓斗閉合后運(yùn)動(dòng)會(huì)立即停止。仿真結(jié)束后，進(jìn)行仿真結(jié)果后處理。利用ADAMS的plot tracking工具，可以得到各個(gè)曲線的各點(diǎn)數(shù)值[11]。

點(diǎn)擊開始仿真按鈕，注意仿真運(yùn)動(dòng)時(shí)間一定要比實(shí)際結(jié)束時(shí)間稍長(zhǎng)一些，且小于步長(zhǎng)，否則傳感器將不起作用。清淤裝置開始運(yùn)動(dòng)到停止過程中抓斗的張開角的變化曲線如圖4。

抓斗的挖掘張開角φ的變化反映了抓斗的運(yùn)動(dòng)過程。抓斗從張開角φ=84°開始運(yùn)動(dòng)，直到張開角φ=0°時(shí)停止，虛擬樣機(jī)仿真運(yùn)行時(shí)間31秒。

通過測(cè)量抓斗主液壓缸在運(yùn)動(dòng)方向上的驅(qū)動(dòng)力，得到主液壓缸向上反力曲線變化圖5。

主液壓缸受力曲線分析：

抓斗開始挖掘時(shí)，即張開角φ=84°時(shí)，主液壓缸需提供向下的進(jìn)給力500N。仿真開始后向下的進(jìn)給力逐漸變小，在仿真進(jìn)行4秒時(shí)，即張開角φ=72°時(shí)，主液壓缸提供向下動(dòng)力為0。隨著抓斗的閉合，主液壓缸提供克服清淤裝置重力的向上作用力，抓斗閉合時(shí)達(dá)到最大，為4745N，方向豎直向上。

4 結(jié)論

（1）論文利用Pro/E和ADAMS兩大軟件聯(lián)合仿真的虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)了真正的“無縫連接”。建立了一個(gè)新的集靜力學(xué)、動(dòng)力學(xué)虛擬樣機(jī)分析平臺(tái)，為研發(fā)其它系列產(chǎn)品奠定了基礎(chǔ)。

（2）清淤裝置在挖掘過程中，主液壓缸提供的向下進(jìn)給力最大500N，隨后逐漸減小，在抓斗張開角小于72°后，清淤裝置自重大于了挖掘阻力，主液壓缸提供克服抓斗自重的向上作用力，逐漸增大，最大達(dá)到4745N。

（3）主液壓缸在挖掘過程中最大行程為500㎜，即最大挖深為0.5m。

（4）利用ADAMS強(qiáng)大的動(dòng)力學(xué)仿真功能，添加約束、驅(qū)動(dòng)、載荷和傳感器后，繪制并分析抓斗張開角曲線圖，主液壓缸受力、位移變化曲線圖等，為日后液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

【參考文獻(xiàn)】

[1]朱林，陳發(fā).機(jī)械虛擬設(shè)計(jì)中基于特征的零件實(shí)體建模技術(shù)[J].新疆農(nóng)機(jī)化，2002，6：45-47.

[2]劉宏增.淺談“虛擬設(shè)計(jì)”[J].機(jī)械工人，1999，7：3-5.

[3]王健.虛擬設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造，2000，4：85.

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[6]徐灝. 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

[7]王向麗.送料機(jī)構(gòu)虛擬開發(fā)的相關(guān)技術(shù)及開發(fā)平臺(tái)[D].蘭州理工大學(xué)，2004.

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[9]陳立平，等.機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析及ADAMS應(yīng)用教程[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005，1：95-175.

[10]張鵬程，張鐵. 基于矢量積法的六自由度工業(yè)機(jī)器人雅可比矩陣求解及奇異位形的分析[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2011（08）：152-154.

[11]趙滿全，竇衛(wèi)國(guó).新型馬鈴薯挖掘機(jī)的研制與開發(fā)[J].內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)：自然科學(xué)版，2000，21（02）：91-95.

