混凝土泵車臂架參數化設計平臺的研究

張景+國宏斌+揭琳鋒+龔友

摘要：臂架系統是影響泵車性能的重要部件，通過對多體動力學軟件ADAMS的二次開發，建立一個以模塊化、參數化關鍵技術為特征的臂架分析平臺。以某型號臂架為例，在仿真平臺上建立了臂架的模型并進行了運動學、動力學分析。平臺的實際使用效果表明，該平臺可為企業設計人員提供專業、可靠、便捷的設計工具，該仿真系統具有重要的現實意義和廣泛的工程應用前景。

關鍵詞：混凝土泵車臂架；ADAMS；參數化；模塊化

中圖分類號：U415.5文獻標志碼：BResearch on Parameterized Design Platform for Boom System of

0引言

長期以來，混凝土泵車臂架的設計多采用手工計算的方式，選取一些特殊位置對油缸的受力情況進行分析[1]，這種方式的計算精度差，而且無法確切地了解各油缸在整個工況運動過程中的受力變化趨勢和油缸達到最大壓（拉）力時的具體位置。因此這種方法會在設計中漏掉許多油缸受力很大的工況，導致油缸在實際工作中出現負載過大的情況；同時，也無法知道臂架系統在運動過程中的實際運動軌跡、速度、加速度等參數，直接制約著臂架系統設計的可靠性和開發效率。

虛擬樣機技術的出現很好地解決了傳統方法在設計、優化等方面的缺點。利用多體動力學軟件ADAMS進行二次開發，可以實現將臂架系統的參數化建模、動力學仿真、結構優化集于一體，其開發的界面簡單易懂，適合各類人員操作[2]。用戶只需要輸入相應的參數，就可以建立不同結構的模型，而無需進行繁瑣的建模過程。本文針對臂架系統的基本形式，以ADAMS軟件為基礎，對其進行二次開發，建立參數化設計分析平臺，以滿足不同長度、結構形式臂架的自動建模、分析與優化[3]。

1參數化設計平臺的二次開發基礎

平臺的建立主要使用ADAMS的二次開發功能，同時滿足用戶的設計需求、功能需求和理論要求，在不改變現有軟件系統的基礎上進行軟件的功能擴展，得到想要的功能。

多體動力學軟件ADAMS具有很強的二次開發功能，包括ADAMS/View界面的用戶化設計，利用CMD語言實現自動建模和仿真控制，通過編制用戶菜單和用戶對話框可以滿足用戶的某些特定需求，開發出相應的模塊，極大地拓展了ADAMS的功能。

1.1定制用戶界面

ADAMS/View的界面對象都是以層次結構存儲在模型數據庫中，類似于零件模型的層次結構，如圖1所示。所有定制的界面對象都存儲在名為GUI 的數據庫中，該數據庫可以很方便地管理所有的標準界面對象。

1.2宏命令

宏命令是ADAMS的一組命令集，它可以執行一連串的ADAMS/View命令。創建宏命令時，首先按順序列出想執行的ADAMS/View命令清單，然后就可以將這些命令寫成宏命令的形式。在宏命令中也可以使用參數，以便讓宏命令與模型交換數據。每次使用宏命令時，都將通過對話框參數設置將數據傳給宏。當執行帶有參數的宏命令時，ADAMS/View將所提供的值代入宏命令中。

ADAMS/View對宏命令與其他的ADAMS/View命令一樣，可以在命令窗口或其他的宏命令中，或者從自己的定制菜單、對話框或按鈕中執行它。使用宏命令可以實現以下功能：自動建模、仿真和檢查分析；自動完成重復性的操作；與ADAMS/View建立模型數據交換功能；自動建立整個模型；建立機械系統的所需變量。

2參數化設計平臺總體規劃

2.1模塊劃分

根據臂架系統設計的要求，采用模塊化設計方案，將臂架參數化設計平臺劃分為人機交互界面、功能模塊、數據管理模塊。功能模塊包括參數化建模模塊、參數化裝配模塊、驅動添加模塊、分析模塊、結果提取模塊。數據管理模塊主要用于儲存已有各種臂架的標準模板，并可不斷補充。

2.2參數化設計

參數化設計即根據臂架系統的結構特點，選取關鍵參數，建立臂架系統的參數化零件庫，包括幾何模型參數化、裝配參數化、驅動參數化等。

參數化設計所需參數包括幾何參數（如部件的外形和安裝位置等）、物理參數（如質量、質心位置和轉動慣量等）和力學參數。

根據多體動力學理論和ADAMS軟件的要求，如果臂架模型的幾何參數、物理參數和力學參數與實際結構相同，模型就能表達出實際結構的幾何關系、物理關系和力學關系，仿真結果和實際臂架系統是等價的。

