粗纖維打捆機喂入壓縮機構剛柔耦合模型的動態仿真分析

張 翔，張立新，魏麗青，成 斌

（石河子大學 機械電氣工程學院，石河子 832000）

0 引言

在復雜機械系統中常存在一些柔性構件，這些柔性件對系統的動態特性會產生一定的影響[1,2]。粗纖維打捆機中喂入壓縮機構是一種偏置式雙曲柄滑塊機構，其傳動系統模型主要構件有偏置式曲柄、連桿和壓縮推進器。傳統的建模方法是將整個模型視為剛性體，即不考慮各個構件的變形，建立多剛體模型。而粗纖維打捆機在進行高密度打捆作業時，其壓縮機構中各構件承受著壓巨大的載荷。在這種情況下，彈性變形是存在的，且該變形會影響整個系統的輸出響應，故不可以忽略[3]。因此，建立喂入壓縮機構的剛柔耦合模型并進行運動學仿真分析具有重要的意義。本文基于柔性體理論，利用ADAMS中的FLEX模塊將喂入壓縮機構中的雙連桿處理成柔性體，使仿真結果更能真實的反映喂入打捆的運動狀態和規律。

1 AMDAMS柔性化理論[4～6]

ADAMS中采用的柔性化思想是將物體的N個自由度用離散化的若干個單元的有限個結點自由度來表示，再將這些離散單元若干個結點的彈性變形用少量模態特征向量和模態坐標的線性組合來表示。

式中，A表示物體坐標系到慣性參考系的轉換矩陣；sn是結點n在物體坐標系中為變形時的位置；n?是對應于結點n的移動自由度的模態矩陣子塊。

2 喂入壓縮機構模型的建立

2.1 喂入壓縮機構的工作原理

粗纖維打捆機的核心部件為喂入壓縮機構。其工作原理是：粉碎后的粗纖維通過撥叉撿拾并喂入至打捆室內，旋轉的帶輪通過減速器將動力傳至雙曲柄，旋轉的曲柄通過連桿帶動壓縮活塞完成壓縮的往復直線運動[7]。喂入壓縮機構的三維模型如圖1所示。

圖1 喂入壓縮機構三維模型

其中，偏置曲柄滑塊機構中曲柄長度為290mm，連桿長度為1026mm，偏心距為為130mm。

2.2 多剛體虛擬樣機模型的建立

將喂入壓縮機構的三維模型中的帶輪、減速器、螺栓、擋板等對仿真結果不產生影響的部件刪去，簡化為虛擬樣機仿真模型，并根據已知參數和實際工況對各元件添加約束關系如表1所示。

表1 運動副添加表

2.3 剛柔耦合虛擬樣機模型的建立

在ADAMS中所建立的模型默認為剛性體，常采用下述三種方法完成柔性體建模：

1）利用ADAMS中的FLEX模塊，即可直接生成柔性體模態中性文件MNF，從而用柔性體直接代替剛性體，該方法只適合處理結構簡單的模型[8,9]；

2）采用柔性梁連接，將構件看成若干段離散的剛性體組成，相鄰剛性體之間采用柔性梁連接[10,11]。該方法通常用于柔性化不嚴格的簡單構件；

3）有限元分析軟件與ADAMS聯合仿真，先進行模態求解，再導出模態中性文件MNF至ADAMS中完成柔性體的建模，該方法可適用于較為復雜的裝配體模型的柔性化[12]。

本文采用方法3）并按如下步驟進行連桿的柔性體建模：

1）從CAD軟件中將連桿模型以Para solid標準格式導入至ADAMS；

2）定義Solid 45單元，再定義BEAM 4號單元對beam（梁單元）4定義實常數，盡量小；

3）定義材料1特性，彈性模量2×1011，泊松比0.3，密度7800，在新建材料2并定義彈性模量2×1014，泊松比0.3，密度7.8×106[13]。

4）對連桿進行網格劃分，設置smart為3；

5）完成mesh之后，建立剛性區域，如圖2所示；

圖2 剛性區域的建立

6）利用ANSYS生成模態中性文件，并將其導入ADAMS中，替換多剛體模型中的剛性連桿，完成剛柔耦合模型的建立，如圖3所示。

圖3 機喂入壓縮機構的剛柔耦合模型

實際生產過程中要求壓縮頻率達到100次/min以上，得到驅動曲柄的轉速n=1.5rad/s，由角速度計算公式為：

式中ω表示角速度；n表示曲柄轉速；

將轉速n帶入公式，可求的ω=600rad/s，故添加驅動參數為600rad/s。

3 喂入壓縮機構剛柔耦合模型的仿真與分析

3.1 仿真參數的設定

設置轉動參數為600d*time°，仿真時間為1秒，為使計算結果精確，設置步長為1000。

3.2 仿真結果及對比

在連桿與曲柄的鉸接處分別創建標記點，即在剛性體模型和剛柔耦合模型中的A端分別建立Marker點123和Marker點166，B端建立Marker點115和Marker點167，如圖5所示。以這些標記點為研究對象，對比和分析相同位置處剛柔耦合模型與剛性體模型仿真結果的差別，探究柔性體對構件運動規律的影響。

圖4 Marker點的創建

1）位移仿真結果分析

經求解，獲取Marker123點和Marker166點的位移曲線，如圖5所示。

圖5 Marker123和166點位移曲線

由圖5可知，在A端多剛體模型的位移與剛柔耦合模型的位移變化趨勢大致相同，但存在一定的偏移量，這是因為柔性體在運動過程中存在一定的變形，使位移值大于多剛體的位移值。例如：在仿真開始的瞬間，柔性體受力產生一定的變形，故在T=0s時，Marker123點位移比Marker166點大。

