三自由度摇摆台的刚柔耦合模型研究

高 娟，曲 磊

青岛港湾职业技术学院，山东青岛 266404

三自由度摇摆台的刚柔耦合模型研究

高 娟，曲 磊

青岛港湾职业技术学院，山东青岛 266404

三自由度摇摆台是大型、重载设备，运动过程中产生的动载荷严重影响了十字轴等其他零部件的使用寿命。应用多柔体动力学方法，将十字轴作为柔性体，并且在此基础上借助ANSYS和ADAMS建立了其刚柔耦合模型，运用动力学仿真技术进行了十字轴的动载荷提取，由动载荷产生的最大应力、应变为摇摆台的设计制造提供了必要的依据。

摇摆台；十字轴；刚柔耦合

三自由度重型摇摆试验台集机械、液压和控制技术于一体，能够进行仿真分析在车辆实际运行中的具体姿态及运动形式，具体运动包括：偏航、横摇、纵摇3个自由度的运动。其中，摇摆台机械最为关键的部件就是十字轴，通过十字轴才能起到连接支座、下面和上面的作用，保证了整个摇摆台的正常工作。因此，在摇摆台的工作过程中，十字轴是受力最为复杂的部件，也是最容易出现故障的部件，分析十字轴的受力情况有着重要的研究意义。

对摇摆台技术的研究，国内外已经比较广泛，但大多基于多刚体系统。与多刚体系统相比较，刚柔耦合系统能够考虑系统中零部件的变形，从而使得分析更加贴近实际情况。应用柔性多体动力学[1-4]、结构动力学等领域的最新研究成果，开展基于刚柔耦合系统模型的摇摆台动力学问题的研究，将以刚体动力学为主的动力学向刚柔耦合系统动力学方向发展是今后的研究方向。

因此，本文建立了摇摆台虚拟样机模型，然后将十字轴柔性化处理并与其他刚性零件连接行成刚柔耦合模型，通过动力学仿真提取十字轴的动载荷，然后在ANASYS中利用动载荷对十字轴进行了模态、应力、应变分析。

1 摇摆台虚拟样机模型建立

在摇摆台具体运动中，要求指标是摇摆台能够按照正弦摆动规律完成运动。实际摇摆台单独运动中，纵摇和横摇运动/0.5Hz，偏航运动°±8/0.5Hz；联动时，纵摇、横摇和偏航运动均为°±1/2Hz。工作载荷为45 000kg，载荷重心高度（Z向）为1 100mm，Y向偏移200mm。

利用Pro/E建立的摇摆台模型如图1所示。

摇摆台的整体参照坐标系如图2所示。

由于摇摆台横摇、纵摇和偏航都要做正弦摆动。在刚开始摇摆台运动波动较大，后慢慢趋于稳定，初始速度是0。例如，在0.5Hz频率下，刚开始摇摆台的呈现半周期的正弦运动，随后就会按照正弦规律进行相应的运动，具体的摆动角度如图3。

图1　三自由度摇摆试验台虚拟样机模型

图2　整体坐标系

图3　各种运动的摆动角度曲线

2 考虑十字轴柔性的刚柔耦合模型的建立

将十字轴导入ANSYS中，划分四边形网格，建立有限元模型，得到模态中性文件，再导入ADAMS，在ADAMS中会根据软件的自身定义进行刚性区域的赋值，并且能够将十字轴作为有限元网格处理，具体如图4，能够在刚性区域生成相应的点，实现柔体和刚体之间力和运动传递，并且能够在柔性体上进行定义边界条件，至此刚柔耦合模型建立完成[5]。

图4　刚柔耦合模型

3 十字轴动载荷的提取

在ADAMS软件中对刚柔耦合模型进行动力学仿真，提取十字轴柔性体在各工况下的动载荷（.lod文件）。以横摇运动为例，其动载荷如图5所示。根据该文件就能够查看仿真过程中，柔性体的受力和运动情况，可直接利用其对十字轴进行模态分析和应力、应变分析。

图5　十字轴柔性体的载荷文件

4 柔性十字轴分析

4.1十字轴的模态分析

在柔性体的生成过程中，能够获得十字轴的模态分析结果，如表1，模态包括：3个移动模态，3个转动模态，3个移动模态与结构质量参数有关，3个转动模态与转动惯量有关[6]。刚体模态对应的固有频率为零，所以第七阶的模态所对应的频率170.10Hz为十字轴的固有频率。此频率可以用来判断十字轴能否避开摇摆台的共振频率。

由于前六阶是刚体位移，因此选取了从第七阶开始的阵型如图6所示。通过分析，前七阶振型表现为绕轴线的上下振动，从第八阶开始表现为十字轴的扭曲变形。可知，十字轴的变形以扭曲变形为主。

图6　十字轴第七、八阶振型

表1　十字轴的固有频率

4.2十字轴的应力应变分析

在ANSYS中对柔性十字轴先添加约束，然后引入动载荷进行应力应变分析。两个短轴端与摇摆台底座相联接，因此分别在两个短轴端选择一个节点并添加约束。而两个长轴端与上台体相连，所以将引入的动载荷添加在两个长轴端相应的节点上。应力和应变分析结果如图7和8所示。

图7　十字轴应变图

图8　十字轴应力图

液压油管位于十字轴的中心孔，所以需要控制十字轴的变形量。根据分析结果，最大变形量为1.483mm，位于两个长轴端，符合变形要求。十字轴中心孔的边缘应力最大，为80.9MPa，因此危险区域是这个危险点附近的区域。

5 结论

1）十字轴固有频率为170.10Hz，主要变形为扭曲变形。在实际使用中要避开固有频率频率，防止共振，并要减少扭曲变形。

2）十字轴所用材料为35CrMo，力学性能为：σb=735MPa ，σs=540MPa，因此，动载荷引起的应力满足材料的强度条件，且有较高的安全系数。

3）最大变形出现在十字轴的两个长轴端，而最大应力出现在十字轴内孔的边缘处，因此十字轴长轴端和内孔是十字轴的关键部位，在设计和制造过程中应予以重视。

4）在进行重型、大负荷设备的动力分析中，能够根据虚拟仿真进行刚柔耦合分析，所建立的刚柔耦合模型直接影响仿真结果的准确性。

[1]陆佑方.柔性多体系统动力学[M].北京：高等教育出版社，1996.

[2]陆正刚，胡用生.基于刚柔耦合系统的关键零部件动应力仿真和疲劳寿命计算[J].铁道车辆，2006，44（1）：6.

[3]Shabana， A.A.Dynamics of Multibody Systems[M]. Wiley: New York， 1989.

[4]Shabana， A.A.Flexible Multibody Dynamics:Review of Past and Recent Developments[J].Multibody Syst. Dyn.，1997，1（2）：149-188.

[5]龙靖宇，李诚.门机小拉杆断裂原因的仿真研究[J].港口装卸，2005（2）：15.

[6]李德葆.振动模态分析及其应用[M].北京：宇航出版社，1989.

TP3

A

1674-6708（2016）171-0203-02

山东省高等学校科技计划项目（项目编号：J16LB61）。

高娟，青岛港湾职业技术学院。曲磊，青岛港湾职业技术学院。