动力学仿真

单斗液压挖掘机虚拟样pro/e建模与Adams动力学仿真

耿大谦

ADAMS即机械系统动力学自动（Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems），该软件是美国MDI公司(Mechanical Dynamics Inc.)开发的虚拟样机分析软件。ADAMS已经被全世界各行各业的数百家主要制造商采用。根据1999年机械系统动态仿真分析软件国际市场份额的统计资料，ADAMS软件销售总额近八千万美元、占据了51%的份额,现已经并入美国MSC公司。

虚拟样机的建立

由于ADAMS建模过程非常繁琐，但主要擅长于进行仿真分析，故首先，采用三维建模软件pro/e建立挖掘机的几何模型，之后保存为可以与Adams进行转换的特殊格式，导入到Adams环境中，建立虚拟样机进行动力学仿真分析。

导入模型后，原模型的装配关系失效，工作装置的各个部分都是相互独立的存在Adams环境中，这是需要进行布尔运算等操作，重新组装，建立挖掘机的虚拟样机。在操作之前，需要进行环境和单位设置，这里设置重力加速单位为mm/s^2,其他为国际单位制。如图所示：

单位设置 重力设置

为了防止在运行仿真的时候，一些小部件在重力的作用下抛落，以及减少运动副化简运算，就要进行布尔运算，由原来的81个部分，合并成11部分。第二步：为了明显的区别零部件，便于仿真分析，可以将相邻不同的部分赋予不同的颜色，方便辨别不同的零部件，最好重新命名；第三步：添加约束,给作相对滑动的零部件施加移动副，给作相对转动的零部件施加转动副，给固定的构件施加固定副。其中，液压活塞和液压缸之间施加移动副，其他的施加转动副。之后施加载荷和驱动；最后需要对模型进行验证。

虚拟样机模型图 验证信息

挖掘机虚拟样机建立完成后，就需要验证是否正常，通过主菜单Tools 的下拉菜单verify，或者仿真中的对勾按钮，由该图可以得出：该模型有11个构件、8个转动副、3个移动副、4个平面副、3个驱动。整个模型没有自由度，也没有多余约束，模型验证正确。

运动学仿真分析

Adams/view 提供了四种仿真分析，分别是：动力学分析、运动学分析、静态分析以及装配分析。其详细介绍可以参考李增刚《ADAMS入门详解与实例》教程，或者其他老师的教程。

运动学仿真主要关心的是研究对象的质心、位移、速度、加速度的变化范围。运动学仿真，自由度要求是零。此外，运动学仿真还能验证运动约束关系的正确性，因此在动力学仿真前，做运动学仿真是很有必要的。

对液压挖掘机工作装置的运动学分析，是力学分析、控制设计的基础，也是验证模型是否存在问题的方法之一。由此可将对工作装置的运动学分析的重要性。阅读了大量的文献，基于Adams的运动学分析比较普遍，技术也相对成熟。 首先是对工作装置的基本参数的确定，如最大挖掘半径、最大挖掘深度、最大卸载高度等主要作业尺寸。这些参数是衡量挖掘机性能的重要指标。将在pro/e中建立的挖掘机工作装置模型导入Adams中，需要进行前处理，在两个部件相对旋转处进行施加旋转副，在液压缸和活塞之间施加移动副，再对一些部件没有相对移动，用布尔运算进行固连。工作装置的工作位置取决于工作装置各个构件的

是斗齿尖端达到最高的状态，另外还要在斗齿尖端建一个marker点，测量斗齿

的运动轨迹，然后对液压缸进行甚至驱动，我们采用step函数来进行控制。 该函数的介绍，Step函数其实是阶跃函数，表达式为：

Step（）

其中，x是变量名，是变量初始值，为x小于函数初始值，是变量结束值，为x大于函数初始值。

步长step size 设置0.01，点击仿真按钮，就可以仿真。

在铲斗齿尖处建立的marker点，进行trace测量，得出其运动的轨迹，工作理论范围，其工作运动的包络线如下：

工作范围

对齿尖处的marker点右键→measure→Characteristic下拉菜单→

displacement，component分别选择x和y，得出铲斗齿尖在X轴和Y轴的位移曲线，如图所示

其中红实线代表竖齿尖水平方向的位移，蓝虚线代表齿尖竖直方向的位移。 可以读出，

最大挖掘半径仿真值：9034mm；最大挖掘深度仿真值：7100mm；

最大卸载高仿真值6500mm；的最大挖掘半径仿真值 7600mm。

挖掘机工作装置动力学仿真

液压挖掘机工作装置的动力学分析，三个关键步骤是工作循环时间的分配、负载的添加以及驱动函数的设置。这里只研究工作装置的一个基本循环根据很多文献，大部分采用的的还是step函数来模拟各个阶段的运行和受力情况。

对于我们研究的挖掘机来讲，工作装置的一个基本的工作循环包括挖掘、提臂回转、卸料、空斗返回。其中，本次研究没有加上旋转台，就不考虑动臂的回转。

根据有限元那一章节，挖掘力的计算经验公式，得出最大挖掘阻力在工况一

液压缸的驱动函数

挖掘阻力和土重函数

蓝色虚线是表示挖掘机阻力，红色实线表示土重。

大臂四个铰链的受力情况

其中，jiont_1_force.mag动臂与地面连接处铰链的力，jiont_3_force.mag是动臂液压缸与动臂连接处的力，jiont_16_force.mag动臂与斗杆液压缸连接处铰链的力，jiont_5_force.mag动臂与斗杆连接处铰链的力。

Motion_1_force.mag表示动臂液压驱动受力曲线，Motion_2_force.mag表示斗杆液压缸驱动受力曲线，Motion_3_force.mag表示铲斗液压缸驱动受力分析。