基于虛擬樣機(jī)仿真的立式吊具曲桿瞬態(tài)應(yīng)力分析

汪惠群

(上海電機(jī)學(xué)院 機(jī)械學(xué)院, 上海 201306)

基于虛擬樣機(jī)仿真的立式吊具曲桿瞬態(tài)應(yīng)力分析

汪惠群

(上海電機(jī)學(xué)院 機(jī)械學(xué)院, 上海 201306)

針對(duì)靜力學(xué)無法正確分析立式吊具主要部件在復(fù)雜工況下的應(yīng)力分布狀況的問題，以立式吊具曲桿為例，運(yùn)用UG、ADAMS和ANSYS的協(xié)同建模和仿真，建立了具有柔性體曲桿的立式吊具虛擬樣機(jī)模型，實(shí)現(xiàn)立式吊具整個(gè)運(yùn)行過程的動(dòng)態(tài)仿真，進(jìn)而獲得了曲桿的動(dòng)態(tài)應(yīng)力變化和瞬時(shí)應(yīng)力分布情況。為研制開發(fā)安全的吊具曲桿提供了一個(gè)有效途徑。

立式吊具； 虛擬樣機(jī)； 柔性體曲桿； 動(dòng)態(tài)仿真； 瞬態(tài)應(yīng)力分析

立式鋼卷吊具屬于冶金行業(yè)常用的起重設(shè)備，廣泛應(yīng)用于碼頭、倉(cāng)庫(kù)、鋼廠等場(chǎng)所。它主要用于搬運(yùn)熱軋、冷軋的各種鋼卷，屬于特種起重設(shè)備中的一種。立式鋼卷吊具零部件的設(shè)計(jì)和材料的選用將會(huì)直接關(guān)系到它的工作性能。曲桿是立式鋼卷吊具中主要的部件。由于曲桿在工作中經(jīng)常受到交變載荷的作用，曲桿從出現(xiàn)疲勞裂紋，到最終出現(xiàn)斷裂，會(huì)造成嚴(yán)重的生產(chǎn)事故[1]。

在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法中，立式鋼卷吊具的關(guān)鍵零件結(jié)構(gòu)分析和機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析彼此是孤立的。立式鋼卷吊具中關(guān)鍵零件曲桿的強(qiáng)度與結(jié)構(gòu)分析是在零件靜態(tài)的邊界條件下，通過載荷的施加，求解零件的應(yīng)力應(yīng)變[2-3]的過程。這種靜態(tài)分析忽略了立式吊具大范圍運(yùn)動(dòng)過程中零件的彈性變形。因此，出現(xiàn)了用多體動(dòng)力學(xué)為基礎(chǔ)的虛擬樣機(jī)技術(shù)[4]解決此類問題。

本文以某鋼廠“雙臂立式吊具”作為研究對(duì)象，柔性化吊具中的關(guān)鍵零件曲桿[5]，采用ADAMS、UG、ANSYS 3個(gè)軟件共同建立的具有柔性體曲桿的立式雙臂鋼卷吊具虛擬樣機(jī)數(shù)字化模型，仿真分析立式吊具復(fù)雜的動(dòng)態(tài)特性，并獲得曲桿的實(shí)時(shí)載荷與運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。在ANSYS軟件中進(jìn)行鋼卷吊具曲桿的瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析，為立式鋼卷吊具及其主要部件的設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供科學(xué)依據(jù)。

1 雙臂立式鋼卷吊具的虛擬現(xiàn)實(shí)建模

實(shí)物雙臂立式鋼卷吊具的利用自身重力與杠桿原理實(shí)現(xiàn)鋼卷夾取與松開的工作原理，以及吊具的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖與設(shè)計(jì)參數(shù)。① 在UG軟件中建立立式鋼卷吊具的主要零部件模型[6]。在確保零部件結(jié)構(gòu)與重量不變的原則下，對(duì)零部件中的螺紋孔、銷孔進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理。雙臂立式鋼卷吊具主要由吊桿、活動(dòng)塊、底座、內(nèi)鉗臂、內(nèi)鉗腳、拉桿、曲桿、外鉗臂、外鉗腳、吊鉤等組成(見圖1)。② 將在UG軟件中建立的零部件模型，導(dǎo)入ADAMS軟件。③ 在ADAMS軟件中施加各零部件之間的約束和力，建立雙臂立式鋼卷吊具虛擬樣機(jī)模型。樣機(jī)中吊桿與2根拉桿之間、曲桿與外鉗腳之間、拉桿與曲桿之間、內(nèi)鉗臂與曲桿之間添加鉸接副，內(nèi)鉗腳與內(nèi)鉗臂采用固定連接，基座、外鉗臂、內(nèi)鉗臂通過連接銷(圓柱副)約束。外鉗腳與外鉗臂采用棱柱副約束；因此，外鉗腳相對(duì)于外鉗臂只能沿y方向移動(dòng)。吊桿與前后2個(gè)吊鉤用鉸接副相連。吊桿與地面之間添加棱柱副，使吊具只能在垂直方向上的運(yùn)動(dòng)。

