基于剛柔耦合模型采樣臂動態仿真研究

李榮麗

（陜西國防工業職業技術學院，陜西 戶縣 710300）

0 引言

采樣臂是采樣機的核心部件，其結構合理與否及動態特性直接影響整機的工作性能［1］。采樣機械臂在作業的過程中，臂架系統中的各個部件都會發生一定的變形，這個變形對動態特性有較大的影響，有可能導致作業過程中運動軌跡偏差，從而使得采樣機械臂有可能發生危險狀況，更為嚴重的甚至會造成臂架系統的部件損壞，不能正常工作。動載荷多用靜力學等效的方法計算，但這種計算方法所得到的結果有可能和實際工作過程中的危險工況不同，有一定的局限性［2］。利用ADAMS展開剛柔耦合分析，是在各個部件單獨或者復合動作過程中，而不是單獨某個靜態點，對采樣機械臂結構部件應力分布進行仿真，這樣就能有效解決 ANSYS 中遇到的問題［3－5］。因此，對采樣臂各種工況下的動應力仿真，采樣精度以及結構優化疲勞壽命等方面引起許多學者重視。

本文以采樣臂作為研究對象，建立剛柔耦合模型，旨在獲得臂架在特殊工況下的動態特性，為進一步優化模型及動態設計提供理論依據。

1 剛柔耦合模型的建立

精確模擬采樣臂在危險工況下動應力情況，建立剛柔耦合模型貼近煤炭采樣臂的實際工況，在進行動應力仿真分析過程中提高精度以保證結果的準確性，通過ANSYS和ADAMS兩種軟件結合，即可得到剛柔耦合的虛擬樣機模型，其模型如圖1所示。

圖1 剛柔耦合的虛擬樣機模型

2 煤炭采樣臂在危險工況動應力仿真分析

為了能在剛柔耦合的模型上，實現動強度的仿真分析，在ADAMS環境中，利用測量工具對所需要的角度進行測量，定義系統的狀態變量，將狀態變量函數化，并通過變量函數進行調用，目的是為了在ADAMS中實現采樣機械臂在采樣過程中承受力的計算。煤炭采樣機械臂在工作過程中工況眾多，為了節省計算的工作量，參考實際樣機調制結果，選擇最危險工況進行動應力仿真分析，即伸縮臂處于完全伸出的狀態，并且采樣臂處于水平狀態。

2.1 危險工況動應力仿真外載荷的計算

一般情況下，工作裝置的結構靜強度在其設計階段可以通過計算得到保證，而各部件在工作過程中的動應力作用下的疲勞強度則只有通過對實體進行疲勞實驗來進行測定，大大增加了產品的研發周期及成本。為了準確地計算（預測）各個部件的疲勞程度，動態應力時間歷程準確無誤的預測變得尤為重要［6-7］。

在這種危險工況下，大臂的姿態角θ1為59°，小臂的姿態角θ2為0°，采樣頭的姿態角θ3為17°，在整個過程中，煤炭采樣機械臂擺角油缸姿態角17°～39°，分別將大臂液壓缸、小臂液壓缸和伸縮臂上的移動副驅動函數修改為0*time，擺角油缸上的移動副驅動函數為step（time，0，0，5，150），模擬最危險工況下的工作過程，得到整個采樣臂的理論采樣力，如圖2所示；將仿真得到的理論采樣力作為外載荷加載在采樣頭上，得到載荷時間歷程曲線，如圖3所示。

2.2 危險工況下動應力仿真與分析

ADAMS/Durability（耐久性模塊）是ADAMS/PostProcessor功能的擴展，在這個模塊中增加了模型動強度仿真功能，即熱點（應力值比較大的點）數據計算功能，柔性體動態應力應變的動畫功能和節點應力應變的時間歷程曲線圖，通過這個模塊可以了解在實際的采樣過程中，各個柔性體的等效應力值以及節點的等效應力，為后續的仿真分析提供參考，而其中熱點數據獲得主要是通過耐久性模塊下的Hot Spots Table，仿真輸出應力值比較大的數據信息，圖4～圖5顯示的是等效應力最大的10個節點的信息，圖4為大臂熱點數據圖，圖5為小臂熱點數據圖。

此工況仿真結束，數據圖可以得到：大臂0.498 s時出現最大等效應力值為324.29 MPa，小臂0.507 s時出現最大等效應力值334.55 MPa，利用ADAMS/Durability中的Nodal Plots選項節點動態應力的輸出，大臂選擇節點號1611節點，小臂選擇節點號19665和1800節點，如圖6和7所示。

