基于PRO/E和ADAMS的清淤装置动力学分析

李治国　张雅静

【摘 要】运用三维建模软件Pro/E和动力学分析软件ADAMS对清淤装置进行虚拟样机设计。采用“无缝连接”技术，利用ADAMS和Pro/E的专用接口Mechanism/Pro模块，将Pro/E建好的三维模型直接导入到ADAMS界面下，解决了模型传递过程中单位、密度、刚体设置，转化时的选项及曲线丢失问题，避免数据丢失。在ADAMS中对模型添加复杂约束、工作载荷及摩擦力等模仿真实运动情况，利用ADAMS/processor对得到的数据进行后续处理，分析并绘制出抓斗张开角曲线图、主液压缸受力变化曲线图等，为清淤装置设计制造提供理论依据。

【关键词】清淤装置；抓斗；虚拟样机；动力学分析

【Abstract】3D model software Pro/E and dynamic analysis software ADAMS were used for developing the virtual prototype design of Dredging Equipment. Using special connection Mechanism/Pro between Pro/E and ADAM， Pro/E 3D model has been transferred directly into ADAMS to avoid data loss by the “seamless link” technology， the unit， density， rigid body and option of transforming have been solved when model was transferred. Real movement has been imitated after adding complicated constraints， load， friction. The opening angle curve of the open struggle、pressure changes curve of the main hydraulic cylinder， which provide a theoretical basis for the design and manufacture have been analyzed and mapped out by ADAMS/processor.

【Key words】Dredging Equipment；Grab ；Virtual Prototype；Dynamic analysis

0 前言

虚拟样机设计是近年来利用虚拟现实技术在计算机辅助设计（CAD）的基础上发展而来的一种新的现代设计手段[1]，它的产生和发展为机械、建筑、化工等行业注入了新的活力。它是指利用计算机反复构造虚拟样机，并对其分析、仿真以得到最优设计结果的设计方法。虚拟样机技术已经与高度发展的CAD、CAM及CAE系统的有机结合，为产品的创意、变更以及工艺优化提供了虚拟的三维环境[2]。在产品的设计过程中创造虚拟环境，对产品进行虚拟加工、装配和评价，进而避免设计缺陷，有效地缩短产品的开发周期，同时降低产品的开发成本和制造成本[3]。本课题采用PRO/E和ADAMS创建清淤装置虚拟样机平台。

1 建立清淤装置虚拟样机

优化后的抓斗模型最终应力分析较合理后，再根据抓斗的模型结构尺寸确立清淤装置各零件的三维模型[4]，包括主液压缸、侧液压缸、十字接头、斗座、销轴、螺栓等。建模过程中单位制选择mm、㎏、S、℃。对每一零部件都要具体设定密度、弹性模量、剪切模量、泊松比等。清淤装置中的零件分标准件和非标准件[5]，对其中的螺栓、螺母、销轴等标准件分别进行了建库[6]，如图1所示。

三维零件模型明如图2。

2 Pro/E和ADAMS联合仿真实现

2.1 Pro/E和ADAMS的无缝连接

Pro/E和ADAMS是两家公司开发的软件平台，所以模型的传输不可能达到100%的无缝连接，两者之间不同的图形格式将导致图形转化时会发生某些图形元素丢失现象。本课题利用MDI公司提供的Pro/E与ADAMS专用接口模块Mechanism/Pro，通过该模块，Pro/E与ADAMS可以采用无缝连接的方式，使Pro/E用户不必退出其应用环境，就可以将装配体根据其运动关系定义为机构系统，进行系统的运动学仿真、干涉检查、确定运动锁止的位置以及计算运动副间的作用力等，避免了数据丢失。

2.2 联合仿真流程

利用Pro/E和ADAMS两大软件进行联合仿真分析的流程图3如下[7]。

2.3 添加约束、载荷

在ADAMS中添加复杂的约束，包括六个转动副、三个移动副。其中在主液压缸、两侧液压缸移动副上添加三个滑移驱动；根据转换后的系统坐标，设置环境的重力加速度方向和大小，方向为沿y 轴正方向，大小为9865㎜/S2。

