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基于虚拟原型对海上吊机的多体系统动力学分析
--何斌，唐文，曹晋涛
摘要：
动力学是关于力、扭矩和它们对运动的影响的研究。为分析海上克令吊的响应特性、轻量化设计，制定合适的动力学模型是非常重要的；最近几十年，许多学者研究了这方面，并且做出了很多有价值的贡献。然而，目前的研究总是集中在刚性起重机上，而起重机多是一种能影响动态分析准确性的刚柔耦合多体系统结构。本文基于刚柔耦合虚拟样机，提出了一种海上起重机的动力学分析模型。在引入800吨的海上起重机的结构和性能参数的基础上，又引入了刚性耦合虚拟原型动力学分析和数值模拟。动力学实验是基于海上吊机的物理原型，并且实验结果显示在预先设定吊机吊杆的斜度角的情况下，能够成功提升负载，这点证明了动态分析的准确性是基于刚柔耦合的虚拟原型。作为一个海上吊机的设计案例，它证明了这种研究方法对海上吊机的设计有明显帮助。
关键词：
动态分析、虚拟原型、多体系统、刚柔性耦合、海上吊机
- 引言
由于装卸货物需求量越来越高，使得航运行业的运输能力要提高速度，发展多功能性和准确性等等。因此，最近的趋势推动了海上吊机的研究及发展，海上吊机是一种海洋平台上的机械设备，通常配备有一个起重机、绳索或链条、滑轮，能够用来升降和水平移动货物。与运动学相反，动力学是关于力和扭矩以及它们对运动的影响。目前，海上吊机的动力学设计方法基本上分为两种基本类型：静态设计和动态设计。
静态设计
基于实例的设计是基于过去解决类似问题的解决方案的过程。作为基于实例的设计方法，目前海上起重机的静态设计方法主要采用半经验和半理论设计方法，以经典力学为基础。根据相似的产品（案例），这些方法进行了相应的改进，并考虑了足够大的安全系数，或者使用一些有限元分析（FEA）软件来分析典型工作条件下的部件。
动态设计
虚拟原型使设计人员、制造商和用户能够实现设计最优化、虚拟装配仿真、性能模拟等，从而加速开发过程并降低产品成本。塞西尔和卡查纳皮伯恩将计算机辅助设计（CAD）系统与虚拟样机技术结合在一起，使工程师能够协同工作，并预先评估下游产品，从而发现问题。利用虚拟样机技术，Kulkarni等人设计并优化了汽车加载器，以证明其有效性和合理性。Opiyo等人研究了虚拟样机的简化技术，并显著减少了数据，从而使虚拟原型设计更容易展示。在大波浪荷载作用下,Hong和Ngo提出了一种移动港口集装箱起重机的动态特性。Caglayan等人讨论了龙门起重机的疲劳寿命，并应用有限元法对其疲劳寿命进行了优化。Boscaron;njak等人研究了可移动升降平台和大型集装箱起重机在风效应下的动态响应。通过仿真实验，Ebrahimi等人提出了一种新的估算方法，对顶梁的角度进行了估计。
虽然静态方法在一定程度上改进了设计，但它们不能解决系统问题，即使部分能够实现优化，整个系统可能会失败。静态设计方法总是在特定时间反映典型节点的应力值，不能在整个移动过程中给出每个节点的应力值，也不能在时间的变化上给出某节点的应力值。由于这些方法并不总是把起重机作为一个整体，整个机器的动态性能或各种机制，关键部件可能不为人所知，设计的缺陷可能找不到。这些方法属于静态设计，不能以极其精确的方式发现设计缺陷。特别是由于起重机臂长的超长，是典型的具有较大变形的弹性构件，当起重机在提升或旋转的条件下，它会引起振动和大弹性变形。即使起重机在静态荷载作用下，悬臂的变形也非常大。