浮吊虛擬模型建立及動(dòng)態(tài)特性分析＊

吳學(xué)志

（上海海事大學(xué)物流工程學(xué)院，上海 201306）

前言

我國有漫長得海岸線和遼闊領(lǐng)海，海洋資源很豐富，但是目前對(duì)于海洋資源開采還處于初期，因此在這方面會(huì)需要大量的海洋裝備，而浮吊作為海洋裝備中必不可少的裝備之一，對(duì)于浮吊的研究也就成為目前研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。本文主要采用虛擬樣機(jī)建立一個(gè)六自由度平臺(tái)和浮吊模型，模擬海上起重船起吊重物的過程。分析在這個(gè)過程中吊物的動(dòng)力學(xué)特性。

1 建立模型

目前常用的三維建模軟件有很多，功能也都相似，在論文中采用 UG。UG（Unigraphics NX）是 Siemens PLM Software公司出品的一個(gè)產(chǎn)品工程解決方案，它為用戶的產(chǎn)品設(shè)計(jì)及加工過程提供了數(shù)字化造型和驗(yàn)證手段。UG是一個(gè)交互式CAD/CAM系統(tǒng)，它功能強(qiáng)大，可以輕松實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜實(shí)體及造型的建構(gòu)。NX 優(yōu)于通用的設(shè)計(jì)工具，具有專業(yè)的管路和線路設(shè)計(jì)系統(tǒng)、鈑金模塊、專用塑料件設(shè)計(jì)模塊和其他行業(yè)設(shè)計(jì)所需的專業(yè)應(yīng)用程序[1]。

ADAMS，即機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)自動(dòng)分析，該軟件是美國機(jī)械動(dòng)力公司開發(fā)的虛擬樣機(jī)分析軟件。ADAMS已經(jīng)被全世界各行各業(yè)的數(shù)百家主要制造商采用。ADAMS軟件使用交互式圖形環(huán)境和零件庫、約束庫、力庫，創(chuàng)建完全參數(shù)化的機(jī)械系統(tǒng)幾何模型，其求解器采用多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論中的拉格朗日方程方法，建立系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程，對(duì)虛擬機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析，輸出位移、速度、加速度和反作用力曲線[2]。

1.1 三維模型

UG擁有很豐富的建模工具，在這里參照Stewart結(jié)構(gòu)先繪制六自由度平臺(tái)的零件圖，包括上片臺(tái)面、萬向節(jié)、剛體、底座等幾大部分，保存零件。在裝配圖中導(dǎo)入這些零件，進(jìn)行裝配，裝配的目的是約束零件的自由度，使得整體裝配能夠滿足設(shè)計(jì)的要求。在UG的裝配模塊中，選擇約束裝配，添加零件，裝配圖如圖1所示。

圖1 三維模型

1.2 導(dǎo)入ADAMS

ADAMS軟件雖然有三維建模能力，但是建模沒有在UG中方便操作，這也是普遍使用UG建模，然后導(dǎo)入ADAMS的原因。

在UG中建好的三維模型全部選中，導(dǎo)出，選擇輸出格式為Parasolid格式。打開ADAMS軟件，選擇文件-導(dǎo)入-格式 Parasolid-選擇保存文件-新建模型，這樣就可以導(dǎo)入三維模型。但是此時(shí)的模型并沒有任何約束，這是由于 ADAMS不識(shí)別UG中添加的約束，只保留零件之間位置關(guān)系，因此需要重新添加約束，并且兩次添加約束的方式有所不同。

在上平臺(tái)底面固定三個(gè)鉸支座，每個(gè)鉸支座安裝兩個(gè)萬向節(jié)，每個(gè)萬向節(jié)連接一個(gè)缸桿，因此，在連接位置添加萬向副，對(duì)于杠桿和剛體采用圓柱副。六自由度平臺(tái)底座同樣是三個(gè)鉸支座，約束方式與上平臺(tái)相同。平臺(tái)與吊架采用固定副約束，使得吊架完全跟隨平臺(tái)一起運(yùn)動(dòng)。此時(shí)，對(duì)于剛體部分已經(jīng)全部完成。對(duì)于仿真還需要添加繩索和吊重，在ADAMS的2013版本中，有很豐富的機(jī)械包，其中就有繩索模塊，通過設(shè)置繩索模塊的一些參數(shù)，如錨點(diǎn)布置、滑輪位置、滑輪尺寸、繩索直徑等（其他參數(shù)可以默認(rèn)）。通過這些設(shè)置，得到動(dòng)力學(xué)模型如圖2所示。