添加完模型约束和驱动后，ADAMS/View可以自动调用ADAMS/Solver对模型进行仿真求解。在进行仿真之前，ADAMS/Solver通过计算模型的自由度判断是进行运动学仿真还是进行动力学仿真。如果整个模型的自由度为0，对其进行运动学仿真；如果整个模型的自由度为1或大于1，则对其进行动力学仿真。点击工具栏菜单Interactive Simulation就可以进行运动仿真[8]。

按照单斗受力简图依次添加载荷，将计算得到的抓斗刃口切割阻力F1、侧板切割阻力F2、底板内外摩擦力和粘聚力F3、侧板内外摩擦力和粘聚力F4依次添加。

为了确保运动仿真时抓斗在正确的位置闭合，需要添加一个传感器来控制抓斗的运动。传感器是通过测量两抓斗之间的角度来建立的。点击菜单Build —>Measure—>angle，选取已建好的三个Maker点后就可以测量抓斗在运动仿真过程中的张开角度。点击菜单Simulate —>Senor，建立新的传感器。在Expression中输入.MPRO_model.MEA_ANGLE_1，选取Terminate current simulation step复选框中的stop， 这样传感器会在抓斗完全闭合即抓斗张开角等于0 时自动停止运动[9]。

3 进行动力学分析

3.1 抓斗挖掘过程曲线分析

在开始仿真分析计算后，ADAMS软件通过其功能强大的积分器求解矩阵方程。如果在仿真时间结束前，不发生雅可比矩阵奇异或矩阵结构奇异（如位置锁死），则仿真成功。如果在仿真过程中，出现雅可比矩阵奇异或矩阵结构奇异[10]，则数值发散，ADAMS软件显示为仿真失败，同样在模型添加约束、载荷、驱动等时，如果添加不当，也会造成模型仿真失败。如出现系统提示错误，就需要检查系统模型（特别是运动机构的位置锁死点以及约束的类型），或者重新设置时间步长、系统阻尼、数值积分程序中的控制参数等，自然得出正确的仿真结果。清淤装置在运动仿真过程中受到传感器的控制，在抓斗闭合后运动会立即停止。仿真结束后，进行仿真结果后处理。利用ADAMS的plot tracking工具，可以得到各个曲线的各点数值[11]。

点击开始仿真按钮，注意仿真运动时间一定要比实际结束时间稍长一些，且小于步长，否则传感器将不起作用。清淤装置开始运动到停止过程中抓斗的张开角的变化曲线如图4。

抓斗的挖掘张开角φ的变化反映了抓斗的运动过程。抓斗从张开角φ=84°开始运动，直到张开角φ=0°时停止，虚拟样机仿真运行时间31秒。

通过测量抓斗主液压缸在运动方向上的驱动力，得到主液压缸向上反力曲线变化图5。

主液压缸受力曲线分析：

抓斗开始挖掘时，即张开角φ=84°时，主液压缸需提供向下的进给力500N。仿真开始后向下的进给力逐渐变小，在仿真进行4秒时，即张开角φ=72°时，主液压缸提供向下动力为0。随着抓斗的闭合，主液压缸提供克服清淤装置重力的向上作用力，抓斗闭合时达到最大，为4745N，方向竖直向上。

4 结论

（1）论文利用Pro/E和ADAMS两大软件联合仿真的虚拟样机设计方法，实现了真正的“无缝连接”。建立了一个新的集静力学、动力学虚拟样机分析平台，为研发其它系列产品奠定了基础。

（2）清淤装置在挖掘过程中，主液压缸提供的向下进给力最大500N，随后逐渐减小，在抓斗张开角小于72°后，清淤装置自重大于了挖掘阻力，主液压缸提供克服抓斗自重的向上作用力，逐渐增大，最大达到4745N。

（3）主液压缸在挖掘过程中最大行程为500㎜，即最大挖深为0.5m。

（4）利用ADAMS强大的动力学仿真功能，添加约束、驱动、载荷和传感器后，绘制并分析抓斗张开角曲线图，主液压缸受力、位移变化曲线图等，为日后液压系统的设计提供了理论依据。

【参考文献】

[1]朱林，陈发.机械虚拟设计中基于特征的零件实体建模技术[J].新疆农机化，2002，6：45-47.

