基于Simcenter 3D的液壓升降臺(tái)剛?cè)狁詈戏抡?/h1>
2021-09-15 00:59王鵬飛吳文超陳一凡王淑秀
儀器儀表用戶 2021年9期
王鵬飛，吳文超，陳一凡，王淑秀，葉 敏，王 瑞
（上海無(wú)線電設(shè)備研究所，上海 200090）
0 引言
根據(jù)某項(xiàng)目需求，需設(shè)計(jì)一臺(tái)具備升降、平移、轉(zhuǎn)動(dòng)三自由度運(yùn)動(dòng)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，用于滿足產(chǎn)品三自由度運(yùn)動(dòng)測(cè)試需求。根據(jù)項(xiàng)目升降及載重要求，升降機(jī)構(gòu)采用剪叉式液壓升降。該形式升降機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、承載量大、安裝空間小且易于集中控制等優(yōu)點(diǎn)，在現(xiàn)代物流、航空、自動(dòng)化生產(chǎn)線等場(chǎng)合中已廣泛應(yīng)用[1]。
目前，國(guó)內(nèi)外專家和學(xué)者對(duì)剪叉式升降機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)性能進(jìn)行了較為深入的研究[2]。例如，有學(xué)者采用幾何分析方法，推導(dǎo)了剪叉式折疊機(jī)構(gòu)在展開過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)方程，給出了幾種基本剪叉式結(jié)構(gòu)單元運(yùn)動(dòng)方程的具體形式，應(yīng)用運(yùn)動(dòng)方程對(duì)平板型、圓柱形、球形可展開機(jī)構(gòu)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。宋耀軍等基于內(nèi)裝式液壓缸斜向驅(qū)動(dòng)剪叉式升降臺(tái)，推導(dǎo)出液壓缸運(yùn)動(dòng)速度與升降臺(tái)運(yùn)動(dòng)速度的關(guān)系，以及活塞推力與外載荷的關(guān)系式[3]。鄧宏光等分析了剪叉式升降臺(tái)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)其關(guān)鍵參數(shù)及驅(qū)動(dòng)油缸的傾角進(jìn)行了優(yōu)化研究[4]。不過(guò)現(xiàn)有的研究大多數(shù)基于理論方法，將液壓缸簡(jiǎn)化為活塞桿的理想運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)，進(jìn)行的剛體動(dòng)力學(xué)分析，沒考慮關(guān)鍵受力件的柔性變形。
該項(xiàng)目要求臺(tái)面升降到一定高度后產(chǎn)品在平移、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)作用下，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)等測(cè)試運(yùn)動(dòng)。因此，升降機(jī)構(gòu)需滿足平穩(wěn)升降且安全可靠等基本要求。如果按照傳統(tǒng)的實(shí)物樣機(jī)的試驗(yàn)方法，為了驗(yàn)證升降臺(tái)的可靠性，需搭建物理樣機(jī)及試驗(yàn)平臺(tái)。該方法試驗(yàn)周期長(zhǎng)，投資較大且為破壞性試驗(yàn)。因此，采用搭建數(shù)字樣機(jī)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真的方法進(jìn)行驗(yàn)證。本文依據(jù)設(shè)備模型，對(duì)液壓升降臺(tái)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)、剛體動(dòng)力學(xué)以及針對(duì)受力較大部件進(jìn)行剛?cè)狁詈戏抡娣治?，為升降臺(tái)驅(qū)動(dòng)組件選型、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化提供依據(jù)。
本次仿真應(yīng)用的軟件為西門子Simcenter 3D仿真平臺(tái)，該軟件集成了多個(gè)仿真學(xué)科的綜合解決方案，提供了全面的創(chuàng)成式設(shè)計(jì)工作流程，可實(shí)現(xiàn)大型裝配連接建模的多體動(dòng)力學(xué)精確仿真[5]。
1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