[責(zé)任編輯：龐修平]

3 進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析

3.1 抓斗挖掘過程曲線分析

在開始仿真分析計(jì)算后，ADAMS軟件通過其功能強(qiáng)大的積分器求解矩陣方程。如果在仿真時(shí)間結(jié)束前，不發(fā)生雅可比矩陣奇異或矩陣結(jié)構(gòu)奇異（如位置鎖死），則仿真成功。如果在仿真過程中，出現(xiàn)雅可比矩陣奇異或矩陣結(jié)構(gòu)奇異[10]，則數(shù)值發(fā)散，ADAMS軟件顯示為仿真失敗，同樣在模型添加約束、載荷、驅(qū)動(dòng)等時(shí)，如果添加不當(dāng)，也會(huì)造成模型仿真失敗。如出現(xiàn)系統(tǒng)提示錯(cuò)誤，就需要檢查系統(tǒng)模型（特別是運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的位置鎖死點(diǎn)以及約束的類型），或者重新設(shè)置時(shí)間步長(zhǎng)、系統(tǒng)阻尼、數(shù)值積分程序中的控制參數(shù)等，自然得出正確的仿真結(jié)果。清淤裝置在運(yùn)動(dòng)仿真過程中受到傳感器的控制，在抓斗閉合后運(yùn)動(dòng)會(huì)立即停止。仿真結(jié)束后，進(jìn)行仿真結(jié)果后處理。利用ADAMS的plot tracking工具，可以得到各個(gè)曲線的各點(diǎn)數(shù)值[11]。

點(diǎn)擊開始仿真按鈕，注意仿真運(yùn)動(dòng)時(shí)間一定要比實(shí)際結(jié)束時(shí)間稍長(zhǎng)一些，且小于步長(zhǎng)，否則傳感器將不起作用。清淤裝置開始運(yùn)動(dòng)到停止過程中抓斗的張開角的變化曲線如圖4。

抓斗的挖掘張開角φ的變化反映了抓斗的運(yùn)動(dòng)過程。抓斗從張開角φ=84°開始運(yùn)動(dòng)，直到張開角φ=0°時(shí)停止，虛擬樣機(jī)仿真運(yùn)行時(shí)間31秒。

通過測(cè)量抓斗主液壓缸在運(yùn)動(dòng)方向上的驅(qū)動(dòng)力，得到主液壓缸向上反力曲線變化圖5。

主液壓缸受力曲線分析：

抓斗開始挖掘時(shí)，即張開角φ=84°時(shí)，主液壓缸需提供向下的進(jìn)給力500N。仿真開始后向下的進(jìn)給力逐漸變小，在仿真進(jìn)行4秒時(shí)，即張開角φ=72°時(shí)，主液壓缸提供向下動(dòng)力為0。隨著抓斗的閉合，主液壓缸提供克服清淤裝置重力的向上作用力，抓斗閉合時(shí)達(dá)到最大，為4745N，方向豎直向上。

4 結(jié)論

（1）論文利用Pro/E和ADAMS兩大軟件聯(lián)合仿真的虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)了真正的“無縫連接”。建立了一個(gè)新的集靜力學(xué)、動(dòng)力學(xué)虛擬樣機(jī)分析平臺(tái)，為研發(fā)其它系列產(chǎn)品奠定了基礎(chǔ)。

（2）清淤裝置在挖掘過程中，主液壓缸提供的向下進(jìn)給力最大500N，隨后逐漸減小，在抓斗張開角小于72°后，清淤裝置自重大于了挖掘阻力，主液壓缸提供克服抓斗自重的向上作用力，逐漸增大，最大達(dá)到4745N。

（3）主液壓缸在挖掘過程中最大行程為500㎜，即最大挖深為0.5m。

（4）利用ADAMS強(qiáng)大的動(dòng)力學(xué)仿真功能，添加約束、驅(qū)動(dòng)、載荷和傳感器后，繪制并分析抓斗張開角曲線圖，主液壓缸受力、位移變化曲線圖等，為日后液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

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[6]徐灝. 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

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[10]張鵬程，張鐵. 基于矢量積法的六自由度工業(yè)機(jī)器人雅可比矩陣求解及奇異位形的分析[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2011（08）：152-154.

[11]趙滿全，竇衛(wèi)國(guó).新型馬鈴薯挖掘機(jī)的研制與開發(fā)[J].內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)：自然科學(xué)版，2000，21（02）：91-95.

