甘林 周洪威 羅俏

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ADAMS二次開發(fā)技術(shù)在內(nèi)燃叉車動力學(xué)仿真的應(yīng)用*

甘林1周洪威2羅俏1

（1.廣東省智能制造研究所 2.深圳長城開發(fā)科技股份有限公司）

內(nèi)燃叉車通常根據(jù)企業(yè)經(jīng)驗數(shù)據(jù)設(shè)計，存在設(shè)計周期長、成本高的問題。利用多體動力學(xué)理論分析內(nèi)燃叉車的動力學(xué)特性，運(yùn)用ADAMS二次開發(fā)技術(shù)建立內(nèi)燃叉車的動力學(xué)仿真系統(tǒng)，得到怠速工況下內(nèi)燃叉車發(fā)動機(jī)懸置的振動加速度。仿真結(jié)果與實測結(jié)果對比，驗證了該動力學(xué)仿真系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。

動力學(xué)建模；ADAMS二次開發(fā)；仿真

0 引言

隨著現(xiàn)代工業(yè)的快速發(fā)展，內(nèi)燃叉車作為一種靈活、高效的搬運(yùn)機(jī)械廣泛應(yīng)用于工廠、碼頭等貨物集中場所。目前，內(nèi)燃叉車通常根據(jù)企業(yè)經(jīng)驗數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)計，通過物理樣機(jī)進(jìn)行驗證，該方法不僅設(shè)計周期長，且成本較高。采用虛擬樣機(jī)技術(shù)[1]設(shè)計內(nèi)燃叉車，可縮短設(shè)計周期，降低研發(fā)成本。首先，分析內(nèi)燃叉車的動力學(xué)特性；然后通過機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)自動分析軟件（automatic dynamic analysis of mechanical systems，ADAMS）二次開發(fā)技術(shù)[2]建立內(nèi)燃叉車的動力學(xué)仿真系統(tǒng)；最后對內(nèi)燃叉車怠速工況下發(fā)動機(jī)懸置振動加速度進(jìn)行仿真與實測，驗證內(nèi)燃叉車動力學(xué)仿真系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。

1 內(nèi)燃叉車動力學(xué)特性分析

內(nèi)燃叉車主要部件有車架、發(fā)動機(jī)、變速箱、離合器、前后橋、配重、輪胎和發(fā)動機(jī)懸置，其中車架、發(fā)動機(jī)、變速箱、離合器、前后橋、配重在工作過程中振動變形較小，可近似為剛性構(gòu)件；輪胎采用ADAMS中的Fiala輪胎模型；發(fā)動機(jī)懸置采用模擬怠速工況下的動剛度實測值。

發(fā)動機(jī)定義為剛體，將剛體的質(zhì)心笛卡爾坐標(biāo)和歐拉角定義為該仿真系統(tǒng)的廣義坐標(biāo)，可表示為，。一般， 多剛體系統(tǒng)動力學(xué)的微分代數(shù)方程數(shù)量較多，但高度稀疏耦合，因此可用稀疏矩陣的方法求解[3]。基于拉格朗日乘子法建立系統(tǒng)運(yùn)動方程如式(1)所示。

將式(1)寫成式(2)所示一般形式，求解該方程組，即可得出各剛體動力學(xué)特性的數(shù)值解。

2 內(nèi)燃叉車動力學(xué)仿真系統(tǒng)開發(fā)

在ADAMS動力學(xué)仿真中，各個構(gòu)件的固有特性轉(zhuǎn)動慣量和質(zhì)心位置為仿真輸入的關(guān)鍵參數(shù)。內(nèi)燃叉車各剛體的形狀不規(guī)則且質(zhì)量分布不均勻，通過公式很難求得準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)動慣量，因此采用實驗測定的方法獲得[4]。

應(yīng)用ADAMS二次開發(fā)技術(shù)，建立能快速生成模型參數(shù)和動力學(xué)仿真的系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過輸入叉車各部件的質(zhì)心坐標(biāo)、質(zhì)量、轉(zhuǎn)動慣量、發(fā)動機(jī)懸置剛度和阻尼特性等參數(shù)，即可建立對應(yīng)特性的內(nèi)燃叉車動力學(xué)模型，并獲取相應(yīng)仿真結(jié)果。