在实际工作过程中，起重机需要频繁启动和中断，这将导致巨大的冲击载荷和惯性载荷。考虑到基于刚体动力学的动态载荷，静态设计方法采用了一个大的安全系数。由于动态负载系数的考虑相对简单，不能准确反映各构件的实际工作状态。大量的实践证明，静态设计与实际工作条件之间存在着很大的差距。由于起重机一次又一次经受不规则方向的风载和价值变化,以及多年暴露在极端高温和寒冷环境下,如果吊车发生故障，就很难被修复,而且它的可靠性和使用寿命远高于一般机械的要求。准确地描述起重机的受力是很困难的，因为载荷随时都在变化。传统的设计方法不能满足现代海上起重机的设计要求。
然而，目前的研究总是集中在起重机的刚性模型上，而起重机始终是一种刚柔性的耦合对象，它能影响动态分析和数值模拟结果的准确性。海上起重机是一种刚性柔性耦合多体系统，其工作条件极为苛刻，对于由空气阻力造成的交变载荷，惯性力和弹性力将导致变形和振动。上述所有因素都会影响起重机的正常运行，甚至会造成严重的损坏。在海上起重机的机械特性上，应用了基于虚拟原型的刚性-柔性耦合技术。采用多体系统对刚性或柔性体的动态行为进行建模，每一种都可能经历较大的平移和旋转位移。这对海上起重机的稳定性和可靠性具有重要意义。基于刚柔耦合虚拟样机的数值模拟可以克服上述缺陷，这是计算机技术快速发展的一种新的计算机辅助工程技术。最后，验证了这些方法的可行性。同时，通过对典型工作过程的模拟，得到了海上起重机的动态特性和应力结果。指出了起重机关键部件的设计和优化问题，为设计人员提供了有价值的参考。
本文主要介绍基于虚拟原型的多体系统动力学分析。摘要提出了一种基于刚性耦合虚拟样机的海上起重机动力学分析模型。本文的其余部分按以下方式组织：第2节介绍了800吨近海起重机的结构和性能参数。第三节演示了基于虚拟原型的近海起重机的刚性耦合模型。第四节介绍了近海起重机的刚性-挠性耦合动力学仿真分析。第五节总结了这篇论文。
- 800吨海上起重机的结构和性能参数
2.1 800吨近海起重机主结构
图1显示了800吨海上起重机的主要结构。主要由提升机构组成、回转机构组件、俯仰机构构件组成，包括支撑缸、转台、塔柱、吊架、悬臂、主钩、辅助吊钩等。
起重机械部件，包括起重机、钢丝绳、滑轮、吊钩和其他部件，负责起重机的吊装工作。绞车卷筒使钢丝绳进出，货物的升降由滑车组完成，当起重装置停止工作时，制动轮被弹簧力制动。提升机构分为主提升机构和辅助起重机构。大部分的工作都是由主提升机构完成的，而辅助提升机制在相对轻的负荷和较高的条件下发挥辅助作用。
回转支承机构的回转支承装置和回转式传动装置，主要用于提高起重机的工作范围。回转支承装置主要包括转盘和支承缸。塔柱固定在一个旋转平台上，而吊杆则是在塔柱上。转盘由旋转驱动装置驱动，以实现起重机的旋转。
变幅机构组件利用起重机、钢丝绳、滑轮等部件，对起重机的工作范围进行了扩展，提高了起重机的工作效率。在工作过程中，软管的鼓将会涉及或释放钢丝绳。为了实现起重机的俯仰过程，俯仰运动由滑轮块实现，如图2所示。
2.2 800吨海上起重机的主要设计要求和性能参数
表1显示了800吨海上起重机的主要设计要求和性能参数，为起重机的设计和分析提供了必要的条件。
主要部件的参数如下：支撑缸的高度为13米，直径为5米;转盘的高度为2.5米，直径为9米;塔柱的高度为32米，最大长度为17米，最大宽度为9米;这一段的长度是101.5米，最大宽度是9米。
- 海上起重机3种虚拟原型-柔性耦合模型
3.1刚性-挠性耦合动力学分析的建模方法
