吳學(xué)志

（上海海事大學(xué)物流工程學(xué)院，上海 201306）

前言

我國有漫長得海岸線和遼闊領(lǐng)海，海洋資源很豐富，但是目前對于海洋資源開采還處于初期，因此在這方面會需要大量的海洋裝備，而浮吊作為海洋裝備中必不可少的裝備之一，對于浮吊的研究也就成為目前研究的熱點和難點。本文主要采用虛擬樣機(jī)建立一個六自由度平臺和浮吊模型，模擬海上起重船起吊重物的過程。分析在這個過程中吊物的動力學(xué)特性。

1 建立模型

目前常用的三維建模軟件有很多，功能也都相似，在論文中采用 UG。UG（Unigraphics NX）是 Siemens PLM Software公司出品的一個產(chǎn)品工程解決方案，它為用戶的產(chǎn)品設(shè)計及加工過程提供了數(shù)字化造型和驗證手段。UG是一個交互式CAD/CAM系統(tǒng)，它功能強(qiáng)大，可以輕松實現(xiàn)各種復(fù)雜實體及造型的建構(gòu)。NX 優(yōu)于通用的設(shè)計工具，具有專業(yè)的管路和線路設(shè)計系統(tǒng)、鈑金模塊、專用塑料件設(shè)計模塊和其他行業(yè)設(shè)計所需的專業(yè)應(yīng)用程序[1]。

ADAMS，即機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)自動分析，該軟件是美國機(jī)械動力公司開發(fā)的虛擬樣機(jī)分析軟件。ADAMS已經(jīng)被全世界各行各業(yè)的數(shù)百家主要制造商采用。ADAMS軟件使用交互式圖形環(huán)境和零件庫、約束庫、力庫，創(chuàng)建完全參數(shù)化的機(jī)械系統(tǒng)幾何模型，其求解器采用多剛體系統(tǒng)動力學(xué)理論中的拉格朗日方程方法，建立系統(tǒng)動力學(xué)方程，對虛擬機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行靜力學(xué)、運動學(xué)和動力學(xué)分析，輸出位移、速度、加速度和反作用力曲線[2]。

1.1 三維模型

UG擁有很豐富的建模工具，在這里參照Stewart結(jié)構(gòu)先繪制六自由度平臺的零件圖，包括上片臺面、萬向節(jié)、剛體、底座等幾大部分，保存零件。在裝配圖中導(dǎo)入這些零件，進(jìn)行裝配，裝配的目的是約束零件的自由度，使得整體裝配能夠滿足設(shè)計的要求。在UG的裝配模塊中，選擇約束裝配，添加零件，裝配圖如圖1所示。

圖1 三維模型

1.2 導(dǎo)入ADAMS

ADAMS軟件雖然有三維建模能力，但是建模沒有在UG中方便操作，這也是普遍使用UG建模，然后導(dǎo)入ADAMS的原因。

在UG中建好的三維模型全部選中，導(dǎo)出，選擇輸出格式為Parasolid格式。打開ADAMS軟件，選擇文件-導(dǎo)入-格式 Parasolid-選擇保存文件-新建模型，這樣就可以導(dǎo)入三維模型。但是此時的模型并沒有任何約束，這是由于 ADAMS不識別UG中添加的約束，只保留零件之間位置關(guān)系，因此需要重新添加約束，并且兩次添加約束的方式有所不同。

在上平臺底面固定三個鉸支座，每個鉸支座安裝兩個萬向節(jié)，每個萬向節(jié)連接一個缸桿，因此，在連接位置添加萬向副，對于杠桿和剛體采用圓柱副。六自由度平臺底座同樣是三個鉸支座，約束方式與上平臺相同。平臺與吊架采用固定副約束，使得吊架完全跟隨平臺一起運動。此時，對于剛體部分已經(jīng)全部完成。對于仿真還需要添加繩索和吊重，在ADAMS的2013版本中，有很豐富的機(jī)械包，其中就有繩索模塊，通過設(shè)置繩索模塊的一些參數(shù)，如錨點布置、滑輪位置、滑輪尺寸、繩索直徑等（其他參數(shù)可以默認(rèn)）。通過這些設(shè)置，得到動力學(xué)模型如圖2所示。