該液壓升降臺(tái)設(shè)計(jì)整體要求需采用模塊化設(shè)計(jì)，保障設(shè)備自身及測(cè)試產(chǎn)品的安全、可靠，測(cè)試過(guò)程可實(shí)現(xiàn)完全自動(dòng)化。水平移動(dòng)機(jī)構(gòu)和電動(dòng)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)固定于升降臺(tái)面之上。該設(shè)備以實(shí)驗(yàn)室為應(yīng)用背景，用于產(chǎn)品測(cè)試，更應(yīng)該滿足操作方便、使用安全、通用性強(qiáng)等要求。液壓升降臺(tái)具體要求見表1。
表1 液壓升降臺(tái)設(shè)計(jì)要求Table 1 Design requirements for hydraulic lifting platform
根據(jù)測(cè)試要求和升降臺(tái)技術(shù)指標(biāo)，采用模塊化設(shè)計(jì)，將測(cè)試臺(tái)設(shè)計(jì)為3個(gè)模塊，分別為剪叉式升降臺(tái)、平移模組、轉(zhuǎn)動(dòng)模組，其三維模型如圖1所示。
圖1 升降測(cè)試臺(tái)三維示意圖Fig.1 Three-dimensional schematic diagram of the lifting test bench
2 仿真分析
在設(shè)計(jì)軟件中將模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，導(dǎo)入仿真軟件。在仿真軟件中進(jìn)行材料及運(yùn)動(dòng)副定義，通過(guò)仿真計(jì)算獲得該升降臺(tái)的運(yùn)動(dòng)范圍、升降驅(qū)動(dòng)力和關(guān)鍵部件的受力情況[6]。
2.1 運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真模型
對(duì)測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)體設(shè)置，添加運(yùn)動(dòng)副約束以及驅(qū)動(dòng)，保證轉(zhuǎn)臺(tái)具備正確自由度。然后，對(duì)其受力情況定義載荷，升降臺(tái)受載荷情況分為自身重力、負(fù)載、液壓缸推力等，升降臺(tái)重力可由Simcenter 3D系統(tǒng)對(duì)單個(gè)機(jī)構(gòu)重力模擬疊加而來(lái)，對(duì)于重力按照標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值施加。升降臺(tái)初始位置如圖2（a）所示，升降臺(tái)最高位置如圖2（b）所示。
圖2 升降臺(tái)位置高度示意圖Fig.2 Schematic diagram of the height of the lifting platform
定義液壓缸的運(yùn)動(dòng)速度和行程，如圖3（a）所示。得到升降臺(tái)臺(tái)面的高度隨時(shí)間變化曲線，如圖3（b）所示?？傻玫揭簤焊仔谐虨?00mm時(shí)，升降臺(tái)滿足高度行程300mm的要求。
圖3 運(yùn)動(dòng)曲線圖Fig.3 Movement curve
2.2 剛體動(dòng)力學(xué)仿真
通過(guò)設(shè)定臺(tái)面負(fù)載力，得到空載和滿載時(shí)油缸的工作力，得到圖4所示曲線。圖4（a）為空載時(shí)油缸推力隨時(shí)間變化曲線，圖4（b）為滿載時(shí)油推力隨時(shí)間變化曲線。從圖中可以看出，剛啟動(dòng)時(shí)所需推力最大，隨著高速升高，推力慢慢降低。該結(jié)果可為油缸選型提供有效參考。
圖4 油缸推力隨時(shí)間變化曲線Fig.4 Curve of cylinder thrust versus time
2.3 柔性件設(shè)置
對(duì)關(guān)鍵受力部件支撐桿進(jìn)行柔性化設(shè)置，用3D四面體網(wǎng)格對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分。根據(jù)其在工作中的實(shí)際運(yùn)動(dòng)以及受力情況，設(shè)置支撐桿的邊界條件，得到其前六階模態(tài)[7]。模態(tài)分析方法是對(duì)物件結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)性能分析的主要方法，通過(guò)模態(tài)分析計(jì)算得出零件的主振型以及固有頻率，反應(yīng)了零件的動(dòng)態(tài)振動(dòng)特性[8]。
多體動(dòng)力學(xué)剛?cè)狁詈戏抡嬖頌橥ㄟ^(guò)計(jì)算柔性模態(tài)，模態(tài)是材料結(jié)構(gòu)的固有振動(dòng)特性，每一個(gè)模態(tài)具有特定的固有頻率、阻尼比和模態(tài)振型。通過(guò)計(jì)算各個(gè)構(gòu)件的模態(tài)特征，可以預(yù)見在該振動(dòng)頻率階段各種外部或者內(nèi)部振源作用下的實(shí)際振動(dòng)響應(yīng)。
支撐桿前六階模態(tài)陣型如圖5所示。
