基于SolidWorks和Adams的翻料機(jī)沖擊研究

徐志楊，蔡 琳，李春茂，蔣海江

（1. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，徐州 221116；2. 江西新余學(xué)院 現(xiàn)代教育技術(shù)中心，新余 338004；3. 天津市渤海裝備新世紀(jì)機(jī)械制造公司，天津 300280；4. 云南省小龍?zhí)兜V務(wù)局，開(kāi)遠(yuǎn) 661601）

基于SolidWorks和Adams的翻料機(jī)沖擊研究

徐志楊1，蔡 琳2，李春茂3，蔣海江4

（1. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，徐州 221116；2. 江西新余學(xué)院 現(xiàn)代教育技術(shù)中心，新余 338004；3. 天津市渤海裝備新世紀(jì)機(jī)械制造公司，天津 300280；4. 云南省小龍?zhí)兜V務(wù)局，開(kāi)遠(yuǎn) 661601）

利用ADAMS軟件建立半自動(dòng)液壓式翻料機(jī)的數(shù)字化虛擬平臺(tái)，對(duì)翻料機(jī)的落料口進(jìn)行柔性化建模，按ADAMS中沖擊函數(shù)模型進(jìn)行虛擬沖擊，得出建模的抗沖擊極限。此方法可以簡(jiǎn)化機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程，縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期，減少費(fèi)用和成本，獲得最優(yōu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)產(chǎn)品。

ADAMS；沖擊；計(jì)算機(jī)仿真；虛擬樣機(jī)

0 引言

設(shè)備抗沖擊包括設(shè)備本身的抗沖擊性能和沖擊隔離技術(shù)兩個(gè)方面。國(guó)內(nèi)外絕大部分文獻(xiàn)都是關(guān)于設(shè)備振動(dòng)隔離器的研究，設(shè)備本身抗沖擊性能相關(guān)的研究基本上是關(guān)于靜態(tài)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變分析，而動(dòng)力設(shè)備的仿真和試驗(yàn)研究幾乎沒(méi)有[1]。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，仿真技術(shù)在翻料機(jī)抗沖擊強(qiáng)度的計(jì)算方面發(fā)揮的作用越來(lái)越大， 著名的虛擬樣機(jī)技術(shù)-ADAMS機(jī)械動(dòng)力學(xué)仿真軟件，在靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)上有著很強(qiáng)的分析能力，對(duì)沖擊、碰撞過(guò)程具有一定的捕捉分析能力，可以配合試驗(yàn)獲得一些僅靠試驗(yàn)不能得到的實(shí)用性強(qiáng)的技術(shù)數(shù)據(jù)。翻料機(jī)主要用于大、中型模具的翻轉(zhuǎn)，港口鋼卷的翻轉(zhuǎn)，熱處理大中型工件的翻轉(zhuǎn)等，以降低操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，避免意外危險(xiǎn)損壞工件和危及操作人員的人身安全。

1 翻料機(jī)沖擊強(qiáng)度模型系統(tǒng)的建立

利用SolidWorks軟件對(duì)半自動(dòng)液壓式翻料機(jī)進(jìn)行精確的三維實(shí)體模型繪制。為了能完整地表征翻料機(jī)的動(dòng)力學(xué)特性，首先將裝配圖另存為‘*。part’零件格式，通過(guò)SolidWorks自帶‘合并’命令將兩兩位置不變的構(gòu)件定義成一個(gè)剛體，并去掉不必要的機(jī)構(gòu)，如，將支架、前臂合并，去掉電控箱、電液泵和連接線路等，這樣翻料機(jī)就簡(jiǎn)化為7個(gè)剛體。

翻料機(jī)落料口的柔性體模型即是在仿真分析過(guò)程中將落料口視為彈性變形體，要在多體動(dòng)力學(xué)分析中建立落料口的柔性體，必須先對(duì)落料口進(jìn)行有限元分析。利用有限元軟件進(jìn)行10節(jié)點(diǎn)四面體單元網(wǎng)格劃分，共8882個(gè)單元，18266個(gè)節(jié)點(diǎn)，得到其各階振型和固有頻率，如圖1-圖4所示。

圖1 落料口一階振型（頻率11.27Hz）

落料口需要予以重視的振動(dòng)固有頻率都比較低，300 Hz以內(nèi)的振型可以比較全面地描述落料口的動(dòng)態(tài)特性。

圖4 落料口四階振型（頻率146.47Hz）

由于ADAMS的核心文件格式是Para solid格式，所以把在SOLIDWORKS生成的翻料機(jī)模型轉(zhuǎn)換成Para solid格式就可以了， 將模型文件導(dǎo)入到ADAMS軟件中，底座視為剛體固定在地面上，各部件之間以運(yùn)動(dòng)副聯(lián)接。然后用在ANSYS中生成的柔性落料口(即模態(tài)中性文件)代替剛性落料口，方法是把柔性落料口移動(dòng)到剛性落料口的位置，再將連接關(guān)系進(jìn)行修改[2]。

然后再對(duì)轉(zhuǎn)換過(guò)來(lái)的翻料機(jī)模型重新設(shè)置材料特性，添加各種約束，修改某些不合理的部分，得到最終的翻料機(jī)模型，如圖5所示。

2 ADAMS中翻料機(jī)虛擬沖擊

圖5 翻料機(jī)虛擬樣機(jī)