吊具樣機(jī)中施加接觸力與扭轉(zhuǎn)力2種力。接觸力包括：起吊時(shí)，內(nèi)、外鉗腳與鋼卷的接觸力；鋼卷在被卸載時(shí)，與地面發(fā)生的接觸力；吊鉤與活動(dòng)塊之間的接觸力；自鎖機(jī)構(gòu)開啟時(shí)，底座與吊鉤之間的接觸力；外鉗腳與外鉗臂之間的接觸力；拉桿與吊鉤之間的接觸力(以防吊鉤轉(zhuǎn)角過大)；底座與活動(dòng)塊碰撞中產(chǎn)生的接觸力；用于曲桿限位的兩根曲桿之間的接觸力等[7-8]。扭轉(zhuǎn)力包括：在活動(dòng)塊與吊鉤之間設(shè)置扭簧，使活動(dòng)塊獲得扭矩。為了順利打開、閉合自鎖機(jī)構(gòu)，限制吊鉤轉(zhuǎn)動(dòng)，在吊桿與吊鉤之間設(shè)置扭簧。

為了實(shí)現(xiàn)立式吊具虛擬樣機(jī)起吊鋼卷、運(yùn)送鋼卷、卸載鋼卷這些工作，在吊桿上向施加了采用5次多項(xiàng)式逼近海維塞階梯函數(shù)與IF函數(shù)定義的立式鋼卷吊具驅(qū)動(dòng)力。通過UG、ADAMS建立的剛性立式吊具模型如圖1所示。

圖1 雙臂立式鋼卷吊具的結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Construction of a double-arm vertical steel reel tong

經(jīng)立式吊具虛擬樣機(jī)仿真，該吊具樣機(jī)能順利地完成鋼卷(40t)的起吊與卸載。立式吊具樣機(jī)在起吊鋼卷、卸載鋼卷時(shí)的速度、加速度、位移以及外鉗腳、內(nèi)鉗腳的夾持深度、夾持力與物理樣機(jī)一致。因此，說明吊具建模成功。

圖2是底座Mark_168點(diǎn)在垂直方向的位移圖。

圖2 底座mark_168在垂直方向的位移Fig.2 Position of the base mark_168 in the vertical direction

顯然，位移曲線符合實(shí)物吊具起吊鋼卷、卸載鋼卷的工作過程。

2 建立柔性體曲桿立式吊具樣機(jī)模型

2.1 柔性體曲桿模型的建立2.1.1 定義材料屬性 本文以立式吊具曲桿為分析對(duì)象(見圖3)。在ANSYS中建立曲桿的有限元模型[9-10]，材料選用是ZG270—500中碳鑄鋼，曲桿的尺寸約為：長(zhǎng)3350mm,寬850mm,厚50mm。

圖3 剛性曲桿Fig.3 Rigid curve rod

2.1.2 確定曲桿的3個(gè)外部節(jié)點(diǎn) 曲桿的3個(gè)孔是用于放置與其它零件連接的鉸接銷。為了使柔性體曲桿與剛性體曲桿實(shí)現(xiàn)相同的約束關(guān)系，確定曲桿的3個(gè)圓柱孔中的中心為曲桿的3個(gè)外部節(jié)點(diǎn)，在此節(jié)點(diǎn)上設(shè)置3個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。

2.1.3 對(duì)曲桿實(shí)體和關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行網(wǎng)格劃分 對(duì)曲桿實(shí)體采用的是三維10節(jié)點(diǎn)四面體結(jié)構(gòu)的SOLID92實(shí)體單元，采用自由網(wǎng)格的劃分形式。對(duì)3個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)用MASS21單元，采用自由網(wǎng)格的劃分形式。網(wǎng)格劃分后單元數(shù)1290，節(jié)點(diǎn)數(shù) 2920。

2.1.4 建立剛性區(qū)域 由于外部節(jié)點(diǎn)在圓柱孔的中心，不在曲桿實(shí)體上，為了使這3個(gè)外部節(jié)點(diǎn)與孔壁關(guān)聯(lián)，在3個(gè)外部節(jié)點(diǎn)與孔壁之間建立剛性區(qū)域[11-12]。剛性區(qū)域是柔性體曲桿在ADAMS軟件中與立式吊具其他零件連接的不變形區(qū)域。最終獲得如圖4所示的曲桿的有限元模型。