圖5 支撐桿前六階模態(tài)振型圖Fig.5 Vibration shape diagram of the first six modes of the support rod
2.4 剛?cè)狁詈戏治?/h3>
動(dòng)力學(xué)剛?cè)狁詈戏抡媸怯?jì)算零件的模態(tài)及振型系數(shù)。通過(guò)各個(gè)構(gòu)件的模態(tài)特征，與各個(gè)運(yùn)動(dòng)副傳遞的載荷關(guān)聯(lián)耦合，預(yù)見在該振動(dòng)頻率階段各種外部或者內(nèi)部振源作用下的實(shí)際振動(dòng)響應(yīng)。轉(zhuǎn)臺(tái)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型建立完畢后，導(dǎo)入模態(tài)仿真結(jié)果文件.op2文件，生成轉(zhuǎn)臺(tái)剛?cè)狁詈夏Ｐ蚚9]，如圖6所示。
圖6 剛?cè)狁詈夏Ｐ虵ig.6 Rigid-flexible coupling model
通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)剛?cè)狁詈夏Ｐ瓦M(jìn)行仿真，得到支撐桿頂部受力變形曲線及應(yīng)力隨時(shí)間變化曲線，如圖7所示。由圖7可得，轉(zhuǎn)臺(tái)變形及應(yīng)力符合要求且遠(yuǎn)低于該材料許用應(yīng)力，且由設(shè)備的模態(tài)分析可知，轉(zhuǎn)臺(tái)安全系數(shù)較高，對(duì)低頻載荷不敏感，故認(rèn)為該轉(zhuǎn)臺(tái)設(shè)計(jì)可靠，滿足使用要求。
圖7 支撐桿頂部變形及應(yīng)變曲線Fig.7 Deformation and strain curve of the top of the support rod
3 結(jié)論
針對(duì)升降臺(tái)設(shè)計(jì)，通過(guò)剛體動(dòng)力學(xué)仿真對(duì)其運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行分析，得出相關(guān)參數(shù)變化范圍，對(duì)升降臺(tái)升降過(guò)程進(jìn)行剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)仿真，得到機(jī)構(gòu)的交點(diǎn)力、傳力特性以及應(yīng)變狀態(tài)，從而為轉(zhuǎn)臺(tái)優(yōu)化設(shè)計(jì)和驅(qū)動(dòng)部件的參數(shù)確定提供依據(jù)。
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根據(jù)某項(xiàng)目需求，需設(shè)計(jì)一臺(tái)具備升降、平移、轉(zhuǎn)動(dòng)三自由度運(yùn)動(dòng)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，用于滿足產(chǎn)品三自由度運(yùn)動(dòng)測(cè)試需求。根據(jù)項(xiàng)目升降及載重要求，升降機(jī)構(gòu)采用剪叉式液壓升降。該形式升降機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、承載量大、安裝空間小且易于集中控制等優(yōu)點(diǎn)，在現(xiàn)代物流、航空、自動(dòng)化生產(chǎn)線等場(chǎng)合中已廣泛應(yīng)用[1]。
目前，國(guó)內(nèi)外專家和學(xué)者對(duì)剪叉式升降機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)性能進(jìn)行了較為深入的研究[2]。例如，有學(xué)者采用幾何分析方法，推導(dǎo)了剪叉式折疊機(jī)構(gòu)在展開過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)方程，給出了幾種基本剪叉式結(jié)構(gòu)單元運(yùn)動(dòng)方程的具體形式，應(yīng)用運(yùn)動(dòng)方程對(duì)平板型、圓柱形、球形可展開機(jī)構(gòu)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。宋耀軍等基于內(nèi)裝式液壓缸斜向驅(qū)動(dòng)剪叉式升降臺(tái)，推導(dǎo)出液壓缸運(yùn)動(dòng)速度與升降臺(tái)運(yùn)動(dòng)速度的關(guān)系，以及活塞推力與外載荷的關(guān)系式[3]。鄧宏光等分析了剪叉式升降臺(tái)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)其關(guān)鍵參數(shù)及驅(qū)動(dòng)油缸的傾角進(jìn)行了優(yōu)化研究[4]。不過(guò)現(xiàn)有的研究大多數(shù)基于理論方法，將液壓缸簡(jiǎn)化為活塞桿的理想運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)，進(jìn)行的剛體動(dòng)力學(xué)分析，沒考慮關(guān)鍵受力件的柔性變形。
