三自由度搖擺臺的剛柔耦合模型研究

高 娟，曲 磊

青島港灣職業技術學院，山東青島 266404

三自由度搖擺臺的剛柔耦合模型研究

高 娟，曲 磊

青島港灣職業技術學院，山東青島 266404

三自由度搖擺臺是大型、重載設備，運動過程中產生的動載荷嚴重影響了十字軸等其他零部件的使用壽命。應用多柔體動力學方法，將十字軸作為柔性體，并且在此基礎上借助ANSYS和ADAMS建立了其剛柔耦合模型，運用動力學仿真技術進行了十字軸的動載荷提取，由動載荷產生的最大應力、應變為搖擺臺的設計制造提供了必要的依據。

搖擺臺；十字軸；剛柔耦合

三自由度重型搖擺試驗臺集機械、液壓和控制技術于一體，能夠進行仿真分析在車輛實際運行中的具體姿態及運動形式，具體運動包括：偏航、橫搖、縱搖3個自由度的運動。其中，搖擺臺機械最為關鍵的部件就是十字軸，通過十字軸才能起到連接支座、下面和上面的作用，保證了整個搖擺臺的正常工作。因此，在搖擺臺的工作過程中，十字軸是受力最為復雜的部件，也是最容易出現故障的部件，分析十字軸的受力情況有著重要的研究意義。

對搖擺臺技術的研究，國內外已經比較廣泛，但大多基于多剛體系統。與多剛體系統相比較，剛柔耦合系統能夠考慮系統中零部件的變形，從而使得分析更加貼近實際情況。應用柔性多體動力學[1-4]、結構動力學等領域的最新研究成果，開展基于剛柔耦合系統模型的搖擺臺動力學問題的研究，將以剛體動力學為主的動力學向剛柔耦合系統動力學方向發展是今后的研究方向。

因此，本文建立了搖擺臺虛擬樣機模型，然后將十字軸柔性化處理并與其他剛性零件連接行成剛柔耦合模型，通過動力學仿真提取十字軸的動載荷，然后在ANASYS中利用動載荷對十字軸進行了模態、應力、應變分析。

1 搖擺臺虛擬樣機模型建立

在搖擺臺具體運動中，要求指標是搖擺臺能夠按照正弦擺動規律完成運動。實際搖擺臺單獨運動中，縱搖和橫搖運動/0.5Hz，偏航運動°±8/0.5Hz；聯動時，縱搖、橫搖和偏航運動均為°±1/2Hz。工作載荷為45 000kg，載荷重心高度（Z向）為1 100mm，Y向偏移200mm。

利用Pro/E建立的搖擺臺模型如圖1所示。

搖擺臺的整體參照坐標系如圖2所示。

由于搖擺臺橫搖、縱搖和偏航都要做正弦擺動。在剛開始搖擺臺運動波動較大，后慢慢趨于穩定，初始速度是0。例如，在0.5Hz頻率下，剛開始搖擺臺的呈現半周期的正弦運動，隨后就會按照正弦規律進行相應的運動，具體的擺動角度如圖3。

圖1　三自由度搖擺試驗臺虛擬樣機模型

圖2　整體坐標系

圖3　各種運動的擺動角度曲線

2 考慮十字軸柔性的剛柔耦合模型的建立

將十字軸導入ANSYS中，劃分四邊形網格，建立有限元模型，得到模態中性文件，再導入ADAMS，在ADAMS中會根據軟件的自身定義進行剛性區域的賦值，并且能夠將十字軸作為有限元網格處理，具體如圖4，能夠在剛性區域生成相應的點，實現柔體和剛體之間力和運動傳遞，并且能夠在柔性體上進行定義邊界條件，至此剛柔耦合模型建立完成[5]。

圖4　剛柔耦合模型

3 十字軸動載荷的提取

在ADAMS軟件中對剛柔耦合模型進行動力學仿真，提取十字軸柔性體在各工況下的動載荷（.lod文件）。以橫搖運動為例，其動載荷如圖5所示。根據該文件就能夠查看仿真過程中，柔性體的受力和運動情況，可直接利用其對十字軸進行模態分析和應力、應變分析。

圖5　十字軸柔性體的載荷文件

4 柔性十字軸分析

4.1十字軸的模態分析

在柔性體的生成過程中，能夠獲得十字軸的模態分析結果，如表1，模態包括：3個移動模態，3個轉動模態，3個移動模態與結構質量參數有關，3個轉動模態與轉動慣量有關[6]。剛體模態對應的固有頻率為零，所以第七階的模態所對應的頻率170.10Hz為十字軸的固有頻率。此頻率可以用來判斷十字軸能否避開搖擺臺的共振頻率。

由于前六階是剛體位移，因此選取了從第七階開始的陣型如圖6所示。通過分析，前七階振型表現為繞軸線的上下振動，從第八階開始表現為十字軸的扭曲變形。可知，十字軸的變形以扭曲變形為主。

圖6　十字軸第七、八階振型

表1　十字軸的固有頻率

4.2十字軸的應力應變分析

在ANSYS中對柔性十字軸先添加約束，然后引入動載荷進行應力應變分析。兩個短軸端與搖擺臺底座相聯接，因此分別在兩個短軸端選擇一個節點并添加約束。而兩個長軸端與上臺體相連，所以將引入的動載荷添加在兩個長軸端相應的節點上。應力和應變分析結果如圖7和8所示。

圖7　十字軸應變圖

圖8　十字軸應力圖

液壓油管位于十字軸的中心孔，所以需要控制十字軸的變形量。根據分析結果，最大變形量為1.483mm，位于兩個長軸端，符合變形要求。十字軸中心孔的邊緣應力最大，為80.9MPa，因此危險區域是這個危險點附近的區域。

5 結論

1）十字軸固有頻率為170.10Hz，主要變形為扭曲變形。在實際使用中要避開固有頻率頻率，防止共振，并要減少扭曲變形。

2）十字軸所用材料為35CrMo，力學性能為：σb=735MPa ，σs=540MPa，因此，動載荷引起的應力滿足材料的強度條件，且有較高的安全系數。

3）最大變形出現在十字軸的兩個長軸端，而最大應力出現在十字軸內孔的邊緣處，因此十字軸長軸端和內孔是十字軸的關鍵部位，在設計和制造過程中應予以重視。

4）在進行重型、大負荷設備的動力分析中，能夠根據虛擬仿真進行剛柔耦合分析，所建立的剛柔耦合模型直接影響仿真結果的準確性。

[1]陸佑方.柔性多體系統動力學[M].北京：高等教育出版社，1996.

[2]陸正剛，胡用生.基于剛柔耦合系統的關鍵零部件動應力仿真和疲勞壽命計算[J].鐵道車輛，2006，44（1）：6.

[3]Shabana， A.A.Dynamics of Multibody Systems[M]. Wiley: New York， 1989.

[4]Shabana， A.A.Flexible Multibody Dynamics:Review of Past and Recent Developments[J].Multibody Syst. Dyn.，1997，1（2）：149-188.

[5]龍靖宇，李誠.門機小拉桿斷裂原因的仿真研究[J].港口裝卸，2005（2）：15.

[6]李德葆.振動模態分析及其應用[M].北京：宇航出版社，1989.

TP3

A

1674-6708（2016）171-0203-02

山東省高等學校科技計劃項目（項目編號：J16LB61）。

高娟，青島港灣職業技術學院。曲磊，青島港灣職業技術學院。