3參數化設計平臺開發

二次開發后的專用分析平臺要求能以菜單和對話框為人機交互界面自動完成臂架系統的動力學建模；根據輸入的工況條件自動完成動力學分析；在分析結果中自動實現有關數據的提取、管理和顯示。平臺運行流程如圖2所示。

3.1平臺文件的組織及環境初始化

二次開發文件包含5種程序文件，分別是菜單文件、對話框文件、ADAMS命令文件、模塊啟動文件和ADAMS環境初始化文件。其中ADAMS命令文件的文件名作為一個宏命令直接調用。

ADAMS啟動時，運行啟動文件，即雙擊ADAMS/View桌面快捷方式就可以進入臂架系統的開發平臺。

3.2平臺主菜單及歡迎對話框的設計

平臺主菜單在系統界面呈下拉式菜單顯示，下拉式菜單可以設計成多級菜單，如果菜單級別過少，設計平臺的功能布置將受到一定的限制；如果子菜單級別過多則用戶操作使用不方便。本平臺的菜單設有兩級。

通過以下菜單路徑可以調出菜單編輯器窗口：Main Menu|Tools|Menu|Modify。在菜單編輯器窗口中顯示的是ADAMS菜單文件，菜單文件是按照一定語法書寫的解釋性程序文件。在默認情況下，菜單編輯器窗口里顯示的是描述ADAMS標準菜單的菜單文件，按照一定的語法規則修改該菜單文件，就可以得到用戶化的菜單。endprint

3.3功能模塊設計

3.3.1建模對話框設計

根據用戶要求，利用平臺建立臂架系統及零部件模型，因此在對話框設計上，首先應考慮模型的選擇問題。在零部件參數化建模對話框，形式（TYPE）采用下拉菜單進行選擇。

如圖4所示，以連桿參數化建模對話框為例，界面主要由參數化輸入、形式選擇、模型管理、模型顯示四部分組成。

3.3.2裝配對話框設計

裝配是根據設計要求從零件庫中提出分析所需要的零件，按要分析的姿勢裝配成不同形式的臂架系統，界面分為零件選擇、姿態調整、裝配關系添加與模型管理4個部分。圖6為參數化裝配對話框。

圖6參數化裝配對話框4參數化建模及運動分析

以某五節臂架泵車 （臂架折疊形式為RZ）為例，該車在設計過程中出現了某油缸推力不足的情況，在一定程度上影響了產品質量，因此迫切需要明確設計參數，進行改進設計。

使用參數化建模平臺建模，按照要求裝配好的臂架水平工況的模型見圖7。使用平臺完成了水平展開到豎直回收這個工況，圖8顯示了臂架末端點的運動軌跡，圖9顯示了油缸的受力情況。

圖7裝配好的五節臂泵車水平工況模型圖8臂架末端點運動軌跡圖9油缸受力分析可以看出，平臺流程變得異常簡單和智能化，僅需要用戶根據結構關鍵點，即可完成設計及分析。不僅降低了工作量，而且減少了疏漏引起的失誤。

5結語

（1） 介紹了臂架參數化平臺開發的思路及規劃，即實現了臂架系統的參數化建模仿真平臺的開發，使臂架系統的設計實現了無手工計算，提高了工作效率。

（2） 以某五節臂架系統為例，展示了平臺的參數化建模及模塊分析功能，說明了該仿真系統可使全部建模過程實現自動化，有利于臂架系統設計，大大縮短了臂架系統的研發周期，具有重要的現實意義和廣泛的工程應用前景。

（3） 平臺界面有待進一步完善，數據庫有待補充更新，優化設計、有限元分析有待持續開發。

參考文獻：

[1]王選尚，史春娟. 45 m混凝土泵車結構強度研究[J]. 筑路機械與施工機械化，2012，29（3）：8284.

[2]陳立平，張云清，任衛群，等.機械系統動力學分析及ADAMS應用教程[M].北京：清華大學出版社，2005.

[3]楊平，呂彭民，王剛，等.混凝土泵車疲勞壽命預測方法[J].長安大學學報：自然科學版，2011，31（4）：102110.

