基于ADAMS的門座起重機動力學建模與仿真

摘要：以某型號門座起重機為研究對象，運用多體動力學分析軟件ADAMS建立其虛擬樣機模型，并從模型的自由度驗證、理論計算結果與軟件計算結果對比等兩個角度來驗證模型的合理性，在此基礎上對其臂架系統在空載、吊載工況下的變幅過程進行動態仿真分析，得到門座起重機象鼻梁頭部滑輪的軌跡、各鉸接關節的受力等，為門座起重機臂架結構的設計計算提供理論指導。

關鍵詞：門座起重機;模型驗證;軌跡曲線;動力學;ADAMS

0" "引言

隨著海上運輸的快速發展，港口運輸業占據著國民經濟的重要地位，門座起重機因其有著工作效率高、通用性強等優點而被廣泛應用于港口的裝卸[1]。目前，國內某型號門座起重機其人字架后拉桿下立柱，因結構內積水嚴重，造成結構變形且焊縫有開裂現象，為了起重機的安全運行，需盡快進行結構維修。由于在不同幅度下，該門座起重機其人字架鉸點的受力會不同。為盡快找出合適的維修幅度，需探究不同幅度下該門座式起重機在空載、吊載人字架鉸點的受力情況，故需要對該門座起重機的臂架系統進行動力學分析。

針對門座起重機臂架系統變幅過程的動力學分析，有不少學者進行了研究。陳洋等人[2]進行臂架系統動力學仿真時考慮了吊重變幅時的偏載載荷，并對臂架進行剛柔耦合仿真，探究了臂架系統的動態特性;胡青等人[3]建立臂架系統的剛柔耦合模型，并將仿真結果與實測數據進行對比，驗證了ADAMS仿真結果的合理性。黃祥聲等[4]建立整機的多剛體模型，探究門座式起重機的變幅、回轉、起升等運行過程。王國賢等利用ADAMS與Simulink對組合臂式門座起重機進行分析，解決了臂架在變幅過程中存在的不穩定、沖擊大的問題[5]。本文將利用ADAMS建立某型號門座起重機的虛擬樣機模型，并進行模型合理性的驗證，根據仿真結果確定合適的維修工況幅度。

1" "虛擬樣機模型的建立及驗證

首先，利用SolidWork建立建立門座起重機的三維模型，再將三維模型以Parasolid的格式導入到ADAMS中。然后，在ADAMS對模型各個運動部件添加屬性和約束，確定機械模塊的動力學參數;最后，進行動力學仿真分析。

1.1" "建立三維模型

建立準確與合理的三維模型是門座起重機進行動力學仿真的基礎，因為利用ADAMS軟件本身進行復雜幾何模型的建模時比較復雜，所以需要借助專業的三維軟件SolidWorks來進行輔助建模。在建模過程中對于一些對模型影響不大的小部件進行了簡化，對人字架的外形不進行精確建模，只精確建出鉸接點的位置。最終該門座起重機的三維模型如圖1所示。

1.2" "設置材料屬性和約束條件

將SolidWorks三維模型以Parasolid格式導入到ADAMS中，由于動力學仿真時考慮慣性等因素的影響，加上在三維建模時對部件進行了一定的簡化，導致導入仿真模型與實際模型質量有偏差，故在ADAMS中本文通過調整密度的方法來保證模型前后質量一樣。單位制采用ADAMS中自帶的單位制。

為盡量保證虛擬樣機接近真實模型，在ADAMS中需要在有運動關系的部件之間建立運動副。門座起重機各個部件之間的相對運動多以轉動為主，故添加的約束也多為轉動副。同時，為避免虛約束存在，在同一個方向存在兩個旋轉副時，只需添加一個旋轉副即可，例如大拉桿與簡化人字架的兩個旋轉副只需添加一個旋轉副。在添加完約束后，還要檢查模型是否存在冗余約束。最終模型約束類型如表1所示。

在ADAMS軟件中，自由度的計算公式為[6]：

DOF=6（n-1）-Σi" ni" " " " " " " " " " （1）

式中：

n——系統的部件數目（包括地面）;

ni ——系統內各約束所限制的自由度數目。

所建立的虛擬樣機模型中，包括地面的部件總數為9個，整個模型的約束共計有固定副1個，旋轉副6個，點線副3個，移動副1個。代入式（1）計算模型自由度，DOF=1gt;0，且模型的驅動源為變幅螺桿，滿足動力學分析的自由度計算，模型自由度驗證正確。

1.3" "驅動函數的施加

本文主要研究門座起重機的變幅過程。該門座起重機的變幅過程為：變幅電機驅動變幅螺桿旋轉，然后變幅螺桿相對于螺桿套筒進行前后移動，螺桿移動的同時帶動臂架繞著臂架根鉸點旋轉，從而完成變幅，變幅的速度由驅動電機進行調整。由該起重機的設計參數可知，該型號的門座起重機的變幅速度為14.5m/min，可計算出螺桿的運動速度為0.242m/s。參考起重機設計資料[7]，變幅過程中驅動電機啟動和制動時間分別為2s和1.5s，設置變幅仿真時間為24s。臂架從最大幅度至最小幅度時，螺桿移動副的驅動函數為：STEP（time， 0， 0，2， -242）+STEP（time， 2， 0 ，22.44 ， 0）+STEP（time， 22.44， 0， 23.94 ，242），變幅螺桿的速度曲線如圖2所示。

為讓臂架變幅至最小幅度停止，通過創建位移傳感器，測量象鼻梁主提升滑輪中心的Marker點到回轉中心的Marker點水平距離：DX（MARKER_59， MARKER_56），使其達到最低幅度達到22m時，令仿真停止。仿真結束后，在后處理中提取仿真結果。

