基金项目国家自然科学基金资助项目()作者简介任云鹏(),男,高级工程师,博士生2y3@6锻造操作机的可视化刚体动力学仿真任云鹏1,2,张天侠1(1.东北大学机械工程与自动化学院,辽宁沈阳 110004;2.北方重工沈重集团有限责任公司研究院,辽宁沈阳 110025)摘要:在分析锻造操作机工作原理的基础上,采用ADAMS软件平台,建立锻造操作机的可视化三维数字化模型.考虑锻造操作机自重和外负载影响,对操作机各个部件施加相应的约束和载荷,然后进行多刚体系统的动力学三维可视化仿真,得到了典型工况运动过程中操作机受力的变化情况,并对极限载荷情况进行分析.仿真结果为锻造操作机的零部件合理设计提供了参考依据.关键词:锻造操作机;可视化方法;动力学仿真中图分类号:TP391.9;TB122 文献标识码:A 文章编号:1672-5581(2008)02-0127-06Rigid2dynamics2basedvisualizedsimulationonforgingmanipulatorsRENYun2peng1,2,ZHANGTian2xia1(1.SchoolofMechanicalEngineeringandAutomation,NortheasternUniversity,Shenyang,China;2.ResearchandDesignInstitute,NorthernHearyIndustriesShenyangHeavyMachineryGroupCo.Ltd,Shenyang,China)Abstract:Basedontheworkingprinciplesofforgingmanipulators,a3DvisualizeddigitalmodelisdevelopedusingMSC.ADAMSTMplatform.Pertainingtotheinherentgravityandimpactingloadofmanipulators,rele2vantconstraintsandloadsareappliedforcomponentsofforgingmanipulators.Afterwards,a3Dvisualizedsim2ulationisconducteduponamultiple2rigid2bodysystem.Then,themotionalforces,togetherwithboundaryloads,aredetectedandanalyzedintermsoftypicalconditions.Asaconsequence,thesimulationresultshaveprovidedcriticalspecificationsforembodimentdesignofforgingmanipulators.Keywords:forgingmanipulator;visualizedtechnique;dynamicssimulation 锻造操作机是万吨水压锻造机的主要配套设备,与加工设备协调作业,可以大大提高制造能力、制造精度、生产效率和材料利用率,并降低能耗.目前世界上著名的生产锻造操作机的公司主要有德国的SMS公司,DDS公司,捷克的ZDAS公司等[1].我国在大型锻造操作机装备方面相对薄弱,影响了大型复杂构件的制造能力.由于国内外市场的巨大需求,锻造操作机研究也不断发展,对掌握核心技术,提高特大型自由锻件的制造技术水平与制造能力起着关键性的作用[2].由于大型锻造操作机通常无法在物理样机的基础上进行实验并对其操作性能进行分析和验证,这就要求运用高效、高保真的可视化虚拟样机技术为锻压操作机的设计、性能评估与优化提供支持[3].机器设备具有良好的动力学特性是其可靠工作最有效的保证,动力学可视化就是用可视化的方法研究所设计的机械产品动态特性,使产品在未制造出前就能保证具有良好的性能和相应的工作寿命要求.建立可视化三维模型,在产品实际制造之前对产品的性能、行为、功能进行分析和评估,从而对设计方案进行检验与优化,达到产品制造的最优目标[4].目前国际上有一些较成熟的动力学仿真软件,如MSC.ADAMS软件,在第6卷第2期2008年6月中 国 工 程 机 械 学 报CHINESEJOURNALOFCONSTRUCTIONMACHINERYVol.6No.2 Jun.2008:10402008:1974-.Email:renunpeng91012.com机械系统动力学仿真分析方面得到广泛的应用[5].为保证锻造操作机安全可靠的工作,在设计的过程中必须考虑该操作机的动态性能.本文采用可视优化设计方法对锻造操作机动态性能进行了仿真分析,主要研究包括操作机整机系统动力学理论分析、操作机整机三维可视化模型的创建、刚体运动仿真以及仿真结果的分析与评价等.本文在确定锻造操作机的基本结构形式后[6],对机构方案进行详细的动态仿真和论证,计算不同工况时操作机机构在刚体运动过程中主要构件的受力状况,以此作为零部件结构强度设计的基础.
