摘要：本文以某大型机械起竖装置为研究对象，利用三维造型软件Pro/Engineer对关键起竖部件进行实体建模并在虚拟环境下装配。借助Pro/E与ADAMS的接口模块Mechanism/Pro，将三维实体模型传输到ADAMS环境，并添加载荷和驱动生成虚拟样机。通过定义接触力和双面碰撞力对托架和活塞杆限位，分析起竖动力学过程并给出部分仿真结果，为该装置的优化控制提供了理论依据和实验参数，并为更加深入的有限元分析奠定了基础。
关键词：起竖装置，三维建模，接触力，动力学仿真
中图分类号：TP391.9 文献标识码：A
Modeling and Simulation Study of Erecting Process of Large Equipment
Sun Qinghua1, Liu Xiuzhen2, Li Feng1
(1 The Second Artillery Engineering College, Shanxi Xi’an 710025; 2 Department of Civil Engineering, Xi’an Jiaotong University, Shan Xi, Xi’an 710049)
Abstract：In this paper, for the study of large erected mechanism, the models
of key erecting parts were done by Pro/Engineer and then were assembled into
prototype in virtual environment. Though the interface block-Mechanism/Pro, the 3-Demension model was transmitted to ADAMS, where the model detailed and loads
were appended. While the bracket and piston were set bounds by defining contact
force and double-side collision, the dynamic analysis of erecting process was done and some results
were stated, which provides the theoretic basis and experimental parameters for
optimize control and set a foundation for deeper study of finite element analysis.
Keywords： Erecting Equipment，3-Dimention Modeling，Contact Force，Dynamic Simulation
对于大型机械装置的起竖过程，即由水平状态到垂直状态的运动过程，采用液压驱动方式是一种有效的方法，可以充分发挥液压系统大行程、大推力的优点。由于重载、大行程和安装位置等方面的限制，液压系统设计中通常选用二级或四级的多级活塞杆的液压缸。但是，由于多级活塞杆伸出过程中的碰撞难以避免，容易在起竖过程中对负载产生过大冲击。要在规定时间内完成起竖过程并保证其运动平稳，研究起竖过程的动态特性是十分必要的，特别是在对冲击的限制有较高要求并力图实现快速起竖的场合更是如此。
随着计算机技术的不断提高，仿真技术得以迅速的发展，不断涌现出许多较为成功的仿真软件，其中较为突出的要数美国MDI公司开发的ADAMS机械系统自动化动力学仿真软件。ADAMS本身提供实体造型功能，但是对于许多复杂的机械系统，零部件的几何外形极不规则，此时用实体造型该功能进行三维建模就显得力不从心了，此时我们必须借助于其他一些专长于三维建模功能的CAD软件联合起来建立机械系统的仿真模型，当前在工程领域选用美国PTC公司的CAD软件Pro/Engineer和ADAMS联合进行复杂机械系统的动力学仿真研究是一种较实用的仿真方案。
图1给出了用Pro/E和ADAMS仿真的一般过程。
1 系统描述
大型装置的机械起竖系统包括作为载体的车架、液压系统及油缸、负载及承载负载的托架、负载锁紧机构等部分。本文以二级双作用液压油缸驱动旋转负载为例，在理想约束的假设条件下，将负载、托架及锁紧机构作为一个刚体来统一考虑。油缸由一级活塞杆、二级活塞套筒和油缸外筒组成，作为三个独立的刚体考虑。
静态时，托架水平停靠在车底盘的前端支撑体上，液压油缸全部收回，此时靠支撑体支撑托架的绝大部分重量；在起竖过程中，由液压油驱动活塞杆伸出，二级活塞套筒完全伸出到位后，一级活塞杆继续向前伸出，直至托架由水平状态转化为垂直状态。 
2 模型建立