1.4" "模型驗證

為驗證模型的正確性，將某一幅度下受力分析的理論計算結果與ADAMS在該幅度下提取的鉸點力結果進行對比，進而驗證模型的合理性。

在本次靜力學計算中，將象鼻梁、臂架、大拉桿、活動平衡梁等部件看作剛體一個剛性整體，并且將大拉桿簡化為一個二力桿件，所有的受力都在X-Y平面內。以象鼻梁的受力分析為例，58m幅度時刻的受力分析圖如圖3所示。圖3中，B鉸點為大拉桿與象鼻梁的鉸接點，A鉸點為臂架與象鼻梁的鉸點，C鉸點為主起升滑輪與象鼻梁的鉸接點。

規定以順時針為正方向，根據力矩平衡原理有：

ΣMA=0" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " （2）

G·LG+FC·LC-FB·LB=0" " " " " " " " " （3）

式中：

G——象鼻梁重力;

LG——到鉸點A的力矩;

FC——主滑輪提升重物的重力;

LC——到鉸點A的力矩;

FB——大拉桿對象鼻梁的作用力;

LB——到鉸點A的力矩。

通過式（2）（3）計算，可得出大拉桿的拉力。由于各個部件都是在X-Y平面受力，由平面匯交力系得：

ΣFX=FAX-FB·cosΦ=0 " " " " " " "（4）

ΣFy=FAy-G-Fc-FB·sinΦ=0 " " " " " " " （5）

式中：

FAX——臂架對象鼻梁的水平作用力;

FAy——臂架對象鼻梁的垂直作用力;

Φ——FB與水平負方向的夾角。

通過式（4）（5）可以求出象鼻梁與臂架的相互作用力。臂架和拉桿等部件的理論計算與象鼻梁類似，這里不再贅述。表2 為空載狀態下與58m幅度吊載工況下鉸點力的理論計算結果與ADAMS仿真結果對比，兩者的誤差較小，進而驗證了ADAMS所建立的虛擬樣機模型的正確性。

2" "仿真結果分析

ADAMS 進行動力學分析之后，可以在后處理模塊重方便的求出輸出力、力矩等各種曲線。

2.1" "象鼻梁頭部軌跡曲線

象鼻梁頭部主滑輪的軌跡曲線如圖4所示，從曲線可以看出，象鼻梁頭部在變幅的過程中幾乎沿著水平方向進行移動;圖5為象鼻梁頭部在Y方向的時間—位移圖，黑色曲線為頭部主滑輪位移曲線，在變幅過程中，主滑輪會先往下進行小距離的平移然后往上平移，變化的幅度為400mm。由此可見，門座式起重機在變幅過程之中，重物會沿著高度方向有小幅度的起伏。灰色曲線為象鼻梁頭部副滑輪在Y方向的位移曲線，副滑輪在變幅過程中，Y方向的位移較大，變化幅度為2630mm，由此可知，副滑輪在變幅過程中需要同時提升重物才能保證重物不會有較大的上下浮動。

2.2" "各鉸接處鉸點力

圖6為空載工況下臂架從最大幅度運行至最小幅度的過程中，人字架鉸接位置X方向和Y方向鉸點合力隨時間變化曲線圖。從曲線可以看出，鉸點力在開始運行和結束運行階段一定的波動，是因為在啟動和制動過程當中，系統要克服慣性的作用。從曲線的變化趨勢來看，該門座起重機的活動平衡梁對人字架的Y方向作用力逐漸增大，方向垂直向下。水平方向作用力的數值先減小后增大，變化幅度較小，作用力方向水平向右（朝向臂架），在16.4s時，水平方向作用力最小，此時的幅度為35.6m，故維修工況幅度應選在35～36m之間的范圍。吊載工況鉸接位置處的鉸接力結果以表格的形式給出，如表3所示。

3" "結語

綜上，本文結合SolidWorks與ADAMS建立了某型號門座起重機的虛擬樣機模型，并從自由度角度和力學理論分析對比的角度對模型進行了驗證，結果表明所建立的模型是正確的，對該門座起重機進行了動力學分析，得到了象鼻梁頭部的軌跡曲線與各鉸接點的受力結果，并根據力結果曲線確定維修工況的幅度應為35.6m。動力學的計算的結果可為臂架的結構設計計算提供理論指導。

同時，本文在進行理論計算和仿真模型時都進行了簡化計算，但實際模型運行過程中還需考慮風載等因素的影響，ADAMS仿真計算結果還需與實際模型測試結果進行對比驗證，這樣才會使仿真結果具有更高的可信度和實際意義。

參考文獻

[1] 吳麗蕊.門座式起重機運動學建模與防搖控制算法研究天津大學[M]. 2016.

[2] 陳洋. 40噸門座式起重機臂架系統模型動力學仿真研究中南林業科技大學[M]. 2010.

[3] 胡青.基于虛擬樣機的門座起重機金屬結構壽命預測系統的研究武漢理工大學[M]. 2012.

[4] 曾欽達，黃祥聲. 基于Pro/E與ADAMS的門座起重機動力學仿真[J]. 起重運輸機械. 2012（2）： 61-63.

[5] 肖漢斌，王國賢，黃大成. 組合臂架式門座起重機的勻速變幅控制[J]. 起重運輸機械. 2019（6）： 43-48.

[6] 鄭建榮. ADAMS—虛擬樣機技術入門與提高ADAMS—虛擬樣機技術入門與提高. 2002.

[7] 鐘茗秋. 基于虛擬樣機的門座起重機臂架結構疲勞損傷仿真研究武漢理工大學[M]. 2015.