[責(zé)任編輯：龐修平]

3 進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析

3.1 抓斗挖掘過程曲線分析

在開始仿真分析計(jì)算后，ADAMS軟件通過其功能強(qiáng)大的積分器求解矩陣方程。如果在仿真時(shí)間結(jié)束前，不發(fā)生雅可比矩陣奇異或矩陣結(jié)構(gòu)奇異（如位置鎖死），則仿真成功。如果在仿真過程中，出現(xiàn)雅可比矩陣奇異或矩陣結(jié)構(gòu)奇異[10]，則數(shù)值發(fā)散，ADAMS軟件顯示為仿真失敗，同樣在模型添加約束、載荷、驅(qū)動(dòng)等時(shí)，如果添加不當(dāng)，也會(huì)造成模型仿真失敗。如出現(xiàn)系統(tǒng)提示錯(cuò)誤，就需要檢查系統(tǒng)模型（特別是運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的位置鎖死點(diǎn)以及約束的類型），或者重新設(shè)置時(shí)間步長(zhǎng)、系統(tǒng)阻尼、數(shù)值積分程序中的控制參數(shù)等，自然得出正確的仿真結(jié)果。清淤裝置在運(yùn)動(dòng)仿真過程中受到傳感器的控制，在抓斗閉合后運(yùn)動(dòng)會(huì)立即停止。仿真結(jié)束后，進(jìn)行仿真結(jié)果后處理。利用ADAMS的plot tracking工具，可以得到各個(gè)曲線的各點(diǎn)數(shù)值[11]。

點(diǎn)擊開始仿真按鈕，注意仿真運(yùn)動(dòng)時(shí)間一定要比實(shí)際結(jié)束時(shí)間稍長(zhǎng)一些，且小于步長(zhǎng)，否則傳感器將不起作用。清淤裝置開始運(yùn)動(dòng)到停止過程中抓斗的張開角的變化曲線如圖4。

抓斗的挖掘張開角φ的變化反映了抓斗的運(yùn)動(dòng)過程。抓斗從張開角φ=84°開始運(yùn)動(dòng)，直到張開角φ=0°時(shí)停止，虛擬樣機(jī)仿真運(yùn)行時(shí)間31秒。

通過測(cè)量抓斗主液壓缸在運(yùn)動(dòng)方向上的驅(qū)動(dòng)力，得到主液壓缸向上反力曲線變化圖5。

主液壓缸受力曲線分析：

抓斗開始挖掘時(shí)，即張開角φ=84°時(shí)，主液壓缸需提供向下的進(jìn)給力500N。仿真開始后向下的進(jìn)給力逐漸變小，在仿真進(jìn)行4秒時(shí)，即張開角φ=72°時(shí)，主液壓缸提供向下動(dòng)力為0。隨著抓斗的閉合，主液壓缸提供克服清淤裝置重力的向上作用力，抓斗閉合時(shí)達(dá)到最大，為4745N，方向豎直向上。

4 結(jié)論

（1）論文利用Pro/E和ADAMS兩大軟件聯(lián)合仿真的虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)了真正的“無縫連接”。建立了一個(gè)新的集靜力學(xué)、動(dòng)力學(xué)虛擬樣機(jī)分析平臺(tái)，為研發(fā)其它系列產(chǎn)品奠定了基礎(chǔ)。

（2）清淤裝置在挖掘過程中，主液壓缸提供的向下進(jìn)給力最大500N，隨后逐漸減小，在抓斗張開角小于72°后，清淤裝置自重大于了挖掘阻力，主液壓缸提供克服抓斗自重的向上作用力，逐漸增大，最大達(dá)到4745N。

（3）主液壓缸在挖掘過程中最大行程為500㎜，即最大挖深為0.5m。

（4）利用ADAMS強(qiáng)大的動(dòng)力學(xué)仿真功能，添加約束、驅(qū)動(dòng)、載荷和傳感器后，繪制并分析抓斗張開角曲線圖，主液壓缸受力、位移變化曲線圖等，為日后液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

【參考文獻(xiàn)】

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