摘要：本文以某大型機械起豎裝置為研究對象，利用三維造型軟件Pro/Engineer對關鍵起豎部件進行實體建模并在虛擬環境下裝配。借助Pro/E與ADAMS的接口模塊Mechanism/Pro，將三維實體模型傳輸到ADAMS環境，并添加載荷和驅動生成虛擬樣機。通過定義接觸力和雙面碰撞力對托架和活塞桿限位，分析起豎動力學過程并給出部分仿真結果，為該裝置的優化控制提供了理論依據和實驗參數，并為更加深入的有限元分析奠定了基礎。
關鍵詞：起豎裝置，三維建模，接觸力，動力學仿真
中圖分類號：TP391.9  文獻標識碼：A
Modeling and Simulation Study of Erecting Process of Large Equipment
Sun Qinghua1, Liu Xiuzhen2, Li Feng1
(1 The Second Artillery Engineering College, Shanxi Xi’an 710025; 2 Department of Civil Engineering, Xi’an Jiaotong University, Shan Xi, Xi’an 710049)
Abstract：In this paper, for the study of large erected mechanism, the models
 of key erecting parts were done by Pro/Engineer and then  were assembled into
 prototype in virtual environment. Though the interface block-Mechanism/Pro, the 3-Demension model was transmitted to ADAMS, where the model detailed and loads
 were appended. While the bracket and piston were set bounds by defining contact 
force and double-side collision, the dynamic analysis of erecting process was done and some results
 were stated, which provides the theoretic basis and experimental parameters for 
optimize control and set a foundation for deeper study of  finite element analysis. 
Keywords： Erecting Equipment，3-Dimention Modeling，Contact Force，Dynamic Simulation
      對于大型機械裝置的起豎過程，即由水平狀態到垂直狀態的運動過程，采用液壓驅動方式是一種有效的方法，可以充分發揮液壓系統大行程、大推力的優點。由于重載、大行程和安裝位置等方面的限制，液壓系統設計中通常選用二級或四級的多級活塞桿的液壓缸。但是，由于多級活塞桿伸出過程中的碰撞難以避免，容易在起豎過程中對負載產生過大沖擊。要在規定時間內完成起豎過程并保證其運動平穩，研究起豎過程的動態特性是十分必要的，特別是在對沖擊的限制有較高要求并力圖實現快速起豎的場合更是如此。
      隨著計算機技術的不斷提高，仿真技術得以迅速的發展，不斷涌現出許多較為成功的仿真軟件，其中較為突出的要數美國MDI公司開發的ADAMS機械系統自動化動力學仿真軟件。ADAMS本身提供實體造型功能，但是對于許多復雜的機械系統，零部件的幾何外形極不規則，此時用實體造型該功能進行三維建模就顯得力不從心了，此時我們必須借助于其他一些專長于三維建模功能的CAD軟件聯合起來建立機械系統的仿真模型，當前在工程領域選用美國PTC公司的CAD軟件Pro/Engineer和ADAMS聯合進行復雜機械系統的動力學仿真研究是一種較實用的仿真方案。
圖1給出了用Pro/E和ADAMS仿真的一般過程。
1 系統描述
      大型裝置的機械起豎系統包括作為載體的車架、液壓系統及油缸、負載及承載負載的托架、負載鎖緊機構等部分。本文以二級雙作用液壓油缸驅動旋轉負載為例，在理想約束的假設條件下，將負載、托架及鎖緊機構作為一個剛體來統一考慮。油缸由一級活塞桿、二級活塞套筒和油缸外筒組成，作為三個獨立的剛體考慮。
      靜態時，托架水平停靠在車底盤的前端支撐體上，液壓油缸全部收回，此時靠支撐體支撐托架的絕大部分重量；在起豎過程中，由液壓油驅動活塞桿伸出，二級活塞套筒完全伸出到位后，一級活塞桿繼續向前伸出，直至托架由水平狀態轉化為垂直狀態。 
 
2 模型建立
      由圖1可見對機械系統進行正確的建模對于后續的仿真研究起著決定性的作用，為保證模型順利轉化到ADAMS中，建模過程中應特別注意以下幾點：1、對整體模型加以考慮。找出關鍵的點線面等特征，合理正確使用的參照，以盡量減少返回修改模型的次數，否則會造成極大的工作量；2、注意單位的設定。Part模塊下的零件和Assembly模塊下裝配模型，都要統一單位。使用Pro/E默認的單位，即英寸磅秒制，可以順利傳送模型，但如按照圖紙建模的話，使用較不方便。建議新建mmks單位制，可以順利傳遞模型，有滿足日常習慣。3、材質的賦予。Pro/E可以簡單的對模型賦予密度等材料特性，但轉換至ADAMS中進行仿真時，有時仍會有警告，解決辦法是在ADAMS中利用其豐富的材料庫，對模型賦予材質。
2.1 零件建模
      機械起豎裝置主要分為三部分：車底盤、液壓缸和托架。其中液壓缸為二級液壓缸，應分別建立各部分的模型。模型建立后，應為每個零件指定顏色和材質，否則模型缺乏真實感。
2.2 組件裝配
      首先將沒有相對運動的零件通過完全約束裝配成子組件，然后將相互之間有相對運動的零件、組件通過定義連接的方式進行裝配。Pro/Engineer共提供了八種連接：剛體，銷釘，滑動桿，圓柱，平面，球，焊接，軸承。由實際裝配要求，各部件的連接關系如表1所示。完成后的總體裝配圖如圖2所示。 
 
