可旋轉多向組合機構的運動學仿真及力學分析

俞海濤，邵 飛，徐 倩，趙術杰

(陸軍工程大學 野戰工程學院， 南京 210007)

總體結構型式是設備實現其性能指標的基礎，很大程度上決定了設備綜合性能的高低，但現有設備所采用的架設方式與架設裝置難以滿足新功能的要求[1-2]。在目前的機械設備中，旋轉機構是應用最為廣泛的機構之一，簡單的軸系機構已不能滿足復雜的功能要求。復雜的旋轉架設機構如果通過傳統的設計方法，即先通過樣機反復試驗并改進的方式即會消耗掉大量時間，也會使經費大大增加。因此，在制備樣機之前，運用仿真技術提前改進設計缺陷既可以縮短設計周期，也可以減少經費的使用[3-5]。本研究將進行可旋轉多向組合機構的運動學仿真，根據初步設計的機構構件，在Solidworks中進行可旋轉多向組合機構實體模型建立，利用Solidworks motion插件進行運動仿真。仿真主要為分析不同架設時間下的車轍不同速度和角速度的影響。根據在運動分析的結果，再對旋轉接頭和旋轉連接塊的力學分析。

1 旋轉機構

機構如圖1所示。橋跨連接機構分為縱向連接和橫向連接兩部分。體系轉換機構的方式采用頂升—旋轉—下落固定的方式，由一套可旋轉架設機構完成此功能。旋轉組合機構主要用于對橋跨模塊在車軸線與垂直車軸線之間進行轉換，主要由可旋轉立柱、升降油缸、旋轉機構等組成。圖1為旋轉組合機構示意圖，圖2為旋轉機構示意圖，由集成面板、旋轉油缸、滑動導槽、聯板、作業臂、油缸支撐板等組成。

圖1 旋轉組合機構示意圖

2 運動學模型建立

在運動仿真中，Adams能夠實現多剛體系統的運動學和動力學仿真，如今Solidworks已經將其整合至Solidworks motion插件中[6]，因此，可以在Solidworks中實現旋轉架設機構的運動學仿真。

2.1 幾何建模

由于橋跨結構和架設裝置是左右對稱的，為減少建模和計算量，建立二分之一模型。模型只模擬旋轉變換階段的架設過程，不需要頂升油缸的作用，因此模型舍去頂升油缸。模型主要由12種構件組成，構件總數為39件，模型如圖3所示。

圖3 運動仿真模型

2.2 創建約束

在運動仿真中，構件與構件之間的約束會影響到最終的運行軌跡[7-8]。為了簡便旋轉變換階段的分析，將在此階段中與集成面板不發生相對位移的構件都設置為固定，其中包括旋轉立柱、旋轉接頭和滑動導槽3種共計5個構件。橋跨與車轍旋轉連接塊、頂緊塊和多功能承壓板通過3個維度的位置限制，實際已經是一個整體。旋轉立柱與車轍的旋轉連接塊連接，旋轉接頭與旋轉連接塊的配合方式為同軸心配合。聯板與車轍多功能承壓板采用鉸鏈配合，這種配合方式可以不建立兩個零件之間的連接軸就能實現兩種零件的運動仿真。滑動塊通過配合只能沿著限位板的滑槽運動。滑動塊與旋轉油缸和作業臂的位置是固定的。

2.3 仿真分析

在運動仿真中，主要是對第二過程旋轉變化的仿真模擬。旋轉變換的操作過程是在頂升連接的基礎上，旋轉油缸開始縮短。此時，作業臂順著滑動導槽帶動聯板運動，聯板又帶動車轍旋轉。在整個旋轉變換的過程中，旋轉立柱式固定的，車轍是以旋轉立柱的陽接頭為軸心旋轉的。當車轍旋轉90 s時，頂升油缸停止運動。至此，旋轉變換過程完成。

3 運動仿真計算與分析

在模擬中采用等速和距離兩種方式進行模型的驅動，整個模型的單位系統選擇為MMGS(mm、g、s)[9-10]。馬達的運動類型選擇線段的形式。首先設置位移曲線，選擇CUBIC(default)的曲線形式。位移的大小設置為138 mm，以10 s為運動時間。計算出速度和加速度曲線，以橋跨遠離旋轉機構的表面為載體，提取其在運動過程中的角速度和速度等曲線。10 s完成旋轉時車轍的最大速度與加速度歷程如圖4所示。

車轍表面的法向加速度很小，所以圖4選取切向加速度代替加速度。從圖4可以得出，當車轍剛開始旋轉時，速度和角速度都不大，但是切向加速度和角加速度都較大，然后慢慢減小。當速度和角速度達到最大時，切向加速度和角加速度都為零。之后切向加速度和角加速度小于零，速度和角速度都開始減小。當10 s時，速度和角速度都為零；在速度與角速度最大的一刻，加速度與角加速度為0相反；在加速度與角加速度最大一刻，速度與角速度為0。

在整個運動過程中，能量輸出是由馬達完成。馬達力-時間關系圖和馬達的能量輸出功率-時間曲線如圖5所示。

圖4 10 s完成旋轉時車轍的最大速度與加速度

圖5 馬達力及功率-時間曲線

從運動仿真結果表明可旋轉多向組合接頭機架設機構可滿足門橋結構要求，但10 s的架設時間是比較短的，下面模擬15 s、20 s、25 s、30 s旋轉架設時間，其速度-時間曲線如圖6，馬達力-時間曲線如圖7，馬達輸出功率-時間曲線如圖8。

