基于ADAMS 的管道外壁行走裝置的設(shè)計(jì)與仿真

孫曉東

淮南聯(lián)合大學(xué) 機(jī)電系，安徽 淮南 232038

針對(duì)現(xiàn)代工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，設(shè)計(jì)出了一種針對(duì)圓形直管道的管道外壁行走裝置。該平臺(tái)可以在管道外壁上自行走，協(xié)同搭載的各種檢測(cè)、噴涂等裝置，完成直管管道的檢測(cè)維護(hù)等各種工程應(yīng)用。總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 管道外壁行走裝置三維實(shí)體模型

1 多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)概述

計(jì)算動(dòng)力學(xué)是一門(mén)綜合了剛性體與柔性體的運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)、有限單元法、計(jì)算方法以及優(yōu)化和控制理論的綜合性學(xué)科[1]，多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)是計(jì)算動(dòng)力學(xué)的一個(gè)重要分支。計(jì)算多體動(dòng)力學(xué)的核心問(wèn)題是建模和求解，對(duì)其系統(tǒng)研究開(kāi)始于20 世紀(jì)60 年代，稍晚于計(jì)算固體力學(xué)，早期的研究對(duì)象是多剛體系統(tǒng)。

多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的建模方法主要基于以下幾類(lèi)基本原理和方法：Newton-Euler 向量力學(xué)方法、d’Alembert 原理（或 Jourdain 原理、Lagrange 方法）出發(fā)導(dǎo)出的分析力學(xué)方法、基于Gauss 原理等極小值性質(zhì)的機(jī)制原理以及傳遞矩陣方法等。

隨著實(shí)際工程應(yīng)用的需要，計(jì)算多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)在50 多年的時(shí)間里取得了令人矚目的成果，簡(jiǎn)化了工程問(wèn)題的處理和測(cè)試。目前各科研機(jī)構(gòu)研發(fā)了多種多體動(dòng)力學(xué)CAE 軟件，來(lái)滿(mǎn)足實(shí)際工程應(yīng)用 的 需 要 ，Msc.ADAMS、SIMPACK、DADS 和RecurDyn 是比較知名的。

2 管道外壁行走裝置幾何模型的建立

ADAMS 是 由 美 國(guó) MDI 公 司 (Mechanical Dynamics Inc.)開(kāi)發(fā)的虛擬樣機(jī)分析軟件，現(xiàn)已被美國(guó)MSC 收購(gòu)更名為MSC/ADAMS，是當(dāng)今應(yīng)用最廣泛的虛擬樣機(jī)分析軟件之一。

應(yīng)用機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析軟件ADAMS(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems)[2][3]對(duì)管道爬行裝置進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真。把管道爬行裝置模型進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化導(dǎo)入到ADAMS 中，布置方式為管道軸線(xiàn)沿z 軸方向，給不同的零部件設(shè)置材料屬性，整個(gè)裝置在ADAMS 中的模型如圖2 所示。

圖2 行走裝置導(dǎo)入ADAMS 的幾何模型

在ADAMS 中將對(duì)相應(yīng)的零部件進(jìn)行約束，具體為：將支架與管道之間、支架與大地之間建立固定約束，驅(qū)動(dòng)輪和支撐輪分別與管道建立接觸約束，將各輪與其支架之間建立轉(zhuǎn)動(dòng)副，各滾輪支架與固定到圓盤(pán)上的支撐座之間建立移動(dòng)副，并且在其間建立彈簧力元。

將所有的零部件當(dāng)做剛體考慮，各相鄰剛體之間通過(guò)鉸建立起前面所述的相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系，進(jìn)而組成整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)約束方程組，再給以驅(qū)動(dòng)約束方程即可對(duì)該多剛體系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)求解。

3 管道外壁行走裝置運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真

管道外壁行走裝置在ADAMS 中進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)求解之后的位移、速度和加速度特性如圖4 和圖5 所示，圖4 為啟動(dòng)該裝置時(shí)的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性曲線(xiàn)。