[責任編輯：王玉玲]endprint

3.3功能模塊設計

3.3.1建模對話框設計

根據用戶要求，利用平臺建立臂架系統及零部件模型，因此在對話框設計上，首先應考慮模型的選擇問題。在零部件參數化建模對話框，形式（TYPE）采用下拉菜單進行選擇。

如圖4所示，以連桿參數化建模對話框為例，界面主要由參數化輸入、形式選擇、模型管理、模型顯示四部分組成。

3.3.2裝配對話框設計

裝配是根據設計要求從零件庫中提出分析所需要的零件，按要分析的姿勢裝配成不同形式的臂架系統，界面分為零件選擇、姿態調整、裝配關系添加與模型管理4個部分。圖6為參數化裝配對話框。

圖6參數化裝配對話框4參數化建模及運動分析

以某五節臂架泵車 （臂架折疊形式為RZ）為例，該車在設計過程中出現了某油缸推力不足的情況，在一定程度上影響了產品質量，因此迫切需要明確設計參數，進行改進設計。

使用參數化建模平臺建模，按照要求裝配好的臂架水平工況的模型見圖7。使用平臺完成了水平展開到豎直回收這個工況，圖8顯示了臂架末端點的運動軌跡，圖9顯示了油缸的受力情況。

圖7裝配好的五節臂泵車水平工況模型圖8臂架末端點運動軌跡圖9油缸受力分析可以看出，平臺流程變得異常簡單和智能化，僅需要用戶根據結構關鍵點，即可完成設計及分析。不僅降低了工作量，而且減少了疏漏引起的失誤。

5結語

（1） 介紹了臂架參數化平臺開發的思路及規劃，即實現了臂架系統的參數化建模仿真平臺的開發，使臂架系統的設計實現了無手工計算，提高了工作效率。

（2） 以某五節臂架系統為例，展示了平臺的參數化建模及模塊分析功能，說明了該仿真系統可使全部建模過程實現自動化，有利于臂架系統設計，大大縮短了臂架系統的研發周期，具有重要的現實意義和廣泛的工程應用前景。

（3） 平臺界面有待進一步完善，數據庫有待補充更新，優化設計、有限元分析有待持續開發。

參考文獻：

[1]王選尚，史春娟. 45 m混凝土泵車結構強度研究[J]. 筑路機械與施工機械化，2012，29（3）：8284.

[2]陳立平，張云清，任衛群，等.機械系統動力學分析及ADAMS應用教程[M].北京：清華大學出版社，2005.

[3]楊平，呂彭民，王剛，等.混凝土泵車疲勞壽命預測方法[J].長安大學學報：自然科學版，2011，31（4）：102110.

[責任編輯：王玉玲]endprint

3.3功能模塊設計

3.3.1建模對話框設計

根據用戶要求，利用平臺建立臂架系統及零部件模型，因此在對話框設計上，首先應考慮模型的選擇問題。在零部件參數化建模對話框，形式（TYPE）采用下拉菜單進行選擇。

如圖4所示，以連桿參數化建模對話框為例，界面主要由參數化輸入、形式選擇、模型管理、模型顯示四部分組成。

3.3.2裝配對話框設計

裝配是根據設計要求從零件庫中提出分析所需要的零件，按要分析的姿勢裝配成不同形式的臂架系統，界面分為零件選擇、姿態調整、裝配關系添加與模型管理4個部分。圖6為參數化裝配對話框。

圖6參數化裝配對話框4參數化建模及運動分析

以某五節臂架泵車 （臂架折疊形式為RZ）為例，該車在設計過程中出現了某油缸推力不足的情況，在一定程度上影響了產品質量，因此迫切需要明確設計參數，進行改進設計。

使用參數化建模平臺建模，按照要求裝配好的臂架水平工況的模型見圖7。使用平臺完成了水平展開到豎直回收這個工況，圖8顯示了臂架末端點的運動軌跡，圖9顯示了油缸的受力情況。

圖7裝配好的五節臂泵車水平工況模型圖8臂架末端點運動軌跡圖9油缸受力分析可以看出，平臺流程變得異常簡單和智能化，僅需要用戶根據結構關鍵點，即可完成設計及分析。不僅降低了工作量，而且減少了疏漏引起的失誤。

5結語

（1） 介紹了臂架參數化平臺開發的思路及規劃，即實現了臂架系統的參數化建模仿真平臺的開發，使臂架系統的設計實現了無手工計算，提高了工作效率。

（2） 以某五節臂架系統為例，展示了平臺的參數化建模及模塊分析功能，說明了該仿真系統可使全部建模過程實現自動化，有利于臂架系統設計，大大縮短了臂架系統的研發周期，具有重要的現實意義和廣泛的工程應用前景。

（3） 平臺界面有待進一步完善，數據庫有待補充更新，優化設計、有限元分析有待持續開發。

參考文獻：

[1]王選尚，史春娟. 45 m混凝土泵車結構強度研究[J]. 筑路機械與施工機械化，2012，29（3）：8284.

[2]陳立平，張云清，任衛群，等.機械系統動力學分析及ADAMS應用教程[M].北京：清華大學出版社，2005.

[3]楊平，呂彭民，王剛，等.混凝土泵車疲勞壽命預測方法[J].長安大學學報：自然科學版，2011，31（4）：102110.

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