[2]刘宏增.浅谈“虚拟设计”[J].机械工人，1999，7：3-5.

[3]王健.虚拟设计[J].计算机辅助设计与制造，2000，4：85.

[4]詹友刚.PRO/ENGINEER 2001基础教程[M].清华大学出版社，2003.

[5]周开勤.机械零件手册[M].高等教育出版社，1994.

[6]徐灏. 机械设计手册[M].北京：机械工业出版社，2002.

[7]王向丽.送料机构虚拟开发的相关技术及开发平台[D].兰州理工大学，2004.

[8]郑建荣.虚拟样机入门技术与提高[M].北京：机械工业出版社，2001，11：1-237.

[9]陈立平，等.机械系统动力学分析及ADAMS应用教程[M].北京：清华大学出版社，2005，1：95-175.

[10]张鹏程，张铁. 基于矢量积法的六自由度工业机器人雅可比矩阵求解及奇异位形的分析[J].机械设计与制造，2011（08）：152-154.

[11]赵满全，窦卫国.新型马铃薯挖掘机的研制与开发[J].内蒙古农业大学：自然科学版，2000，21（02）：91-95.

[责任编辑：庞修平]

3 进行动力学分析

3.1 抓斗挖掘过程曲线分析

在开始仿真分析计算后，ADAMS软件通过其功能强大的积分器求解矩阵方程。如果在仿真时间结束前，不发生雅可比矩阵奇异或矩阵结构奇异（如位置锁死），则仿真成功。如果在仿真过程中，出现雅可比矩阵奇异或矩阵结构奇异[10]，则数值发散，ADAMS软件显示为仿真失败，同样在模型添加约束、载荷、驱动等时，如果添加不当，也会造成模型仿真失败。如出现系统提示错误，就需要检查系统模型（特别是运动机构的位置锁死点以及约束的类型），或者重新设置时间步长、系统阻尼、数值积分程序中的控制参数等，自然得出正确的仿真结果。清淤装置在运动仿真过程中受到传感器的控制，在抓斗闭合后运动会立即停止。仿真结束后，进行仿真结果后处理。利用ADAMS的plot tracking工具，可以得到各个曲线的各点数值[11]。

点击开始仿真按钮，注意仿真运动时间一定要比实际结束时间稍长一些，且小于步长，否则传感器将不起作用。清淤装置开始运动到停止过程中抓斗的张开角的变化曲线如图4。

抓斗的挖掘张开角φ的变化反映了抓斗的运动过程。抓斗从张开角φ=84°开始运动，直到张开角φ=0°时停止，虚拟样机仿真运行时间31秒。

通过测量抓斗主液压缸在运动方向上的驱动力，得到主液压缸向上反力曲线变化图5。

主液压缸受力曲线分析：

抓斗开始挖掘时，即张开角φ=84°时，主液压缸需提供向下的进给力500N。仿真开始后向下的进给力逐渐变小，在仿真进行4秒时，即张开角φ=72°时，主液压缸提供向下动力为0。随着抓斗的闭合，主液压缸提供克服清淤装置重力的向上作用力，抓斗闭合时达到最大，为4745N，方向竖直向上。

4 结论

（1）论文利用Pro/E和ADAMS两大软件联合仿真的虚拟样机设计方法，实现了真正的“无缝连接”。建立了一个新的集静力学、动力学虚拟样机分析平台，为研发其它系列产品奠定了基础。

（2）清淤装置在挖掘过程中，主液压缸提供的向下进给力最大500N，随后逐渐减小，在抓斗张开角小于72°后，清淤装置自重大于了挖掘阻力，主液压缸提供克服抓斗自重的向上作用力，逐渐增大，最大达到4745N。

（3）主液压缸在挖掘过程中最大行程为500㎜，即最大挖深为0.5m。

（4）利用ADAMS强大的动力学仿真功能，添加约束、驱动、载荷和传感器后，绘制并分析抓斗张开角曲线图，主液压缸受力、位移变化曲线图等，为日后液压系统的设计提供了理论依据。

【参考文献】

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[9]陈立平，等.机械系统动力学分析及ADAMS应用教程[M].北京：清华大学出版社，2005，1：95-175.