獲取Marker115點和Marker167點的位移曲線，如圖6所示。

圖6 Marker115和167點位移曲線

由圖6可知，在B端多剛體模型的位移與剛柔耦合模型的位移變化曲線基本重合，僅存在細微的差別。這表明壓縮打捆機構中的連桿與壓縮推進器鉸接處，即B端的剛度較大，其位移變化受柔性件的影響很小。該處位移的變化呈現周期性，周期為1.3s，最小位移約為0.22m。

2）鉸接處受力情況分析

圖7 Marker123和166點受力情況

由圖7可知，連桿與曲柄的鉸接處，即A端力的變化呈現周期性，其周期約為0.65s。在同一個周期內，曲線存在兩個波峰和兩個波谷。當T=0s時，在剛柔耦合模型中，A端鉸接處的力從0瞬間升至175N，并存在輕微的震蕩，持續時間約為0.022s，之后力的變化與多剛體模型中力的變化基本一致。這表明曲柄從0時刻開始運動時，由于力在剛性體中傳遞時損耗較小，使得剛性體系統的響應速度較快；而對于剛柔耦合系統來說，柔性體在運動開始時會先變形再響應，故存在一定的遲滯。

獲取Marker115點和Marker167點力的變化曲線，如圖8所示。

圖8 Marker115和167點受力情況

由圖8可知，A端力的變化規律與B端力的變化規律相似，即呈現周期性，周期約為0.56s，在仿真開始的初始時刻，剛柔耦合模型中力的值產生了突變并有一定的震蕩。

3）速度變化情況分析

進一步研究A端的速度變化情況，其仿真結果如圖9所示。

圖9 Marker123和166點的速度

由圖9可知，A端速度的變化呈周期性，其周期約為0.45s，且最大速度約為2.6018m/s，最低速度約為2.6003m/s。觀察發現，多剛體模型中A端的速度比剛柔耦合模型鉸接處速度略快，但變化規律基本一致。其原因是柔性體在一定速度下運動時，受其變形的影響，使模型上速度采集處的關鍵點運動相對滯后。

獲取B端速度變化曲線，其結果如圖10所示。

由圖10可知，B端速度變化同樣呈周期性，其周期約為0.66s，且在同一個周期內存在三個極值：0m/s、-2.6m/s、2.6m/s，分別代表了壓縮活塞在X方向的兩個極限位置及壓縮活塞越過中心點處的速度大小。兩種模型中B端的速度變化曲線基本貼合，表明柔性體的變形對該鉸接處速度變化的影響較為輕微，基本可以忽略。

圖10 Marker115和167點的速度

4 結論

本文通過對粗纖維打捆機喂入壓縮機構的多剛體模型和剛柔混合模型進行動態仿真分析，得出以下結論：1）兩種模型中的位移曲線變化規律相似，但由于柔性體在運動過程中會產生一定的變形，從而使剛柔耦合模型中的位移值大于多剛體模型中的位移值；2）曲柄與連桿鉸接處力的變化周期約為0.65s。在剛柔耦合模型中，鉸接處的力瞬間從0升至175N，并存在振蕩，持續時間約為0.022s，連桿與壓縮活塞鉸接處力的變化與上述情況相似；3）曲柄連桿間速度的變化周期約為0.45s，且速度變化區間約為2.6003m/s至2.6018m/s。而連桿與壓縮活塞鉸接處速度變化的周期約為0.66s，且在同一個周期內存在三個極值：0m/s、-2.6m/s、2.6m/s。

[1] 洪嘉振,劉鑄永.剛柔耦合動力學的建模方法[J].上海交通大學學報,2008,11:1922-1926.

[2] 趙麗娟,馬永志.剛柔耦合系統建模與仿真關鍵技術研究[J].計算機工程與應用,2010,02:243-248.

[3] 石珍強,徐培民.ADAMS剛柔耦合多體系統動力學建模[J].安徽工業大學學報(自然科學版),2007,01:43-45.

[4] 劉錦陽,洪嘉振.柔性體的剛-柔耦合動力學分析[J].固體力學學報,2002,02:159-166.

[5] 王曉輝.基于剛柔耦合模型的圓柱分度凸輪機構動力學分析[D].延邊大學,2012.

[6] 高立新,胡延平,吳紅艷.基于ADAMS的剛柔耦合汽車懸架性能分析[J].合肥工業大學學報(自然科學版),2009,06:814-817.

[7] 范久臣,楊兆軍,劉長亮,王繼新,丁樹偉,施宗成.鼓式制動器剛柔耦合虛擬樣機[J].吉林大學學報(工學版),2009,S1:183-187.

[8] 余紀邦.剛柔耦合多體系統動力學建模和仿真[D].南京理工大學,2005.

[9] 韓東,高正,王浩文,張虹秋.直升機槳葉剛柔耦合特性及計算方法分析[J].航空動力學報,2006,01:36-40.

[10] 張祥杰.450噸鉗夾車剛柔耦合動態仿真分析[D].大連交通大學,2010.

[11] 李海方.起重機臂架系統剛柔耦合瞬態動力學仿真分析[D].武漢理工大學,2010.

[12] 江迎春.基于剛柔耦合的汽車懸架有限元分析[D].合肥工業大學,2008.

[13] Z. Yang,J.P. Sadler. On issues of elastic–rigid coupling in fi nite element modeling of high-speed machines[J].Mechanism and Machine Theory,1999,351.