為了方便查看各種數據，表1中列舉了不同旋轉架設時間下，最大與最小速度、馬達力和馬達輸出功率。以及將對比數據歸一化，分析各仿真計算結果隨旋轉時間變化趨勢，如圖9所示。

圖6 多種旋轉時間下的速度-時間曲線

圖7 多種旋轉時間下的馬達力-時間曲線

圖8 多種旋轉時間下的馬達輸出功率-時間曲線

旋轉時間/s最大速度/(mm·s-1)最大馬達力/N最小馬達力/N最大功率/W1060418 776-39 852210232154038 379-18 10164-74203014 739-10 18126-31252323 039-6 51613-16302012 113-4 5258-9

圖9 不同旋轉時間下仿真計算曲線

從圖9可以看出，隨著架設時間的增加，車轍的馬達力與馬達輸出功率的峰值都迅速減小，且減小的程度呈指數形式；而最大速度呈接近線性的程度下降。說明當架設時間有較小的減小時，對油缸的要求會有較大的提高；相反，當架設時間有較小的增加時，油缸的要求會有較大的降低。

4 旋轉連接接頭的力學仿真

為了簡化力學分析中的幾何模型，集合模型只有一組旋轉立柱和一組車轍。模型在Solidworks中建立。為了考慮到模型的安全，模型的應力計算是以10s完成旋轉的最大的角速度或者最大速度為力學計算的條件。在網格劃分時，在零件接觸表面能夠共用節點，不用建立接觸，這樣可以減小計算量。車轍旋轉連接塊和車轍之間的接觸設置為綁定模式，旋轉接頭與車轍旋轉連接塊之間的接觸設置為摩擦，摩擦系數設置為金屬摩擦常用的系數：0.18。立柱的底部和頂部都設置為固定，模擬車身和旋轉頂板對立柱位移的限制作用。立柱和旋轉接頭材料采用30CrMnSiA，旋轉連接塊的材料采用DB685，車轍材料為鋁合金。在實際情況中，墊塊的材料也是DB685，為簡化模型采用鋁合金。

首先計算僅在重力作用下，旋轉接頭的受力大小。在荷載中添加初始重力荷載。仿真計算結果如圖10所示。

圖10 重力作用下模型部分仿真計算結果

從應力云圖10中可以看出，僅重力作用下，模型受力最大處為下部旋轉接頭與立柱連接處，大小為500.6 MPa。最大位移為9.426 mm。兩節橋跨整體質量為1 400 kg，則產生切向加速度的慣性力大小為400 N，遠小于重力的大小。當模型在重力和切向加速度雙重作用下時，模型的最大等效應力為182.35 MPa，出現在下部旋轉接頭與立柱相連接的位置。其最大位移達到了11.605 mm。當模型在重力和速度雙重作用下時，模型的最大等效應力為500.02 MPa，出現在下部旋轉接頭與立柱相連接的位置，其最大位移達到了11.305 mm。

當3種荷載同時作用，模型的最大等效應力為482.32 MPa，同樣出現在下部旋轉接頭與立柱相連接的位置，最大位移為12.415 mm。四種不同荷載作用情況下，各構件的最大等效應力見表2所示。

表2 不同荷載組合下各構件的最大等效應力 MPa

從表2的數據中可以看出，重力作用以外的荷載對旋轉接頭和旋轉連接塊的受力影響不是很大。橋跨結構的旋轉速度對受力幾乎沒有影響，但當橋跨存在加速度時，下旋轉接頭的力減小，上旋轉接頭的力增加，一定程度上使受力更加均勻。之前計算時的加速度為0.05 m/s2，再分別計算0.1，0.15，0.2和0.25 m/s2時車轍的受力，探究在重力的基礎上，旋轉的加速度對于車轍橋跨受力的具體影響，計算結果如表3所示。

表3 不同加速度各構件的最大等效應力 MPa

從表3中可以看出，在重力作用的情況下，隨著加速度的增大，上下旋轉接頭與上下旋轉連接塊的受力趨于一致。僅在重力作用時，上旋轉接頭主要受到豎向的剪切和軸向的拉力。拉力主要是車轍的重力產生的彎矩造成的。下旋轉接頭主要受到豎向的剪切和軸向的壓力。當車轍存在加速度時，車轍的縱向與水平方向的夾角變小，一定程度上使得上下旋轉接頭在各自軸向上的受力變得一致，所以其受力也更加一致。但從這個角度考慮，旋轉架設的時間應該越短越好。

5 結論

1) 設計機構能夠按照預定軌跡進行旋轉架設，運動仿真結果表明可旋轉多向組合接頭機架設機構可滿足門橋結構要求。在旋轉過程中，當車轍速度與角速度最大時，加速度與角加速度為0。當車轍速度與角速度為0時，加速度與角加速度最大。

2) 油缸推進速度與車轍質心速度呈正向關，在相同時刻取得速度的最值。旋轉架設時間的選定對旋轉油缸有較大影響，計算結果中油缸輸出功率與時間呈指數關系。

3) 橋跨重力對與旋轉機構的受力影響最大，當重力疊加橋跨加速度或者速度時，旋轉機構最大應力處為旋轉接頭與立柱接觸位置，但在旋轉過程中，越大的角加速度會使上下旋轉接頭的最大應力越趨于一致。