[10]张鹏程，张铁. 基于矢量积法的六自由度工业机器人雅可比矩阵求解及奇异位形的分析[J].机械设计与制造，2011（08）：152-154.

[11]赵满全，窦卫国.新型马铃薯挖掘机的研制与开发[J].内蒙古农业大学：自然科学版，2000，21（02）：91-95.

[责任编辑：庞修平]

3 进行动力学分析

3.1 抓斗挖掘过程曲线分析

在开始仿真分析计算后，ADAMS软件通过其功能强大的积分器求解矩阵方程。如果在仿真时间结束前，不发生雅可比矩阵奇异或矩阵结构奇异（如位置锁死），则仿真成功。如果在仿真过程中，出现雅可比矩阵奇异或矩阵结构奇异[10]，则数值发散，ADAMS软件显示为仿真失败，同样在模型添加约束、载荷、驱动等时，如果添加不当，也会造成模型仿真失败。如出现系统提示错误，就需要检查系统模型（特别是运动机构的位置锁死点以及约束的类型），或者重新设置时间步长、系统阻尼、数值积分程序中的控制参数等，自然得出正确的仿真结果。清淤装置在运动仿真过程中受到传感器的控制，在抓斗闭合后运动会立即停止。仿真结束后，进行仿真结果后处理。利用ADAMS的plot tracking工具，可以得到各个曲线的各点数值[11]。

点击开始仿真按钮，注意仿真运动时间一定要比实际结束时间稍长一些，且小于步长，否则传感器将不起作用。清淤装置开始运动到停止过程中抓斗的张开角的变化曲线如图4。

抓斗的挖掘张开角φ的变化反映了抓斗的运动过程。抓斗从张开角φ=84°开始运动，直到张开角φ=0°时停止，虚拟样机仿真运行时间31秒。

通过测量抓斗主液压缸在运动方向上的驱动力，得到主液压缸向上反力曲线变化图5。

主液压缸受力曲线分析：

抓斗开始挖掘时，即张开角φ=84°时，主液压缸需提供向下的进给力500N。仿真开始后向下的进给力逐渐变小，在仿真进行4秒时，即张开角φ=72°时，主液压缸提供向下动力为0。随着抓斗的闭合，主液压缸提供克服清淤装置重力的向上作用力，抓斗闭合时达到最大，为4745N，方向竖直向上。

4 结论

（1）论文利用Pro/E和ADAMS两大软件联合仿真的虚拟样机设计方法，实现了真正的“无缝连接”。建立了一个新的集静力学、动力学虚拟样机分析平台，为研发其它系列产品奠定了基础。

（2）清淤装置在挖掘过程中，主液压缸提供的向下进给力最大500N，随后逐渐减小，在抓斗张开角小于72°后，清淤装置自重大于了挖掘阻力，主液压缸提供克服抓斗自重的向上作用力，逐渐增大，最大达到4745N。

（3）主液压缸在挖掘过程中最大行程为500㎜，即最大挖深为0.5m。

（4）利用ADAMS强大的动力学仿真功能，添加约束、驱动、载荷和传感器后，绘制并分析抓斗张开角曲线图，主液压缸受力、位移变化曲线图等，为日后液压系统的设计提供了理论依据。

【参考文献】

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[8]郑建荣.虚拟样机入门技术与提高[M].北京：机械工业出版社，2001，11：1-237.

[9]陈立平，等.机械系统动力学分析及ADAMS应用教程[M].北京：清华大学出版社，2005，1：95-175.

[10]张鹏程，张铁. 基于矢量积法的六自由度工业机器人雅可比矩阵求解及奇异位形的分析[J].机械设计与制造，2011（08）：152-154.

[11]赵满全，窦卫国.新型马铃薯挖掘机的研制与开发[J].内蒙古农业大学：自然科学版，2000，21（02）：91-95.

[责任编辑：庞修平]