基于ADAMS-Cable的多機吊裝剛柔耦合動力學分析

李瑞強　王　欣　高順德

大連理工大學機械工程學院

?

基于ADAMS-Cable的多機吊裝剛柔耦合動力學分析

李瑞強王欣高順德

大連理工大學機械工程學院

摘要：多臺起重機在協同吊裝過程中，由于超靜定問題、臂架柔性、起停慣性力等因素，會產生附加的沖擊載荷，影響多機吊裝系統的受力狀態。通過Pro/E、ANSYS、ADAMS等軟件建立剛柔耦合的多機吊裝模型，并通過ADAMS-Cable建立鋼絲繩模型模擬多機吊裝過程，求得吊裝過程多機吊裝系統受力，為多機安全吊裝提供一種重要的參考方法。

關鍵詞：多機吊裝； 剛柔耦合； 超靜定； 吊裝力

1前言

單臺起重機吊裝已經無法滿足越來越復雜的吊裝要求，多機協同吊裝能夠充分利用現有起重機資源，完成更大噸位的吊裝任務，這種優勢越來越受到人們的重視[1]。然而多機系統在吊裝過程中，一般處于超靜定狀態，臂架和被吊物具有一定的柔性，且鋼絲繩也容易受到重力和慣性力的影響，很難獲得多機系統準確的受力狀態。

文獻[2]通過ANSYS生成mnf模態中性文件導入ADAMS中模擬鋼絲繩柔性體，較好地模擬了鋼絲繩在吊裝過程中的狀態，但無法準確模擬鋼絲繩受重力和慣性力的影響，也無法實現鋼絲繩與滑輪之間的纏繞。文獻[3]采用關聯約束副或齒輪副來模擬吊裝過程鋼絲繩模型，雖然仿真速度較快，但是其仿真準確性還有待提高，而且在仿真過程中也容易出現過約束。文獻[4]采用Bushing嵌套力連接多段小圓柱模擬起重機吊裝過程鋼絲繩模型，仿真準確性明顯提高，但是無法實現參數化建模和優化設計。文獻[5]采用ADAMS_Cable準確模擬了動臂塔式起重機吊裝過程中鋼絲繩的受力狀態，但是未考慮到臂架和被吊物柔性對吊裝力的影響。文獻[6]將鋼絲繩視為柔性體，其他部件視為剛性體，通過補充變形協調方程得出一種快速求解多機吊裝系統超靜定吊裝力的方法，由于其未考慮臂架和被吊物柔性以及鋼絲繩豎直方向的偏角，無法準確獲得多機系統載荷歷程。

本文以1臺1 600 t主起重機、1臺1 250 t主起重機和2臺600 t溜尾起重機協同吊裝1 150 t導管架為研究對象，其中4臺起重機均為履帶起重機超起工況。多機吊裝系統的動作過程為：4臺起重機協同起升2 m為導管架翻轉做準備；3號和4號主起重機起升17.563 m，1號和2號溜尾起重機行走2.782 m，使導管架翻轉18°，導管架達到預安裝角度；4臺起重機協同起升65.5 m,使導管架達到預安裝高度；4臺起重機協同行走10 m，使導管架達到預安裝位置；4臺起重機協同下降2.71 m,使導管架達到最終安裝位置。在此過程中，由于導管架承受4條鋼絲繩的吊裝力以及重力作用，處于空間超靜定狀態，且臂架、超起桅桿、導管架和鋼絲繩的柔性等因素影響,使得無法通過靜力學平衡條件獲得多機吊裝系統的吊裝力載荷歷程。因此本文運用Pro/E、ANSYS與ADAMS軟件對多機吊裝系統進行動力學仿真，分析了多機吊裝系統在吊裝過程的受力情況，為多機安全吊裝提供一種重要的參考方法。

2動力學模型的建立

多機吊裝系統在吊裝過程中存在起升、平移、旋轉和翻轉等多種復雜的吊裝情況，在此過程中其協同吊裝顯得尤為重要[7]。本文所研究的多機吊裝系統使用的起重機為履帶式起重機，主要由下車、轉臺、臂架、超起桅桿、主臂拉板、桅桿、超起桅桿與桅桿間拉板、配重等部件組成，其基本模型如圖1所示。在多機吊裝模型中，下車、轉臺、桅桿部分相對于臂架、鋼絲繩等，其剛度很大，變形對于計算結果的影響幾乎可以忽略不計。為了減小計算量，通過PARASOLID接口導入到ADAMS中建立剛體模型；臂架、超起桅桿、導管架等部件，由于其均屬于細長結構，在實際運動過程中，其變形較大程度地影響了計算結果，通過ADAMS與ANSYS的接口文件mnf導入到ADAMS中建立柔體模型；鋼絲繩在運動過程中，只承受拉力，而且容易受到慣性力的影響，在ADAMS中利用Machinery模塊中的Cable插件建立鋼絲繩以及滑輪等繩索系統，添加各部件之間的運動副關系，建立剛柔耦合的多機吊裝系統動力學模型。