圖4 柔性曲桿Fig.4 Flexible curve rod

將以上在ANSYS軟件中建立的有限元模型以模態(tài)中性文件(.MNF文件)的形式輸出，此文件包含的有限元模型的信息，如：材料、單元類型、外部節(jié)點(diǎn)、單元數(shù)、節(jié)點(diǎn)數(shù)等信息。

2.2 建立具有柔性曲桿的雙臂立式吊具

在ADAMS軟件中導(dǎo)入柔性曲桿模態(tài)中性文件，刪除剛性體曲桿，精確地調(diào)整柔性體曲桿位置至原剛性體曲桿位置。根據(jù)實(shí)物雙臂立式吊具的結(jié)構(gòu)，將柔性體曲桿與拉桿在節(jié)點(diǎn)2920處，曲桿與內(nèi)鉗臂在節(jié)點(diǎn)2919處，曲桿與外鉗臂鉸接銷在節(jié)點(diǎn)2918處建立鉸接副約束。這樣使它們的約束狀態(tài)與剛性體曲桿吊具模型一致。建立的柔性體曲桿立式吊具模型如圖5所示。

圖5 柔性體曲桿吊具Fig.5 Flexible curve rod tong

根據(jù)實(shí)物雙臂立式吊具的工作情況，將仿真總時(shí)間設(shè)置為38s。通過柔性體曲桿立式吊具的仿真，研究其速度、加速度及零部件的受力，并與剛性體曲桿吊具相比較。如果結(jié)果一致，說明柔性體曲桿立式吊具建模成功。圖6是剛性體曲桿與柔性體在工作時(shí)所受的約束力，圖6(a)是柔性體曲桿外部節(jié)點(diǎn)2920所受到的約束力。圖6(b)是剛性體曲桿在同處所受到的約束力。兩圖形基本一致，這表明柔性體曲桿的雙臂立式吊具模型建模正確。

圖6 柔性體曲桿與剛性體曲桿所受的約束力Fig.6 Constraint force of rigid curve rod and flexible curve rod

3 雙臂立式吊具曲桿瞬態(tài)應(yīng)力分析

3.1 獲得載荷步文件

根據(jù)實(shí)物鋼卷吊具的工作狀況，在ADAMS軟件中對(duì)柔性體曲桿雙臂立式吊具虛擬樣機(jī)模型進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真。雙臂立式吊具從夾取鋼卷，上升、平移、下降直至松開鋼卷，ADAMS仿真時(shí)間為38s，仿真步數(shù)為192。仿真結(jié)束后輸出柔性曲桿的載荷文件(.lod文件)。由于載荷變化較大，ADAMS自動(dòng)輸出包含了675個(gè)載荷工況的載荷文件。該載荷文件中含有曲桿在38s內(nèi)3個(gè)外部節(jié)點(diǎn)在675個(gè)時(shí)間點(diǎn)的受力、角速度、角加速度、線性加速度等數(shù)據(jù)[13]。如：第1個(gè)載荷工況下節(jié)點(diǎn)2090在x、y、z方向上的力分別為-342.818N、124.604N、-107.992mN；x、y、z方向上的力矩分別為-13.1098mN·m、21.9158mN·m、0N·m；沿x、y、z方向上的角速度為0、0、0；沿x、y、z方向上的角加速度分別為193.593×10-4(°)/s2、-257.912×10-6(°)/s2、498.811×10-3(°)/s2；沿x、y、z方向上的線性加速度分別為-754.426mm/s2、247.235mm/s2、24.2762mm/s2。

3.2 求解載荷步文件

由于ANSYS軟件瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)的Full法可以定義各種類型載荷，能計(jì)算出所有位移和應(yīng)力；因此，本文采用此方法分析曲桿的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)。① 在ANSYS中設(shè)置總子步數(shù)，以防止默認(rèn)的總子步數(shù)不足。② 導(dǎo)入曲桿模型，再設(shè)定瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析法的求解控制器，主要設(shè)定載荷步的最終時(shí)間與時(shí)間間隔。③ 加載由ADAMS輸出的載荷文件。在加載前需要施加弱彈簧，弱彈簧可以促進(jìn)求解的順利進(jìn)行，由于其剛度非常小，并不會(huì)對(duì)真實(shí)的載荷產(chǎn)生影響[14]。加載時(shí)，ANSYS能自動(dòng)將載荷文件中每個(gè)時(shí)間點(diǎn)的外部載荷施加至柔性連接件的外部節(jié)點(diǎn)上。加載結(jié)束后求解所有加載的載荷步，即可較準(zhǔn)確地獲得該柔性件每個(gè)節(jié)點(diǎn)(共2920個(gè)節(jié)點(diǎn))的應(yīng)力-時(shí)間變化曲線，應(yīng)變-時(shí)間變化曲線和柔性體在各個(gè)時(shí)刻的應(yīng)力云圖。