ADAMS中將構(gòu)件看作是剛體，因此兩個(gè)構(gòu)件接觸時(shí)不允許產(chǎn)生相互穿透，在數(shù)學(xué)上用不等式條件表示。處理這種約束條件的方法通常采用拉格朗日算子法或懲罰函數(shù)法。懲罰函數(shù)法具有簡(jiǎn)單、不增加附加方程與附加變量的優(yōu)點(diǎn)；特別是它適合處理不連續(xù)型接觸問(wèn)題；而且，容易用彈簧這種物理模型來(lái)解釋。因此，ADAMS采用懲罰函數(shù)法來(lái)建立接觸約束模型[3]。

在兩物體接觸面上存在著接觸面法向力(沖擊力或接觸力)和接觸面切向力(摩擦力)兩種作用。當(dāng)接觸不連續(xù)時(shí)產(chǎn)生的接觸法向力就是沖擊力。由于摩擦力本身也是非常復(fù)雜的問(wèn)題，ADAMS中對(duì)它作了簡(jiǎn)化，采用比較簡(jiǎn)單的庫(kù)侖摩擦力模型來(lái)計(jì)算。本文對(duì)此不作詳細(xì)討論，而集中在法向力上。

沖擊函數(shù)模型用位移、速度來(lái)定義接觸力，它可以用在連續(xù)型接觸和不連續(xù)型接觸兩種情況上；而且，剛度k與材料特性相關(guān)物理意義明顯；當(dāng)剛度取值較大造成收斂困難時(shí)，可以通過(guò)調(diào)整穿透深度來(lái)改善收斂，計(jì)算比較穩(wěn)定。所以計(jì)算沖擊力時(shí)要采用該模型[4]。

ADAMS中沖擊函數(shù)模型用一個(gè)彈簧一阻尼模型來(lái)表示，沖擊力函數(shù)表示為：

式中：

k——彈簧剛度；

e——形狀指數(shù)，對(duì)于接觸的兩個(gè)構(gòu)件都是鋼材料時(shí)，e選取1.5；

dmax——最大允許穿透深度，數(shù)值上一般為剛度值的0.01%—0.1%；

cmax——當(dāng)達(dá)到最大穿透深度時(shí)所應(yīng)用的最大阻尼值。

一般鋼結(jié)構(gòu)阻尼系數(shù)可按如下規(guī)律選取：材料采用線性模型，構(gòu)件工作在彈性階段，阻尼系數(shù)取0.02～0.05，當(dāng)應(yīng)力較小時(shí)取偏小值，應(yīng)力較大時(shí)取偏大值；采用線性模型，構(gòu)件工作在彈塑性階段，阻尼系數(shù)取0.1～0.2，進(jìn)入塑性化程度較淺時(shí)取小值，進(jìn)入塑性化程度較深時(shí)取大值。 如果材料采用非線性模型，阻尼系數(shù)取0.01。此處設(shè)置其阻尼為0.035 N ·s ·mm-1。

剛度k的數(shù)值是相接觸的兩個(gè)構(gòu)件剛度的綜合值。理論上k的數(shù)值可以參考接觸力學(xué)文獻(xiàn)計(jì)算[5]。在初始仿真時(shí)也可以按下面的公式估算：

物料沖擊發(fā)生在t=0.3s，此時(shí)速度約為2.826m/s，物料重量為145.92kg，計(jì)算的k為114249N/m，如圖6，圖7所示。

對(duì)翻料機(jī)實(shí)施虛擬沖擊，調(diào)用接觸沖擊力函數(shù)，在Adams中分析得圖8s，最大沖擊力為37689.8N，遠(yuǎn)小于落料口的屈服極限，即落料口可承受的該沖擊。通過(guò)樣機(jī)試驗(yàn)，也證明該結(jié)構(gòu)可承受能夠可靠的承受沖擊。

3 結(jié)論

1）基于多體動(dòng)力學(xué)所建的翻料機(jī)仿真模型的抗沖擊模型是可靠的 ，其結(jié)果是可用的。

2）利用沖擊函數(shù)模型對(duì)落料口的抗沖擊強(qiáng)度特性進(jìn)行了仿真，落料口的強(qiáng)度在額定工況下在其屈服極限內(nèi)。

3）由于未考慮摩擦等因素，模型中落料口的強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果要小于實(shí)際結(jié)果。

4）應(yīng)用多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論、 有限元模態(tài)分析方法， 對(duì)翻料機(jī)落料口沖擊強(qiáng)度作了仿真分析，可以簡(jiǎn)化翻料機(jī)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程，減少開(kāi)發(fā)成本。

圖6 沖擊構(gòu)件前速度

圖7 物料沖擊構(gòu)件后速度

圖8 物料沖擊構(gòu)件時(shí)加速度

[1] 吳問(wèn)鮑. 翻料機(jī)抗沖擊性能仿真[J]. 船海工程, 2010,39(1).

[2] 西雅, 孟翔. 基于ADAMS的汽車(chē)座椅沖擊強(qiáng)度的仿真研[J]. 陜西科技大學(xué)學(xué)報(bào), 2009, 25(2)： 100-104.

[3] MSC ADAMS Users' Guide [DB/OL].

[4] 裴未遲, 李耀剛, 李運(yùn)紅, 等. 基于虛擬樣機(jī)技術(shù)—ADAMS的沖擊力模型[J]. 理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2007, 30(4)： 59-63.

[5] k L Jolm. On Contact Mechanics[M]. the Press Syndicate of the University of Cambridge.

Research on impact simulation of upender based on ADAMS and SolidWorks

XU Zhi-yang1, CAI Lin2, LI Chun-mao3, JIANG Hai-jiang4

TH117

A

1009-0134(2011)5(下)-0103-03

10.3969/j.issn.1009-0134.2011.5(下).31

2010-11-26

徐志楊（1988－），男，山東濰坊人，在讀研究生，研究方向?yàn)闄C(jī)械制造及自動(dòng)化。