1) 通過點的位置對車架、發(fā)動機(jī)、變速箱、輪胎、前橋、后橋和配重進(jìn)行參數(shù)化建模，參數(shù)輸入界面如圖1所示。

圖1 參數(shù)輸入界面

由于篇幅限制，本文僅以車架質(zhì)心坐標(biāo)的輸入與修改為例進(jìn)行說明；

!對車架質(zhì)心的坐標(biāo)進(jìn)行輸入與修改

variable Modify variable=CheJiaZhiXin_X REAL=(eval($CheJiaZhiXin_X))

variable Modify variable=CheJiaZhiXin_Y REAL=( eval ($ CheJiaZhiXin_Y))

variable Modify variable=CheJiaZhiXin_Z REAL=( eval ($CheJiaZhiXin_Z))

2) 將發(fā)動機(jī)懸置剛度和阻尼值設(shè)置為設(shè)計變量，便于對懸置的優(yōu)化設(shè)計[5]。開發(fā)仿真條件輸入模塊，將怠速工況的激勵設(shè)為函數(shù)形式的輸入欄，便于為仿真提供激勵條件；同時，設(shè)置仿真的時長與步長，界面如圖2所示。

圖2 仿真條件輸入界面

部分二次開發(fā)命令如下：

force modify direct single_component_force single_component_force_name =.MODEL1.FZ &

adams_id = 1 &

type_of_freedom = translational &

action_only = on &

function = $field_1 &

i_marker_name =.MODEL1.fadongji.MARKER_4097&

3) 開發(fā)仿真后處理模塊，便于用戶將數(shù)據(jù)以圖表的形式導(dǎo)出，界面如圖3所示。

圖3 仿真后處理界面

對工程設(shè)計需要的數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真后處理，包含懸置處向和向的加速度和車架某特征點的向和向加速度。

懸置向加速度二次開發(fā)命令：

interface plot window create_new_page default_layout=yes &

interface dialog execute dialog=.gui.xy__cur_cre undisplay=no

xy_plots curve create &

curve_name = xuanzhi_Y &

dmeasure = xuanzhi_Y &

run_name = $FangZhen &

auto_vertical_axis = yes &

auto_axis = units &

calculate_axis_limits = yes &

auto_color = yes &

line_type = solid &

symbol_type =none &

frozen = yes &

create_page = yes &

trailing_zeros = on &

allow_hotpoints = no

3 系統(tǒng)仿真與驗證

利用MPC2000型轉(zhuǎn)動慣量測試儀測量發(fā)動機(jī)、變速箱、前后橋的慣量參數(shù)。發(fā)動機(jī)慣量測試圖如圖4所示，內(nèi)燃叉車零部件基本參數(shù)如表1所示。

圖4 發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)動慣量測試圖

表1 內(nèi)燃叉車零部件基本參數(shù)

注：表中表示質(zhì)量，單位為kg；、、、、和表示相對坐標(biāo)軸各方向的轉(zhuǎn)動慣量，單位為kg?m2。

內(nèi)燃叉車發(fā)動機(jī)后端通過橡膠懸置與車架相連，且通過發(fā)動機(jī)動力總成質(zhì)量、質(zhì)心位置，懸置角度、高度和位置等參數(shù)，計算得到發(fā)動機(jī)懸置預(yù)載荷為1600 N。內(nèi)燃叉車發(fā)動機(jī)為四沖程、兩缸式，怠速時轉(zhuǎn)速為750 r/min。

根據(jù)經(jīng)驗公式(3)[6]可得出發(fā)動機(jī)激勵頻率為 25 Hz。

采用車輛減震器動靜態(tài)試驗儀對發(fā)動機(jī)懸置的動剛度進(jìn)行測試。測試安裝方式模擬試件在整車上的承載狀態(tài)，用套筒與發(fā)動機(jī)橡膠懸置配合裝夾，如圖5所示。

圖5 發(fā)動機(jī)懸置剛度測試

發(fā)動機(jī)懸置動剛度測試預(yù)載荷設(shè)置為1600 N，測試頻率取15 Hz、17.5 Hz、20 Hz、22.5 Hz、25 Hz、26 Hz、27.5 Hz、30 Hz。測試振幅在各個頻率下分別為0.5 mm0.7mm、1 mm1.25 mm、1.5 mm。施加激勵為穩(wěn)態(tài)單頻正弦激勵和位移控制方法，位移激勵為式(4)。

