基于ADAMS 的管道外壁行走裝置的設(shè)計與仿真

孫曉東

淮南聯(lián)合大學(xué) 機電系，安徽 淮南 232038

針對現(xiàn)代工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用，設(shè)計出了一種針對圓形直管道的管道外壁行走裝置。該平臺可以在管道外壁上自行走，協(xié)同搭載的各種檢測、噴涂等裝置，完成直管管道的檢測維護(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體模型

1 多體系統(tǒng)動力學(xué)概述

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

多體系統(tǒng)動力學(xué)的建模方法主要基于以下幾類基本原理和方法：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)的機制原理以及傳遞矩陣方法等。

隨著實際工程應(yīng)用的需要，計算多體系統(tǒng)動力學(xué)在50 多年的時間里取得了令人矚目的成果，簡化了工程問題的處理和測試。目前各科研機構(gòu)研發(fā)了多種多體動力學(xué)CAE 軟件，來滿足實際工程應(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 MDI 公 司 (Mechanical Dynamics Inc.)開發(fā)的虛擬樣機分析軟件，現(xiàn)已被美國MSC 收購更名為MSC/ADAMS，是當(dāng)今應(yīng)用最廣泛的虛擬樣機分析軟件之一。

應(yīng)用機械系統(tǒng)動力學(xué)分析軟件ADAMS(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems)[2][3]對管道爬行裝置進(jìn)行運動學(xué)仿真。把管道爬行裝置模型進(jìn)行適當(dāng)簡化導(dǎo)入到ADAMS 中，布置方式為管道軸線沿z 軸方向，給不同的零部件設(shè)置材料屬性，整個裝置在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)動副，各滾輪支架與固定到圓盤上的支撐座之間建立移動副，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鉸建立起前面所述的相對運動關(guān)系，進(jìn)而組成整個系統(tǒng)的運動學(xué)約束方程組，再給以驅(qū)動約束方程即可對該多剛體系統(tǒng)進(jìn)行運動學(xué)求解。

3 管道外壁行走裝置運動學(xué)仿真

管道外壁行走裝置在ADAMS 中進(jìn)行運動學(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 為啟動該裝置時的運動學(xué)特性曲線。

圖4 行走裝置停止時運動特性

由圖3 可知在管道外壁行走裝置的啟動時，在開始一段時間內(nèi)，位移、速度和加速度曲線都有一個過渡區(qū)域。

圖3 行走裝置啟動時運動特性

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

由圖（b）可知在啟動裝置的初始時刻，速度曲線有一緩慢變化過程，在0.2s 時刻速度波動比較大，從1.2s 開始，速度曲線開始趨于平穩(wěn)，該裝置開始穩(wěn)定運動。

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

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

管道外壁行走裝置停止時的運動學(xué)特性曲線如圖5 所示。

圖4 所示為在3s 時刻讓該裝置停止運動，可知在發(fā)出停止指令后，該裝置的運動特性變化規(guī)律與開始運動時相反。由（a）可知，在發(fā)出停止指令后該裝置的位移曲線的斜率基本不變，隨著速度逐漸減小位移曲線趨于一個穩(wěn)定值，即裝置停止；由（b）可見，速度曲線在逐漸減小過程中有波動，并且在速度達(dá)到零的時刻波動較大；由（c）可知，在發(fā)出停止指令后，加速度曲線呈無規(guī)律的震蕩，總體趨勢為加速度大小隨時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動過程中的速度和加速度波動是由于結(jié)構(gòu)件彈簧引起，因此在實際應(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]，同時驅(qū)動輪和支撐輪不能太硬，應(yīng)該偏軟讓其在行走過程中吸收裝置的運動波動，讓裝置在行走過程中保持良好的穩(wěn)定性和安全性。

4 結(jié)語

通過基于ADAMS 的運動學(xué)仿真，對管道外壁行走裝置的運動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)計的優(yōu)化提供了相關(guān)依據(jù)。