圖4 行走裝置停止時(shí)運(yùn)動(dòng)特性

由圖3 可知在管道外壁行走裝置的啟動(dòng)時(shí)，在開(kāi)始一段時(shí)間內(nèi)，位移、速度和加速度曲線(xiàn)都有一個(gè)過(guò)渡區(qū)域。

圖3 行走裝置啟動(dòng)時(shí)運(yùn)動(dòng)特性

由圖（a）可知在這一過(guò)渡區(qū)域內(nèi)，該裝置在管道上基本保持不動(dòng)。由圖可見(jiàn)在0～0.5s 這一段時(shí)間內(nèi)，位移曲線(xiàn)基本保持水平，隨后的一段時(shí)間隨著速度趨于穩(wěn)定位移開(kāi)始緩緩變化，從1s 時(shí)刻開(kāi)始位移曲線(xiàn)呈線(xiàn)性規(guī)律變化。

由圖（b）可知在啟動(dòng)裝置的初始時(shí)刻，速度曲線(xiàn)有一緩慢變化過(guò)程，在0.2s 時(shí)刻速度波動(dòng)比較大，從1.2s 開(kāi)始，速度曲線(xiàn)開(kāi)始趨于平穩(wěn)，該裝置開(kāi)始穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)。

由圖（c）可知，加速度曲線(xiàn)在整個(gè)過(guò)程中始終以0 為中心呈無(wú)規(guī)律震蕩，在0~0.7s 這一段時(shí)間內(nèi)，加速度曲線(xiàn)震蕩幅度比較大，最大加速度達(dá)到1.15m/s2，如果結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理會(huì)造成工作裝置的損壞；從1.5s 之后，加速度曲線(xiàn)震蕩幅值呈逐漸減小趨勢(shì)，隨著工作時(shí)間的增加，加速度值會(huì)逐漸減小為零。

由圖（d）可知，施加到驅(qū)動(dòng)輪上的扭矩開(kāi)始有波動(dòng)，但是穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)后保持在一定范圍內(nèi)周期性波動(dòng)，波動(dòng)平均值約為0.7N·m。

管道外壁行走裝置停止時(shí)的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性曲線(xiàn)如圖5 所示。

圖4 所示為在3s 時(shí)刻讓該裝置停止運(yùn)動(dòng)，可知在發(fā)出停止指令后，該裝置的運(yùn)動(dòng)特性變化規(guī)律與開(kāi)始運(yùn)動(dòng)時(shí)相反。由（a）可知，在發(fā)出停止指令后該裝置的位移曲線(xiàn)的斜率基本不變，隨著速度逐漸減小位移曲線(xiàn)趨于一個(gè)穩(wěn)定值，即裝置停止；由（b）可見(jiàn)，速度曲線(xiàn)在逐漸減小過(guò)程中有波動(dòng)，并且在速度達(dá)到零的時(shí)刻波動(dòng)較大；由（c）可知，在發(fā)出停止指令后，加速度曲線(xiàn)呈無(wú)規(guī)律的震蕩，總體趨勢(shì)為加速度大小隨時(shí)間的增加而逐漸減小，最后保持為零。

管道外壁行走裝置在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的速度和加速度波動(dòng)是由于結(jié)構(gòu)件彈簧引起，因此在實(shí)際應(yīng)用中要選用剛度比較大的彈簧，以提高裝置的固有頻率[6]，同時(shí)驅(qū)動(dòng)輪和支撐輪不能太硬，應(yīng)該偏軟讓其在行走過(guò)程中吸收裝置的運(yùn)動(dòng)波動(dòng)，讓裝置在行走過(guò)程中保持良好的穩(wěn)定性和安全性。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)基于ADAMS 的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，對(duì)管道外壁行走裝置的運(yùn)動(dòng)情況有了較為直觀的反映，為下一步管道外壁行走裝置整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化提供了相關(guān)依據(jù)。