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基于Adams刚柔耦合仿真分析及应用.docx

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基于 Adams 刚柔耦合仿真分析及应用 【摘要】: 剪式稳定架系统常用于汽车车身输送线,可实现车身的升降与运 输。其上框架布置 2 台电机,通过皮带带动下框架和吊具,实现升降。在实际运 行过程中,由于存在升降皮带安装轮安装相位偏差、皮带缠绕驱动轮运行过程旋 转半径波动、皮带不等长等因素,造成下框架倾斜。在升降过程中,由于运动不 平衡, 4 根剪式稳定架可能产生较大的作用力,存在安全隐患。因为采用多刚体 系统计算会产生卡死现象,所以对剪式稳定架进行柔性化处理,从而得到刚柔耦 合的多体系统,然后进行动力学仿真分析,预测剪式稳定架的受力情况,为产品 设计和优化提供参考。 【关键词】: 剪式稳定架; Adams;刚柔耦合;仿真分析 引言 1996 年, ADAMS 推出ADAMS Flex 模块,实现了同时包含刚体和柔体的机构 动力学分析。 ADAMS 中的柔性体分为离散式和模态式 2 种:离散式柔性体是把一 个刚体构件离散为几个小刚性构件,小刚体构件之间通过柔性梁连接,离散式柔 性体的变形是柔性梁的变形,并不是小刚体构件的变形,这种柔性体可以模拟物 体的非线性变形,但只适用于简单结构;模态式柔性体是由 ADAMS Flex 模块或 外部有限元软件生成,能根据构件的实际结构进行复杂建模,这种柔性体采用的 是模态叠加法来模拟物体变形,故仅适用于线性结构的受力分析。 1 刚柔耦合基本理论 在外部载荷作用下,物体一定会发生弹性变形,所以,多体系统都可以等效 认为是一个多柔性系统。在这种情况下,如果所研究的部件刚度大并且不考虑部 件的应力-应变响应,则可以将该部件视为刚体。但是当所研究部件的弹性变形 对系统的影响较大,或者在外部载荷作用下部件的变形较为明显时,则必须考虑 部件的弹性系数。此时,就需要把所研究部件进行柔性化处理,以使多体系统更 接近实际情况。 本文进行刚柔耦合仿真时采用了 RecurDyn 中提供的有限元柔性体建模。有 限元柔性体实现了有限元技术与多体动力学的有机结合,克服了模态柔性体对接 触问题建模不准确,柔性体变形后模态需要及时更新的缺点,采用节点之间的相 对位移和旋转作为节点坐标来描述结构的变形,具有较高的计算精度。其理论数 学建模原理如下:在空间梁单元结构中,取任意两单元 i- 1 和 i,坐标系 O-XYZ 为总体惯性坐标系; x(i- 1)iy(i- 1)iz(i- 1)i 为固结在节点 i 上关于节点 i- 1 的 随体坐标系。从而得到柔性体的动力学方程为: 式 式中: q 为柔性体的广义坐标矢量; B 为系统节点矩阵; M 为柔性体的质量矩阵; Y 为机构所有广义坐标的 2 阶导数所组成的向量;Φ 为约束矩阵;λ 为拉格朗日 乘子; Q 为力矢量和。 2.基于 Adams 刚柔耦合仿真分析及应用 2.1 仿真模型运动函数定义 剪式框架初始位置为全伸展姿态。在上升运动时,首先在 1 s 时间内框架由 静止加速至 10 m/min,然后匀速运动保持 26 s,最后在 1 s 时间内由 10m/min 减速至 0,此时剪式框架总行程为 4.5 m,运行结束为全收缩姿态;在下降运动 时,先在 1 s 时间内框架由静止反向加速至 10 m/min,然后保持匀速运动 26 s, 最后在 1 s 时间内由 10 m/min 减速至 0,此时剪式框架又回到全伸展姿态。整个 升降过程运行总时间为 56 s。描述升降过程采用 Adams 软件函数库中 if 和 step 函数: if(time-28: (step(time, 0, 0, 1, 166.67)+step(time, 1, 0, 27, 0)+step(time, 27, 0, 28, - 166.67)), 0, (step(time, 28, 0, 29, - 166.67)+step(time, 29, 0, 55, 0)+step(time, 55, 0, 56, 166.67)))。 2.2 仿真分析和结果 根据试验数据,剪式框架由全伸展状态运行至全收缩状态产生的最大偏移为 10 mm。设定车头方向为前、副驾驶侧为左,考虑框架上升速度为前快后慢、前 慢后快和左快右慢 2 种工况,对其进行动力学仿真分析。 2.2.1 前快后慢工况 在前快后慢工况下,剪式框架运行至最顶端时的应力最大,运动过程剪式框 架某铰点的受力曲线和小轮与轨道的接触力曲线见图 1。 图 1 前快后慢工况仿真结果 2.2.2 前慢后快工况 在前慢后快工况下,剪式框架运行至最顶端时的应力最大,运动过程剪式框 架某铰点的受力曲线和小轮与轨道的接触力
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