基于ADAMS和SIMULINK的柔性混凝土泵车臂架系统的动力学仿真设计与研究

摘要

混凝土泵车是将输送成品混凝土和浇注作业集为一体的现代建筑机械。随着臂架节数不断加长、设计轻质化趋势，泵车臂架系统已然成为一个典型的多自由度柔性系统，运动时存在比较明显的抖动。如何能实现泵车智能化控制、平稳可靠地确定末端浇注位置成为臂架研究的热点。
　　考虑到泵车作为大型工程机械，各类控制算法无法贸然在实际泵车上进行验证，需要创建柔性泵车臂架系统模型，以便为控制算法的研究提供验证平台。本文在充分研究某型号泵车臂架系统的机械结构和工作原理的基础上，创建了柔性臂架系统模型，并基于ADAMS和Simulink实现联合控制仿真。具体工作内容如下:
　　1.完成泵车臂架系统的动力学建模并求解。本文将柔性臂架视为欧拉梁以简化模型，基于多体动力学理论和拉格朗日方程，建立起两节臂刚性和柔性臂架的动力学方程。采用数值解法，结合Simulink仿真，求解多维二阶微分方程组。从刚性和柔性臂架系统的动力学仿真结果可以看出柔性因素对臂架系统动力学性能的影响主要体现在臂架的小幅度振动，这为后续的臂架模型仿真提供依据和对照。
　　2.搭建五节刚性臂架系统模型。结合某企业的混凝土泵车系列技术手册，在Pro/E中巧妙借助基准线和基准面，采用镜像、倒角和轨迹扫描等方式展现模型特征，并将各臂架零件通过不同约束方式组装成等比例臂架系统模型。借助无缝接口模块Mechpro为各铰接处添加约束和标识，并生成刚体文件导入到ADAMS中，建立起刚性臂架系统。
　　3.搭建柔性泵车臂架系统模型。在ANSYS中，灵活设置工作平面，对外形不规则的臂架零件进行实体切割，用映射网格划分规则部分，用自由网格划分不规则部分，从而得到较为精细的网络划分效果。对柔性臂架进行模态分析并将柔性文件导入到ADAMS中替代刚性臂架，对比两个软件中柔性臂架的各阶模态频率等相关属性以确保柔性文件传输正确，从而建立起柔性臂架系统模型。
　　4.验证柔性臂架系统模型的正确性。本文使用添加旋转约束驱动的方法实现臂架实时锁定的功能，并结合传感器的使用，编写脚本文件控制柔性臂架完成启停运动。仿真结果表明，柔性臂架末端在突然停止时出现减幅振动，与实际臂架运动特性吻合。
　　5.构建联合仿真系统，并进行控制方案的验证。仿真方案中，将臂架末端的轨迹控制转化为各节臂架的角度控制，使用C语言编程求臂架运动学逆解，并封装成仿真模块。采用PID控制算法，控制臂架末端沿着直线运动。对比刚性和柔性臂架系统的仿真结果，可以看出，随着臂架长度的增加，柔性对臂架末端抖动的影响越来越大。
　　本文建立的柔性臂架系统可以如实反映实际泵车臂架系统的运动状态，以便将来用于各类控制算法的验证，为臂架控制算法的改进提供依据。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究的背景和意义

1．2 相关技术及其现状

1．2．1 国内外混凝土泵车发展概况

1．2．2 泵车臂架系统研究现状

1．3 本课题研究的主要内容

1．4 本文的章节脉络安排

第二章 系统需求分析和总体设计

2．1 泵车臂架系统分析

2．1．1 臂架长度与转角

2．1．2 臂架折叠与连接方式

2．2 需求分析

2．3 系统总体设计

2．4 本章小结

第三章 基于多体动力学的臂架系统动力学建模

3．1 多体动力学概述

3．1．1 多刚体动力学

3．1．2 多柔体动力学

3．2 臂架系统多体动力学分析

3．2．1 液压驱动系统分析

3．2．2 刚性臂架系统动力学建模

3．2．3 柔性臂架系统动力学建模

3．3 两节臂架系统动力学仿真

3．4 本章小结

第四章 柔性臂架系统仿真模型的建立

4．1 软件介绍

4．1．1 Pro／E简介

4．1．2 Mechpro简介

4．1．3 ANSYS简介

4．1．4 ADAMS简介

4．2 臂架系统三维模型的创建

4．2．1 绘制臂架系统的三维模型

4．2．2 三维模型导入ADAMS

4．3 臂架的柔性化

4．3．1 网格划分简介

4．3．2 各节臂架的网格划分

4．3．3 柔性臂架系统的建立

4．4 两节臂泵车启停工况仿真

4．5 本章小结

第五章 泵车臂架系统的联合仿真

5．1 联合仿真的基本设置

5．2 两节臂泵车动力学仿真

5．2．1 两节刚性臂架运动仿真

5．2．2 两节柔性臂架运动仿真

5．3 五节臂泵车臂架系统动力学仿真

5．3．1 五节臂架系统运动学正逆问题

5．3．2 自制Simulink仿真模块

5．3．3 五节臂架系统运动仿真

5．4 本章小结

第六章 总结与展望

致谢

参考文献

作者在攻读硕士学位期间科研成果