由图1可见对机械系统进行正确的建模对于后续的仿真研究起着决定性的作用，为保证模型顺利转化到ADAMS中，建模过程中应特别注意以下几点：1、对整体模型加以考虑。找出关键的点线面等特征，合理正确使用的参照，以尽量减少返回修改模型的次数，否则会造成极大的工作量；2、注意单位的设定。Part模块下的零件和Assembly模块下装配模型，都要统一单位。使用Pro/E默认的单位，即英寸磅秒制，可以顺利传送模型，但如按照图纸建模的话，使用较不方便。建议新建mmks单位制，可以顺利传递模型，有满足日常习惯。3、材质的赋予。Pro/E可以简单的对模型赋予密度等材料特性，但转换至ADAMS中进行仿真时，有时仍会有警告，解决办法是在ADAMS中利用其丰富的材料库，对模型赋予材质。
2.1 零件建模
机械起竖装置主要分为三部分：车底盘、液压缸和托架。其中液压缸为二级液压缸，应分别建立各部分的模型。模型建立后，应为每个零件指定颜色和材质，否则模型缺乏真实感。
2.2 组件装配
首先将没有相对运动的零件通过完全约束装配成子组件，然后将相互之间有相对运动的零件、组件通过定义连接的方式进行装配。Pro/Engineer共提供了八种连接：刚体，销钉，滑动杆，圆柱，平面，球，焊接，轴承。由实际装配要求，各部件的连接关系如表1所示。完成后的总体装配图如图2所示。 
图2 总体装配图
3 数据传输
Mechanism/Pro是连接Pro/E与ADAMS之间的桥梁。二者采用无缝连接的方式，使Pro/E用户不必退出其应用环境，就可以将装配的总成根据其运动关系定义为机构系统，进行系统的运动学仿真，并进行干涉检查、确定运动锁止的位置、计算运动副的作用力。
由于将Pro/E中生成的模型转换至ADAMS环境后，图形的许多几何特征要丢失，如圆变成了多面体、旋转体的轴线也会丢失等，所以凡是能在Mechanism/Pro环境下添加的约束要尽量在Mechanism/Pro环境下借助完整的几何特征添加，对于一些必须在ADAMS中添加的约束也要预先考虑在Mechanism/Pro环境下定义参考坐标。
将没有相对运动的零件定义为一个刚体，并在有相对运动的刚体之间添加适当约束，通过interface--ADAMS/View就可以完成图形向ADAMS环境下的转换。图形的转换精度，依据需要可设为0~10级不等，等级越高则几何图形外观质量越好。
4 仿真分析
模型传入ADAMS后，在模型的约束副上添加驱动，并且根据模型所受载荷的情况施加力或力矩。经过ADAMS/Solver求解后，可以观察模型的运动情况，检查刚体之间的运动干涉，并且可以计算出刚体之间的作用力。
4.1 自由度分析
系统判断对模型进行运动学或是动力学仿真的标准是：通过计算系统中的刚体和约束副的类型和数量，计算系统的自由度。如果系统的自由度为0，对系统进行运动学仿真分析；如果系统的自由度大于0，则对系统进行动力学仿真分析。
机械系统得自由度F可以用下式计算： 
式中 n——活动构件总数；
pi, m——第i个运动副的约束条件数，运动副总数；
qj, x——第j个原动机的驱动约束条件数，运动及总数；
Rk——其它的约束条件数。
4.2 托架回转限位
在起竖初始和回平末期，由于托架刚体重力力矩和速度惯性，托架会绕回转轴向下回转，必须在托架和车底盘前端支撑体添加接触力来限位，以保证托架正常停靠在支撑体上。
接触力是一种作用在构件上的特殊力，当两个构件相互接触发生变形时，产生接触力，力的大小与变形的程度和变形的速度有关；如果两个构件相互分开不接触，则接触力为零。
ADAMS用时间函数IMPACT定义接触力，其数学模型为： 
式中K(q)为刚度系数函数；q0为接触时引发接触力的临界距离，q为两接触物体接触点之间的实际距离。e为非线性指数，C(q)为阻尼系数函数。
4.3 活塞杆运动限位
油缸一二级活塞杆运动到极限位置换级时，由于速度惯性，互相必然发生碰撞，为避免刚体之间互相穿透，在油缸外筒与二级套筒、二级套筒与一级活塞杆之间定义双面碰撞力。设两缸体之间相对运动的区间为[q1，q2]，则碰撞力大小为： 
5 结论 
图3给出了一部分仿真结果。(a)反映了静态时托架与支撑杆之间的接触力；(b)图中实线和虚线分别是二级活塞套筒和一级活塞杆作平移运动的速度曲线。由仿真结果可以看出，起竖过程中的冲击主要产生于起竖开始、活塞杆换级、系统急停等过程中，其中以各活塞杆伸出中的换级碰撞所带来的冲击最为严重。通过在起竖过程中对进入起竖油缸正腔的液压油流量，可以控制多级缸活塞杆伸出的速度；而在活塞杆换级时适当降低液压系统的流量，可以缓解活塞杆之间的碰撞所带来的对负载的冲击。
参考文献
[1] 黄先祥，高钦和，郭晓松．大型装置起竖过程的动力学建模研究[J]．系统仿真学报，2002，14(3)
[2] 郑建荣．ADAMS—虚拟样机技术入门与提高[M]．北京：机械工业出版社，2001．
[3] 高钦和，黄先祥．多级缸起竖系统运动过程的建模与仿真[J]．系统仿真学报，2005，17(7)
作者简介：
孙庆华(1981~)，男(汉族)，硕士。研究方向：导弹武器发射系统仿真与自动检测。