通過分析柔性曲桿上的各個(gè)節(jié)點(diǎn)所受的應(yīng)力-時(shí)間變化趨勢(shì)，表明各節(jié)點(diǎn)應(yīng)力變化基本一致。各節(jié)點(diǎn)應(yīng)力在吊具起吊鋼卷時(shí)突然增大，松開鋼卷時(shí)突然減小。圖7所示為根據(jù)第3強(qiáng)度理論獲得的節(jié)點(diǎn)1164的應(yīng)力-時(shí)間變化曲線。

圖7 吊桿質(zhì)心的應(yīng)力-時(shí)間曲線Fig.7 Stress-time curve on node 1164

由圖7可見，節(jié)點(diǎn)1164所受的最大應(yīng)力出現(xiàn)在7.9s時(shí)，即141步，是立式吊具夾取鋼卷的時(shí)刻。

圖8所示為曲桿在工作過程中出現(xiàn)最大應(yīng)力時(shí)刻的應(yīng)力云圖，應(yīng)力云圖表明最大應(yīng)力出現(xiàn)在在曲桿下端彎曲處，近節(jié)點(diǎn)2918附近。圖中顯示最大應(yīng)力值為4.19MPa。根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，曲桿ZG270-500中碳鑄鋼的屈服強(qiáng)度為270MPa，安全系數(shù)取1.5[15]時(shí)，許用應(yīng)力為180MPa，因此，曲桿在本次工作中夾取40t鋼卷是很安全的。

圖9所示為曲桿在仿真的過程中，受力最大時(shí)(7.9s)，在x、y方向上所對(duì)應(yīng)的應(yīng)變圖。由圖可知，曲桿在x方向上的最大變形量是51.3μm;在y方向上的最大變形量是44.9μm;最大總變形量是53.1μm。與曲桿相比，整體尺寸變形量微小，可以忽略不計(jì)。

圖9 曲桿在x、y方向上的應(yīng)變圖Fig.9 Strain of curve rod in the x and y directions

4 結(jié) 論

(1) 本文以立式鋼卷吊具關(guān)鍵零部件曲桿為研究對(duì)象，運(yùn)用ADAMS、UG和ANSYS協(xié)同建模和仿真技術(shù)，建立了具有柔性曲桿的立式鋼卷吊具虛擬樣機(jī)數(shù)字化模型。完成了立式鋼卷吊具整個(gè)起吊—卸載工作過程的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)仿真。獲得了記錄柔性曲桿在整個(gè)工作過程中的受力和運(yùn)動(dòng)狀況的載荷文件。

(2) 經(jīng)ANSYS有限元分析，獲得了曲桿的瞬時(shí)應(yīng)力、應(yīng)變分布情況。說明本文所給出的方法能全面分析立式鋼卷吊具關(guān)鍵零部件在整個(gè)工作過程中的強(qiáng)度與變形，克服了靜力學(xué)分析只能分析某一時(shí)刻零部件工況的局限；同時(shí)，克服了靜態(tài)邊界條件很難正確施加的問題。

(3) 通過以上建立的具有柔性曲桿的立式吊具虛擬樣機(jī)模型，能夠?qū)Σ煌叽?、不同結(jié)構(gòu)的曲桿進(jìn)行各種工況的動(dòng)態(tài)仿真，為吊具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改進(jìn)提供了參考。

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Analysis on Transient Stress of Curve Rod of Vertical Tong Based on Virtual Prototype Simulation

WANG Huiqun

(School of Mechanical Engineering, Shanghai Dianji University, Shanghai 201306, China)

Statics has limitations in the analysis of stress distribution of main parts of vertical tong under complex conditions. A virtual prototype of a flexible rod vertical tong is modeled in this paper by combining software UG, ADAMS and ANSYS. Simulation of the model is performed to analyze dynamic variation of stress and transient stress distribution of the rod. The described approach provides an effective means for developing safe curve rod of vertical tong.

vertical tong; virtual prototype; flexible curve rod; dynamic simulation; transient stress analysis

2016-11-14

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助(51304133)

汪惠群(1972-)，女，副教授，主要研究方向?yàn)樘摂M仿真設(shè)計(jì),E-mail：huiqunwang@163.com

2095-0020(2016)06-0325-05

TH 211

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