圖1　履帶起重機模型示意圖

2.1臂架模型的建立

本文所涉及的履帶起重機臂架形式為桁架臂式，在ANSYS中統一為mm，kg，N，s，設置彈性模量為2.06 E+005 MPa，泊松比設置為0.3，密度設置為7.85 E-006 kg/mm3，利用beam188單元設置弦桿與腹桿，利用shell63單元建立底節與臂頭的板殼部分，按照模型實際情況分別賦予shell單元對應的實常數，賦予beam單元對應的截面參數，劃分網格后通過mass21單元在臂架根鉸點、臂頭滑輪鉸點、主臂拉板鉸點等部位建立剛性區域，作為ADMAS軟件中約束副和載荷的施加節點。

通過ANSYS軟件的ADAMS Connection接口，將各個剛性節點作為輸出節點，設置Length Factor為1000，Mass Factor、Force Factor、Time Factor為1，求解并導出為mnf文件，通過ADAMS的Flex模塊導入到ADAMS中，并關閉一些對計算結果影響不大的高階模態，提高仿真速度。

2.2鋼絲繩模型的建立

ADAMS-Cable模塊運用有限元離散化思想，用軸套力將各小球進行柔性連接來仿真鋼絲繩在起升、制動等環節產生的振動。根據實際模型完成錨固、滑輪的建立。由于滑輪不能直接建立在柔性體上，因此可設置一個啞物體用固定副與柔性臂架連接在一起，同時將滑輪的轉動中心設置在啞物體上。

對于鋼絲繩繞滑輪之間的旋轉，Cable模塊通過設置鋼絲繩小球與滑輪之間的接觸實現，通過合理設置鋼絲繩和滑輪的接觸參數，實現準確模擬吊裝過程中鋼絲繩的受力情況。接觸參數見表1。

表1　鋼絲繩與滑輪接觸參數

鋼絲繩參數見表2。

表2　鋼絲繩參數

其中，接觸剛度代表了鋼絲繩與滑輪之間接觸時抵抗變形的能力，臨界接觸速度是指當速度大于100 mm/s時，鋼絲繩的摩擦系數從靜摩擦系數轉化為動摩擦系數，鋼絲繩的密度和彈性模量由其材料性質決定，阻尼決定了鋼絲繩在吊裝時振動的衰減速度，策略決定鋼絲繩模型的建模形式，分段和區域決定鋼絲繩中各小球在鋼絲繩中的密度和位置。

2.3添加約束

各部件之間通過約束副相連，約束類型及數量見表3。

按照上述方法建立的多機吊裝剛柔耦合模型如圖2所示。在多機吊裝系統模型中，定義起重機的行走方向為X軸正向，1號溜尾起重機質心至2號溜尾起重機方向為Y軸正向，重力加速度方向為Z軸正向。

表3　剛柔耦合模型約束副

圖2　剛柔耦合多機吊裝系統模型

2.4驅動函數

在多臺起重機協同吊裝仿真過程中，需要在ADAMS中定義起重機的行走速度、轉臺回轉速度以及鋼絲繩的起升速度，其速度可根據STEP三次多項式逼近階躍函數，其格式為step(x,x0,h0,x1,h1)。其中x為自變量，x0為初始時刻，h0為初始函數值，x1為終止時刻，h1為函數終止值。

因此用step函數設置各個驅動類型為速度驅動，多機系統起重機的驅動函數和動作序列如圖3和表4所示。

圖3　多機系統驅動速度曲線

時間/s動作序列起重機1起重機2起重機3起重機40-2.5起升2m起升2m2.5-20.563下車行走2.782m起升17.563m20.563-37.063起升65.5m起升65.5m37.063-48.063下車行走10m下車行走10m48.063-51.573下降2.71m下降2.71m

3仿真分析

本文以4臺履帶起重機協同吊裝導管架為研究對象，其中1號和2號溜尾起重機最大吊載能力為600 t，3號主起重機最大吊載能力為1 250 t，4號主起重機最大吊載能力為1 600 t，導管架自重為1 150 t。導管架的動作序列為：導管架起升2 m，導管架翻轉18 deg，導管架起升65.5 m，起重機行走10 m，導管架下降2.71 m。

多機系統在吊裝過程中，可能會出現單臺或多臺起重機因為起重機司機反應誤差造成多機系統無法實現嚴格協同吊裝的情況。當某臺起重機整體吊裝過程操作延遲時，此起重機吊點在起升階段Z向低于其他吊點，而行走階段在X軸方向滯后于其他吊點，使得此起重機鋼絲繩在X軸和Z軸方向出現一定的角度偏移，使得多機吊裝系統受力更加復雜。因此，本文以上述工況為研究對象，研究由于起重機司機反應誤差對多機吊裝系統鋼絲繩總繩吊裝力的影響。