圖2 危險工況下工作裝置采樣力圖

圖3 載荷時間歷程曲線圖

圖4 大臂熱點數據圖

從圖6和圖7可以得到：此危險工況下，在采樣阻力突變時煤炭采樣機械臂會出現明顯振動，導致應力值出現變化甚至是突變，結合圖3，采樣阻力的趨勢與大臂、小臂的等效應力值的趨勢是一致的，即采樣阻力比較大的時刻柔性體構件的等效應力值也是比較大的。

圖5 小臂熱點數據圖

圖6 動應力時間歷程曲線圖

圖7 動應力時間歷程曲線圖

圖8 等效應力分布圖

為了獲得柔性體的等效應力（Von Mises Stress） 分布情況和應力值的大小，從而得知哪些區域需要加強或者減重，主要是通過此工況下的仿真，柔性體動態應力應變的動畫功能，在后處理模塊進行加載模型，輸出柔性體的動態等效應力值。

圖8為仿真0.51 s時的應力分布圖，從中可以看出大臂和小臂鉸接點、大臂和大臂油缸鉸接點以及大臂與小臂鉸接點的應力都比較大。故在結構設計的過程中應重點考慮這些鉸接的位置。

大臂、小臂結構的瞬態動應力與靜應力響應的差異，也是研究剛柔耦合建模的主要原因，為了對比分析兩者的差別，選擇在危險工況下最大等效應力對應的煤炭采樣機械臂的姿態進行仿真分析，將姿態調整到0.51 s時刻所對應的姿態，在采樣頭加載對應的外載荷值，并且將液壓缸上的驅動函數全部修改為0*time，從而進行結構的靜強度分析。仿真結束后，得到各節點的等效應力值，選取部分應力值較大的節點等效應力值與動應力仿真時0.51 s時刻的值進行對比，大臂、小臂結構的對比結果分別如表1和表2所示。

表1 大臂動應力仿真與靜強度仿真節點等效應力值對比

表2 小臂動應力仿真與靜強度仿真節點等效應力值對比

從表1和表2中我們可以看出：在相同情況下，動應力的值比靜應力的值要大，但是在這種工況下，靜應力和動應力的值都接近屈服極限，造成這種現象的原因是，外載荷的值較大，煤炭采樣機械臂工作狀態較危險，實際工作過程中一定要避免煤炭采樣機械臂在這種工況下長期工作，另外在后續的結構設計上應采取相關的補強措施。

3 結論

1）剛柔耦合模型貼近實際，更能準確反映在各種工況下采樣臂的動態特性。

2）大臂、小臂的結構應力大小主要取決于采樣臂姿態、外載荷大小以及制動時間，結構動載荷對大臂、小臂的應力影響不大。

3）在危險工況下，采樣臂的應力值都比較大，實際工作過程中盡量避免，在后續的結構優化和臂架質量減輕提供理論依據。

［1］ 李榮麗，賀利樂.煤炭采樣機械臂的剛柔耦合動力學建模與仿真分析［J］.機械設計，2013（8）：45-47.

［2］ 劉曉峰，王殿龍，滕儒民，等.基于剛柔耦合的起重機柔性臂動力學分析［J］.起重運輸機械，2011（9）：50-54.

［3］ 孫剛.煤炭采樣機性能指標的研究［J］.煤炭學報，2009，34（6）：836-839.

［4］ Bauchau O A，Rodriguez J.Modeling of Joints with Clearance in Flexible Multibody Systems ［J］.International Journal of Solids and Structure，2002，39：41-63.

［5］ 陳棟，王剛，謝秀芬.混凝土泵車臂架振動的動態特性［J］.機械設計與研究，2011，27（4）：92-95.

［6］ 郭鐵橋.火車煤采樣機性能分析［J］.煤礦機械，2003（4）：67-69.

［7］ 劉樹青，王興松.剪式機構的剛柔耦合動力學建模與仿真［J］.機械科學與技術，2011，30（11）：1881-1886.

［8］ 孫曉華，付超魁，盧安民，等.淺談機械采樣機在煤質檢驗中的應用［J］.煤質技術，2005（5）：34-35.

［9］ 王欣，任淑惠.自動帶式采樣機的設計［J］.礦山機械，2005（11）：55-56.