圖2  總體裝配圖
3 數據傳輸
      Mechanism/Pro是連接Pro/E與ADAMS之間的橋梁。二者采用無縫連接的方式，使Pro/E用戶不必退出其應用環境，就可以將裝配的總成根據其運動關系定義為機構系統，進行系統的運動學仿真，并進行干涉檢查、確定運動鎖止的位置、計算運動副的作用力。
由于將Pro/E中生成的模型轉換至ADAMS環境后，圖形的許多幾何特征要丟失，如圓變成了多面體、旋轉體的軸線也會丟失等，所以凡是能在Mechanism/Pro環境下添加的約束要盡量在Mechanism/Pro環境下借助完整的幾何特征添加，對于一些必須在ADAMS中添加的約束也要預先考慮在Mechanism/Pro環境下定義參考坐標。
將沒有相對運動的零件定義為一個剛體，并在有相對運動的剛體之間添加適當約束，通過interface--ADAMS/View就可以完成圖形向ADAMS環境下的轉換。圖形的轉換精度，依據需要可設為0~10級不等，等級越高則幾何圖形外觀質量越好。
4 仿真分析
      模型傳入ADAMS后，在模型的約束副上添加驅動，并且根據模型所受載荷的情況施加力或力矩。經過ADAMS/Solver求解后，可以觀察模型的運動情況，檢查剛體之間的運動干涉，并且可以計算出剛體之間的作用力。
4.1 自由度分析
      系統判斷對模型進行運動學或是動力學仿真的標準是：通過計算系統中的剛體和約束副的類型和數量，計算系統的自由度。如果系統的自由度為0，對系統進行運動學仿真分析；如果系統的自由度大于0，則對系統進行動力學仿真分析。
機械系統得自由度F可以用下式計算：
式中     n——活動構件總數；
pi, m——第i個運動副的約束條件數，運動副總數；
qj, x——第j個原動機的驅動約束條件數，運動及總數；
Rk——其它的約束條件數。
4.2 托架回轉限位
      在起豎初始和回平末期，由于托架剛體重力力矩和速度慣性，托架會繞回轉軸向下回轉，必須在托架和車底盤前端支撐體添加接觸力來限位，以保證托架正常停靠在支撐體上。
接觸力是一種作用在構件上的特殊力，當兩個構件相互接觸發生變形時，產生接觸力，力的大小與變形的程度和變形的速度有關；如果兩個構件相互分開不接觸，則接觸力為零。
ADAMS用時間函數IMPACT定義接觸力，其數學模型為：
式中K(q)為剛度系數函數；q0為接觸時引發接觸力的臨界距離，q為兩接觸物體接觸點之間的實際距離。e為非線性指數，C(q)為阻尼系數函數。
4.3 活塞桿運動限位
      油缸一二級活塞桿運動到極限位置換級時，由于速度慣性，互相必然發生碰撞，為避免剛體之間互相穿透，在油缸外筒與二級套筒、二級套筒與一級活塞桿之間定義雙面碰撞力。設兩缸體之間相對運動的區間為[q1，q2]，則碰撞力大小為：

5 結論

      圖3給出了一部分仿真結果。(a)反映了靜態時托架與支撐桿之間的接觸力；(b)圖中實線和虛線分別是二級活塞套筒和一級活塞桿作平移運動的速度曲線。由仿真結果可以看出，起豎過程中的沖擊主要產生于起豎開始、活塞桿換級、系統急停等過程中，其中以各活塞桿伸出中的換級碰撞所帶來的沖擊最為嚴重。通過在起豎過程中對進入起豎油缸正腔的液壓油流量，可以控制多級缸活塞桿伸出的速度；而在活塞桿換級時適當降低液壓系統的流量，可以緩解活塞桿之間的碰撞所帶來的對負載的沖擊。
參考文獻
[1] 黃先祥，高欽和，郭曉松．大型裝置起豎過程的動力學建模研究[J]．系統仿真學報，2002，14(3)
[2] 鄭建榮．ADAMS—虛擬樣機技術入門與提高[M]．北京：機械工業出版社，2001．
[3] 高欽和，黃先祥．多級缸起豎系統運動過程的建模與仿真[J]．系統仿真學報，2005，17(7)
作者簡介：
孫慶華(1981~)，男(漢族)，碩士。研究方向：導彈武器發射系統仿真與自動檢測。