2 動力學(xué)模型仿真

在開始仿真之前，定義模型的坐標(biāo)方向，垂直于平臺向上為Z軸方向，吊架方向為X軸正向，其余軸的方向采用笛卡爾坐標(biāo)系設(shè)定。依據(jù)由非線性振動的相關(guān)研究知，X、Y軸方向的頻率接近球擺的固有頻率。系統(tǒng)具有最大響應(yīng)值。當(dāng)Z向激勵頻率接近吊物系統(tǒng)固有頻率的2倍時，將出現(xiàn)最大響應(yīng)值，此時參變激發(fā)現(xiàn)象最易發(fā)生[3][4]。根據(jù)這個結(jié)論設(shè)置仿真條件。

2.1 激勵頻率對擺動影響

為了方便對激勵描述，設(shè)置如下表達(dá)式：

式中的X、Y、Z為三個軸向激勵；AX、AY、AZ為激勵的幅值；ω為激勵頻率。

為了研究外界激勵頻率對吊物系統(tǒng)的擺動影響，設(shè)定只改變激勵頻率的響應(yīng)，AX、AY、AZ分別為0.01m、0.01m、0,01m;由于此時繩索長度只有 1m，那么系統(tǒng)的固有頻率為3.13rad/s，根據(jù)前面的參考結(jié)論，設(shè)定X、Y、Z方向的激勵頻率分別為2.5rad/s、3.13rad/s、3.75rad/s。仿真200s，得到吊物擺角如圖3、圖4、圖5所示。

圖3 激勵頻率3.13rad/s

圖4 激勵頻率2.5rad/s

圖5 激勵頻率3.75rad/s

從圖3、圖4、圖5中得出，當(dāng)激勵頻率為3.13rad/s時，吊物的擺動角度最大，可達(dá)62.19°；激勵頻率為2.5rad/s時，吊物擺角最大 2.86°；激勵頻率為 3.75rad/s時，最大擺角為3.39°。通過分析數(shù)據(jù)可知，激勵頻率為3.13rad/s時，重物產(chǎn)生的擺角最大，這與參考的論文結(jié)論一致。由于此時激勵頻率等于系統(tǒng)固有固有頻率，產(chǎn)生共振引起的。

2.2 繩索長度對擺動影響

設(shè)置此時激勵頻率為 3.13rad/s，AX、AY、AZ分別為0.01m、0.01m、0,01m；改變繩索長度為1m、1.2m、0.8m。設(shè)置仿真時間 200s。重物的面內(nèi)角和面外角如圖 6、圖 7、圖8所示。

圖6 繩索長度1m

圖7 繩索長度0.8m

圖8 繩索長度1.2m

從圖6、圖7、圖8，由于圖6與前一節(jié)圖3是一致的，繩索長度為0.8m時，最大擺角為6.8°；繩索長度為1.2m時，最大擺角5.6°。從這些數(shù)據(jù)看出，繩索長度為1m時，重物的擺角最大。

3 結(jié)論

通過在ADAMS中建立浮吊系統(tǒng)的動力學(xué)模型，并對其仿真，分析外界激勵頻率對系統(tǒng)的擺動影響，通過設(shè)置不同激勵頻率，采集在各個頻率下最大擺動角度，得出激勵萍率接近于系統(tǒng)固有頻率時，吊物系統(tǒng)的擺角最大。同時改變繩索長度，得出重物擺動響應(yīng)的規(guī)律。

[1] 袁文武,蔡慧林,任剛.基于UG和ADAMS的齒輪嚙合動力學(xué)仿真[J].煤礦機(jī)械, 2010, 31(2):40-43.

[2] 李旭.懸臂式掘進(jìn)機(jī)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性研究[D].中國礦業(yè)大學(xué)(北京), 2017.

[3] 呂宏松.起重船吊物系統(tǒng)動態(tài)特性分析及模型實驗研究[D]. 華中科技大學(xué),2009.

[4] 芮光六.起重船吊物系統(tǒng)的擺動分析及其控制研究[D].天津大學(xué),2004.