3.1單臺起重機操作延遲時間對吊裝力影響

當其他參數不變時，2號溜尾起重機不同操作延遲時間對多機系統吊裝力的影響如圖4所示。

圖4　2號起重機不同操作延遲時間對鋼絲繩受力影響

由圖4和表5可知，當其他參數不變時，多機系統協同吊裝過程各吊裝力的最大波動多出現在起重機啟動和制動過程，當起重機勻速協同吊裝時，波動明顯減小，且隨著吊裝過程進行，基本達到穩定吊裝。單臺起重機操作延遲后，在吊裝過程中協同平移階段各起重機的載荷歷程出現了明顯的波動，從翻轉狀態到起升狀態各起重機的穩定載荷出現了較大的變化，且隨著延遲時間的增多，各起重機的載荷分配率變化越大，對起重機的平穩吊裝過程產生較大的沖擊。因此，在多機協同吊裝過程中，應盡量在多機吊裝平移階段前，盡量使多機吊裝系統處于協同吊裝狀態，有利于各起重機穩定吊裝，從而增強多機吊裝過程的安全性。

3.2不同起重機操作延遲時間對吊裝力影響

當其他參數不變時，不同個數起重機操作延遲情況對多機系統吊裝力的影響如圖5所示。

圖5　不同操作延遲工況對鋼絲繩受力的影響

由圖5和表6可知，當其他參數不變時，協同吊裝和3臺起重機操作延遲時，各起重機載荷分配相對較平均，載荷較大波動均出現在各起重機啟動和制動階段，但是單臺起重機操作超前時，各個起重機的吊裝力在啟動和制動時載荷波動更大。單臺起重機滯后時，各起重機的載荷歷程波動明顯，在翻轉階段到起升階段平均載荷出現了較大變化。而當雙臺起重機滯后時，多機吊裝系統在各個階段的載荷分配均出現了較大的變化，對多機穩定吊裝最為不利。

表5　2號起重機操作延遲時各工況載荷歷程波動性分析(%)

表6　不同操作延遲工況時載荷歷程波動性分析(%)

因此在多機吊裝過程中，應盡量保證多機系統的協同吊裝，尤其是在多機系統出現2臺起重機延遲時，應設法在第一個起升階段結束前使3臺起重機協同吊裝，在翻轉過程結束前實現多機系統協同吊裝，從而最大程度保證多機吊裝系統的載荷歷程穩定性，增加吊裝過程的安全性。

4結論

本文通過在ADAMS中建立多機吊裝系統的剛柔耦合多體動力學模型，對多機吊裝系統吊裝過程進行了多方面的仿真，通過對比不同吊裝過程的載荷歷程曲線，得出多機協同吊裝沒有實現嚴格協同時對各起重機載荷歷程的影響，提出了在出現非嚴格協同吊裝時盡量保持各起重機載荷歷程穩定性的方法，對多機吊裝系統穩定安全吊裝提供了重要的參考依據。

參 考 文 獻

[1]胡尚禮. 多臺履帶式起重機協同作業研究[D]. 天津:天津大學, 2007.

[2]王定賢,殷亮,李穎,等. 鋼絲繩的建模及動力學仿真分析[J]. 礦山機械, 2010,38(8): 20-23.

[3]Andrew SE. Efficient Modeling of Extensible Cables and Pulley Systems in ADAMS [C]. In: Europe Adams Conference, London, 2002:1-10.9.

[4]安洋,滕儒民,苗明,陳禮,成芳芳. 全地面起重機臂架動態收縮過程平穩性研究[J]建筑機械, 2015,04:76-79.

[5]張營章,張順心,崔少杰,孫春福. 基于ADAMS/Cable的起重機鋼絲繩的仿真分析[J]. 制造業自動化, 2013.07,35(7):10-12.

[6]明書君. 多起重機協同吊裝中超靜定問題研究[D]. 大連: 大連理工大學, 2014.

[7]張成文. 多臺起重機協同吊裝技術及仿真系統的研究[D]. 大連: 大連理工大學, 2011.

李瑞強： 116024, 遼寧省大連市甘井子區

Rigid-flexible Coupling Dynamic Analysis for Multi-crane Lifting based on ADAMS-Cable

School of Mechanism Engineering of Dalian University of TechnologyLi RuiqiangWang XinGao Shunde

Abstract:For multi-crane cooperative lifting system, many reasons, such as statically indeterminate, the flexibility of boom and the start-stop inertia force, can cause the additional impact load, and may influence strained condition of this system. So, in this paper, the rigid-flexible coupling dynamics model of multi-crane lifting system is built by Pro/E, ANSYS and ADAMS, and the cable forces of this system are analyzed. The result provides significant guiding for the safety of the cooperativity of the multi-crane lifting system.

Key words:multi-crane lifting; rigid-flexible coupling; statically indeterminate; cable force

收稿日期：2016-05-10

DOI：10.3963/j.issn.1000-8969.2016.03.002