該項(xiàng)目要求臺(tái)面升降到一定高度后產(chǎn)品在平移、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)作用下，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)等測(cè)試運(yùn)動(dòng)。因此，升降機(jī)構(gòu)需滿足平穩(wěn)升降且安全可靠等基本要求。如果按照傳統(tǒng)的實(shí)物樣機(jī)的試驗(yàn)方法，為了驗(yàn)證升降臺(tái)的可靠性，需搭建物理樣機(jī)及試驗(yàn)平臺(tái)。該方法試驗(yàn)周期長(zhǎng)，投資較大且為破壞性試驗(yàn)。因此，采用搭建數(shù)字樣機(jī)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真的方法進(jìn)行驗(yàn)證。本文依據(jù)設(shè)備模型，對(duì)液壓升降臺(tái)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)、剛體動(dòng)力學(xué)以及針對(duì)受力較大部件進(jìn)行剛?cè)狁詈戏抡娣治?，為升降臺(tái)驅(qū)動(dòng)組件選型、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化提供依據(jù)。
本次仿真應(yīng)用的軟件為西門子Simcenter 3D仿真平臺(tái)，該軟件集成了多個(gè)仿真學(xué)科的綜合解決方案，提供了全面的創(chuàng)成式設(shè)計(jì)工作流程，可實(shí)現(xiàn)大型裝配連接建模的多體動(dòng)力學(xué)精確仿真[5]。
1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
該液壓升降臺(tái)設(shè)計(jì)整體要求需采用模塊化設(shè)計(jì)，保障設(shè)備自身及測(cè)試產(chǎn)品的安全、可靠，測(cè)試過(guò)程可實(shí)現(xiàn)完全自動(dòng)化。水平移動(dòng)機(jī)構(gòu)和電動(dòng)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)固定于升降臺(tái)面之上。該設(shè)備以實(shí)驗(yàn)室為應(yīng)用背景，用于產(chǎn)品測(cè)試，更應(yīng)該滿足操作方便、使用安全、通用性強(qiáng)等要求。液壓升降臺(tái)具體要求見表1。
表1 液壓升降臺(tái)設(shè)計(jì)要求Table 1 Design requirements for hydraulic lifting platform
根據(jù)測(cè)試要求和升降臺(tái)技術(shù)指標(biāo)，采用模塊化設(shè)計(jì)，將測(cè)試臺(tái)設(shè)計(jì)為3個(gè)模塊，分別為剪叉式升降臺(tái)、平移模組、轉(zhuǎn)動(dòng)模組，其三維模型如圖1所示。
圖1 升降測(cè)試臺(tái)三維示意圖Fig.1 Three-dimensional schematic diagram of the lifting test bench
2 仿真分析
在設(shè)計(jì)軟件中將模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，導(dǎo)入仿真軟件。在仿真軟件中進(jìn)行材料及運(yùn)動(dòng)副定義，通過(guò)仿真計(jì)算獲得該升降臺(tái)的運(yùn)動(dòng)范圍、升降驅(qū)動(dòng)力和關(guān)鍵部件的受力情況[6]。
2.1 運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真模型
對(duì)測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)體設(shè)置，添加運(yùn)動(dòng)副約束以及驅(qū)動(dòng)，保證轉(zhuǎn)臺(tái)具備正確自由度。然后，對(duì)其受力情況定義載荷，升降臺(tái)受載荷情況分為自身重力、負(fù)載、液壓缸推力等，升降臺(tái)重力可由Simcenter 3D系統(tǒng)對(duì)單個(gè)機(jī)構(gòu)重力模擬疊加而來(lái)，對(duì)于重力按照標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值施加。升降臺(tái)初始位置如圖2（a）所示，升降臺(tái)最高位置如圖2（b）所示。
圖2 升降臺(tái)位置高度示意圖Fig.2 Schematic diagram of the height of the lifting platform