2 動(dòng)力學(xué)模型仿真

在開始仿真之前，定義模型的坐標(biāo)方向，垂直于平臺(tái)向上為Z軸方向，吊架方向?yàn)閄軸正向，其余軸的方向采用笛卡爾坐標(biāo)系設(shè)定。依據(jù)由非線性振動(dòng)的相關(guān)研究知，X、Y軸方向的頻率接近球擺的固有頻率。系統(tǒng)具有最大響應(yīng)值。當(dāng)Z向激勵(lì)頻率接近吊物系統(tǒng)固有頻率的2倍時(shí)，將出現(xiàn)最大響應(yīng)值，此時(shí)參變激發(fā)現(xiàn)象最易發(fā)生[3][4]。根據(jù)這個(gè)結(jié)論設(shè)置仿真條件。

2.1 激勵(lì)頻率對(duì)擺動(dòng)影響

為了方便對(duì)激勵(lì)描述，設(shè)置如下表達(dá)式：

式中的X、Y、Z為三個(gè)軸向激勵(lì)；AX、AY、AZ為激勵(lì)的幅值；ω為激勵(lì)頻率。

為了研究外界激勵(lì)頻率對(duì)吊物系統(tǒng)的擺動(dòng)影響，設(shè)定只改變激勵(lì)頻率的響應(yīng)，AX、AY、AZ分別為0.01m、0.01m、0,01m;由于此時(shí)繩索長度只有 1m，那么系統(tǒng)的固有頻率為3.13rad/s，根據(jù)前面的參考結(jié)論，設(shè)定X、Y、Z方向的激勵(lì)頻率分別為2.5rad/s、3.13rad/s、3.75rad/s。仿真200s，得到吊物擺角如圖3、圖4、圖5所示。

圖3 激勵(lì)頻率3.13rad/s

圖4 激勵(lì)頻率2.5rad/s

圖5 激勵(lì)頻率3.75rad/s

從圖3、圖4、圖5中得出，當(dāng)激勵(lì)頻率為3.13rad/s時(shí)，吊物的擺動(dòng)角度最大，可達(dá)62.19°；激勵(lì)頻率為2.5rad/s時(shí)，吊物擺角最大 2.86°；激勵(lì)頻率為 3.75rad/s時(shí)，最大擺角為3.39°。通過分析數(shù)據(jù)可知，激勵(lì)頻率為3.13rad/s時(shí)，重物產(chǎn)生的擺角最大，這與參考的論文結(jié)論一致。由于此時(shí)激勵(lì)頻率等于系統(tǒng)固有固有頻率，產(chǎn)生共振引起的。

2.2 繩索長度對(duì)擺動(dòng)影響

設(shè)置此時(shí)激勵(lì)頻率為 3.13rad/s，AX、AY、AZ分別為0.01m、0.01m、0,01m；改變繩索長度為1m、1.2m、0.8m。設(shè)置仿真時(shí)間 200s。重物的面內(nèi)角和面外角如圖 6、圖 7、圖8所示。

圖6 繩索長度1m

圖7 繩索長度0.8m

圖8 繩索長度1.2m

從圖6、圖7、圖8，由于圖6與前一節(jié)圖3是一致的，繩索長度為0.8m時(shí)，最大擺角為6.8°；繩索長度為1.2m時(shí)，最大擺角5.6°。從這些數(shù)據(jù)看出，繩索長度為1m時(shí)，重物的擺角最大。

3 結(jié)論

通過在ADAMS中建立浮吊系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型，并對(duì)其仿真，分析外界激勵(lì)頻率對(duì)系統(tǒng)的擺動(dòng)影響，通過設(shè)置不同激勵(lì)頻率，采集在各個(gè)頻率下最大擺動(dòng)角度，得出激勵(lì)萍率接近于系統(tǒng)固有頻率時(shí)，吊物系統(tǒng)的擺角最大。同時(shí)改變繩索長度，得出重物擺動(dòng)響應(yīng)的規(guī)律。

[1] 袁文武,蔡慧林,任剛.基于UG和ADAMS的齒輪嚙合動(dòng)力學(xué)仿真[J].煤礦機(jī)械, 2010, 31(2):40-43.

[2] 李旭.懸臂式掘進(jìn)機(jī)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性研究[D].中國礦業(yè)大學(xué)(北京), 2017.

[3] 呂宏松.起重船吊物系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性分析及模型實(shí)驗(yàn)研究[D]. 華中科技大學(xué),2009.

[4] 芮光六.起重船吊物系統(tǒng)的擺動(dòng)分析及其控制研究[D].天津大學(xué),2004.