內(nèi)燃叉車怠速工作時，發(fā)動機(jī)激勵頻率為25 Hz，為更準(zhǔn)確地對叉車進(jìn)行仿真，本文取22.5 Hz、25 Hz和26 Hz測試，得到的動剛度平均值為發(fā)動機(jī)懸置的剛度，其值為851 N/mm。

輪胎的剛度參數(shù)直接從輪胎生產(chǎn)廠家獲取，具體參數(shù)如表2所示。在參數(shù)輸入界面輸入相應(yīng)的參數(shù)，即可完成內(nèi)燃叉車的建模。

圖6 發(fā)動機(jī)橡膠懸置動剛度測試曲線

表2 叉車輪胎剛度參數(shù)

內(nèi)燃叉車為平面布置曲軸的直列柴油機(jī)，發(fā)動機(jī)的主要激勵源為二階往復(fù)慣性力和傾覆力矩可分別由式(5)和式(6)計算得到。

(6)

仿真激勵源設(shè)置為發(fā)動機(jī)的二階往復(fù)慣性力和傾覆力矩，仿真時間為5 s，步長為0.001 s。懸置向加速度實測圖如圖7所示，運(yùn)用LMS聲振信號采集儀和PCB三向加速度傳感器對發(fā)動機(jī)的懸置進(jìn)行實測，并將實測數(shù)據(jù)導(dǎo)入仿真系統(tǒng)。

發(fā)動機(jī)懸置向加速度的仿真與實測對比圖如圖8所示，其中實線為仿真結(jié)果，虛線為實測結(jié)果。仿真結(jié)果與實測結(jié)果的變化趨勢一致，懸置向加速度仿真峰值與實測值基本吻合，驗證了該仿真系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。

圖7 懸置Y向加速度實測圖

圖8 懸置Y向加速度對比

4 結(jié)語

本文運(yùn)用ADAMS二次開發(fā)技術(shù)，建立內(nèi)燃叉車動力仿真系統(tǒng)，并通過測試驗證該系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，提高內(nèi)燃叉車的研發(fā)效率，具有一定的工程應(yīng)用意義。

[1] 李增剛.ADAMS入門詳解與實例[M].北京:國防工業(yè)出版社,2006.

[2] 殷俊文.基于ADAMS/View的汽車前懸架仿真分析系統(tǒng)的二次開發(fā)[D].武漢:武漢理工大學(xué),2012.

[3]齊朝暉.多體系統(tǒng)動力學(xué)[M].北京:科學(xué)出版社,2008.

[4] 孔玥.阻尼條件下轉(zhuǎn)動慣量測量技術(shù)的研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué),2013.

[5] 薛文星,秦俊奇,賈長治,等.基于虛擬樣機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化[J].新技術(shù)新工藝,2009,07:53-55.

[6] 張新剛.怠速工況客車振源識別及發(fā)動機(jī)懸置優(yōu)化技術(shù)研究[D].西安:長安大學(xué),2012.

Application of ADAMS Secondary Development Technology in Dynamic Simulation of Internal Combustion Forklift Truck

Gan lin1Zhou Hongwei2Luo qiao1

(1.Guangdong Institute of Intelligent Manufacturing 2.Shenzhen Kaifa Technology Co., Ltd.)

In order to solve the problem of the long design cycle of internal combustion forklift and the high cost of research and development. Analyzing the dynamic performance of the diesel forklift with theory of multi-body dynamics. The internal combustion forklift simulation system was developed base on ADAMS secondary development technology, and simulation internal-combustion forklift engine mount vibration acceleration on idle speed condition. Finally, the simulation results are compared with the measured results, and the accuracy of the dynamic simulation system is verified.

Dynamics Modeling; ADAMS Secondary Development; Simulation

甘林，男，1988年生，碩士，主要研究方向：振動與噪聲控制、制造業(yè)自動化及其信息化。E-mail: l.gan@giim.ac.cn

周洪威，男，1989年生，碩士，主要研究方向：振動與噪聲控制。

羅俏，男，1978年生，大學(xué)本科，工程師，主要研究方向：制造業(yè)自動化及其信息化。

廣東省科技計劃項目（2015B090922001）