定義液壓缸的運(yùn)動(dòng)速度和行程，如圖3（a）所示。得到升降臺(tái)臺(tái)面的高度隨時(shí)間變化曲線，如圖3（b）所示?？傻玫揭簤焊仔谐虨?00mm時(shí)，升降臺(tái)滿足高度行程300mm的要求。
圖3 運(yùn)動(dòng)曲線圖Fig.3 Movement curve
2.2 剛體動(dòng)力學(xué)仿真
通過(guò)設(shè)定臺(tái)面負(fù)載力，得到空載和滿載時(shí)油缸的工作力，得到圖4所示曲線。圖4（a）為空載時(shí)油缸推力隨時(shí)間變化曲線，圖4（b）為滿載時(shí)油推力隨時(shí)間變化曲線。從圖中可以看出，剛啟動(dòng)時(shí)所需推力最大，隨著高速升高，推力慢慢降低。該結(jié)果可為油缸選型提供有效參考。
圖4 油缸推力隨時(shí)間變化曲線Fig.4 Curve of cylinder thrust versus time
2.3 柔性件設(shè)置
對(duì)關(guān)鍵受力部件支撐桿進(jìn)行柔性化設(shè)置，用3D四面體網(wǎng)格對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分。根據(jù)其在工作中的實(shí)際運(yùn)動(dòng)以及受力情況，設(shè)置支撐桿的邊界條件，得到其前六階模態(tài)[7]。模態(tài)分析方法是對(duì)物件結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)性能分析的主要方法，通過(guò)模態(tài)分析計(jì)算得出零件的主振型以及固有頻率，反應(yīng)了零件的動(dòng)態(tài)振動(dòng)特性[8]。
多體動(dòng)力學(xué)剛?cè)狁詈戏抡嬖頌橥ㄟ^(guò)計(jì)算柔性模態(tài)，模態(tài)是材料結(jié)構(gòu)的固有振動(dòng)特性，每一個(gè)模態(tài)具有特定的固有頻率、阻尼比和模態(tài)振型。通過(guò)計(jì)算各個(gè)構(gòu)件的模態(tài)特征，可以預(yù)見在該振動(dòng)頻率階段各種外部或者內(nèi)部振源作用下的實(shí)際振動(dòng)響應(yīng)。
支撐桿前六階模態(tài)陣型如圖5所示。
圖5 支撐桿前六階模態(tài)振型圖Fig.5 Vibration shape diagram of the first six modes of the support rod
2.4 剛?cè)狁詈戏治?/h3>
動(dòng)力學(xué)剛?cè)狁詈戏抡媸怯?jì)算零件的模態(tài)及振型系數(shù)。通過(guò)各個(gè)構(gòu)件的模態(tài)特征，與各個(gè)運(yùn)動(dòng)副傳遞的載荷關(guān)聯(lián)耦合，預(yù)見在該振動(dòng)頻率階段各種外部或者內(nèi)部振源作用下的實(shí)際振動(dòng)響應(yīng)。轉(zhuǎn)臺(tái)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型建立完畢后，導(dǎo)入模態(tài)仿真結(jié)果文件.op2文件，生成轉(zhuǎn)臺(tái)剛?cè)狁詈夏Ｐ蚚9]，如圖6所示。
圖6 剛?cè)狁詈夏Ｐ虵ig.6 Rigid-flexible coupling model
通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)剛?cè)狁詈夏Ｐ瓦M(jìn)行仿真，得到支撐桿頂部受力變形曲線及應(yīng)力隨時(shí)間變化曲線，如圖7所示。由圖7可得，轉(zhuǎn)臺(tái)變形及應(yīng)力符合要求且遠(yuǎn)低于該材料許用應(yīng)力，且由設(shè)備的模態(tài)分析可知，轉(zhuǎn)臺(tái)安全系數(shù)較高，對(duì)低頻載荷不敏感，故認(rèn)為該轉(zhuǎn)臺(tái)設(shè)計(jì)可靠，滿足使用要求。
圖7 支撐桿頂部變形及應(yīng)變曲線Fig.7 Deformation and strain curve of the top of the support rod
3 結(jié)論
針對(duì)升降臺(tái)設(shè)計(jì)，通過(guò)剛體動(dòng)力學(xué)仿真對(duì)其運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行分析，得出相關(guān)參數(shù)變化范圍，對(duì)升降臺(tái)升降過(guò)程進(jìn)行剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)仿真，得到機(jī)構(gòu)的交點(diǎn)力、傳力特性以及應(yīng)變狀態(tài)，從而為轉(zhuǎn)臺(tái)優(yōu)化設(shè)計(jì)和驅(qū)動(dòng)部件的參數(shù)確定提供依據(jù)。
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