1 基于可视化方法的动力学分析的基本思想动力学可视化的研究目标就是通过仿真确定机械载荷分布情况、机械产品的主要动态特性及仿真在给定激励下的响应情况,从而可使产品在设计阶段就能保证拥有优异的结构性能.动力学可视化仿真重点研究以下3方面内容:
图1 动力学可视化仿真技术流程Fig.1 Visualizationdynamicssimulationtechnologyflow
(1)通过可视化仿真,确定载荷分布情况及进行强度验
证.在强度计算上,传统设计只考虑静态特性而忽略动态特性或乘以相应系数加以修正,这种设计方式导致设计出的产品结构可靠性不高.实际上,锻造操作机在工作中一直受到动载荷的作用,所以进行强度计算时必须考虑动态性能.动力学可视化是在充分考虑了各种动载荷而进行仿真研究的.进行动力学可视化仿真,要加入各种动态特性,通过仿真可非常直观地了解在工作过程或其他特殊情况下,载荷的分布情况,从而可确定结构的薄弱环节,进行强度校核.(2)通过动力学可视化仿真确定锻造操作机零部件的
固有动态特性.机械产品的固有频率及振型等特性对整个结构的动态特性有着显著的影响,因此获得所设计产品的固有动态特性对于优化产品的结构性能有着重要的意义.通过动力学可视化仿真可获得结构的各阶模态参数及振型图,尤其对于结构复杂的动力学系统,动力学可视化仿真与数值计算相比有着绝对的技术优势.(3)仿真确定在给定激励下的响应情况.在锻造操作机
未被制造出前,获知所设计的产品在给定激励下的响应情况也是非常有意义的.通过可视化仿真可在人为设定激励的形式、频率及幅度的情况下,检验响应是否在规定的范围内,或响应是否达到要求,这直接决定了机械产品的使用性能.动力学可视化仿真可按图1所示的流程进行.
2 锻造操作机的三维可视化模型建立锻造操作机的主要运动包括钳杆上下倾斜、上下平移、左右倾斜、左右平移,以及钳杆旋转、钳口开闭、大车行走等[7～9].这里以钳杆上下倾斜、上下平移2种运动工况为例进行说明,实现上下倾斜、上下平移运动的平行连杆式操作机机构简图如图2.如图2所示,构件①(即AB)为上升平移液压缸,当AB伸长时,能间接地推动钳杆⑧平稳上升;构件②(即BDG)为前推臂,其一外伸出端铰接在机架上;构件③(即DF)为吊杆,由部分组成,上吊杆悬挂在前推臂上,下吊杆用来悬吊钳杆;构件④(即M)为缓冲缸,当钳杆向上平移时,缓冲缸起缓冲作用,使钳口能竖直上升;构件⑤(即IN)为后推臂,其外部伸出端铰接在机架上;构件⑥(即G)为连杆,连821 中 国 工 程 机 械 学 报第6卷 CE2EHH接前推臂和后推臂;构件⑦(即NK)为上下摆动液压缸,能实现钳杆的上下摆动.由Solidworks建立的三维实体零部件模型,采用Parasolid标准文件,在ADAMS中导入整个样机装配体模型.模型导入ADAMS后,利用添加到地基形体的标记点,准确而快捷地建立活动框模型,形成虚拟样机的装配体模型,如图3所示.
图2 平行连杆式锻造操作机机构简图Fig.2 Parallel2linkmechanismofaforgingmanipulator图3 锻造操作机虚拟样机模型Fig.3 Virtualprototypemodelofaforgingmanipulator
根据基本工况添加运动约束如下:5个液压缸缸体和活塞之间添加5个移动副,其中2个液压缸与地之间添加2个转动副,前后推臂与地之间添加4个转动副,前后推臂与2个连杆之间添加4个转动副,前推臂与2个液压缸之间添加2个转动副,前推臂与地之间对中杆之间添加1个转动副,对中杆与吊杆之间添加2个转动副,吊杆与横向的2个液压缸的活塞之间添加2个转动副,吊杆与钳头之间添加2个转动副,钳头与上下摆动的液压缸的活塞之间添加1个转动副,上下摆动的液压缸的缸体与后推臂之间添加1个转动副,横向的2个液压缸的缸体和后支臂之间添加2个转动副,后支臂与地之间添加1个转动副,在上下摆动的液压缸和与地铰接的2个液压缸均添加驱动.共计24个转动副、5个移动副和3个驱动.根据锻造操作机工作载荷设计要求,负载是1600kN,位于距钳口正中心外延100mm处,方向竖直向下.机构运动的惯性力和重力由ADAMS/Solve求解器自动计算.
3 锻压操作机的刚体动态特性分析3.1 上下平移运动的动力学仿真锻造操作机的上下平移运动是通过双缸(图2中AB以及其对称的缸)驱动来实现的.其中缓冲缸和上下摆动液压缸无相对伸缩变化.仿真时间设为10s,钳口处受载为1600kN,仿真初始及结束状态如图4所示.
图4 上下平移运动仿真的初始和结束状态Fig.4 Preliminarystateandterminativestateofsimulationsofforging(22)921 第2期任云鹏,等:锻造操作机的可视化刚体动力学仿真 manipulatormoveupanddown