在动力学分析中，弹性变形对物体运动性能的影响很小，在低速运动中。在这种情况下，物体可以被认为是刚体。然而，在实际工程中，大规模、轻量或高速对象将使系统的动态特性越来越复杂。在该现象中，各部分的运动和弹性变形的耦合是相当大的范围。这种类型的模型被称为柔性多体系统。在系统中，如果部分构件可以看成刚体，而另一些则作为柔性体，这种机械模型称为刚性-柔性耦合多体系统。图3显示了刚柔耦合动力学分析的建模方法。产品的所有部分首先被建模为刚体。
根据各部件的弹性变形值和加载后的应力值和分布情况，将构件分为刚性和挠性两部分。在起重机的设计中，吊杆的高度和工作跨度相当长。为了减轻自重，使用高强度材料。该材料的屈服强度可达1000毫巴。由于这个原因，横截面很小，所以会导致低刚性。在运动过程中，该系统会出现较大的变形。与此同时，整个机械结构主要承载起重机臂系统所承载的荷载。有足够的强度来保证其稳定性，以及在小变形时保持足够的刚度。所以，这一段的横截面很大，强度和刚度都相当高。该系统的各个部分，包括牵引板、起重机臂、桅杆等，都是相对细长、低刚性的，对整机的动态性能有很大的影响。为了使模型更简单，对整个机器的影响不大，因此，该模型的模型是作为一个柔性体来构建的。在加载后，需要考虑支撑缸、转盘、塔柱和起重机的应力值和分布，因此这些构件被建模为柔性体。
吊钩、滑轮和绞盘等部件具有较低的弹性变形，不易破碎，其组成为刚体。
3.2海上起重机刚体动力学建模方法
三维（3D）模型建立在三维建模软件UG NX中。然后将该模型导入动态分析软件ADAMS，从而完成了刚体建模。然后，这个模型在ADAMS中得到进一步的处理。首先，指定每个组件的材质，修改每个组件的名称和颜色，然后添加每一对和摩擦节点的约束。为了达到预定的运动，每个关节的驱动模式被指定。通过对UG NX的联合模型，建立了各关节的各种测量旋转角、角速度、角加速度曲线，通过这种方法，对模型进行了分析和优化。
如图4所示，UG的NX软件被用来创建3D模型，并在ADAMS软件中导入模型，然后完成了起重机的刚体建模。
3.3海上起重机柔性体建模方法
1.柔性梁连接方法：将一个物体分成多个部分，然后用这种柔性梁连接这些刚体。摘要用有限元理论计算了两种与柔性梁连接的物体间的梁单元的受力情况。
该方法仅适用于简单的横条，其横截面形状变化不大。该方法的本质是刚体采用灵活的连接方法而不是真正的柔性体。
2.第二种方法是直接使用adams/autoflex模块建模。ADAMS/autoflex模块是在ADAMS中开发的，它可以直接创建一个灵活的身体。我们可以通过这个模块在adam/view中直接建立模态中立文件（MNF）。然而，对于一个复杂的模型来说，这是一种困难和耗时的工作，这种方法只适用于简单的部分。
3.第三种方法是通过一些专业的FEA软件创建一个灵活的身体，然后在ADAMS中导入它。利用有限元分析软件，如ANSYS，将离散成分分解成小网格，然后将计算模式保存为模态中立型文件。最后，将它导入到ADAMS中，并直接创建一个灵活的身体。通常，第三种方法总是用于为一些复杂的组件创建一个灵活的主体。
本文利用有限元分析软件建立了柔性构件，并通过进口的方法建立了柔性构件。在ANSYS软件和ADAMS软件之间有一个双向接口，因此我们可以使用ANSYS的解模模块来生成模态中立文件，同时，ANSYS软件也可以导入由ADAMS生成的加载文件。用ANSYS软件构建柔性体的过程如下：
设置单元参数：固态元素是solid45，而质量元素是mass21。膨胀的材料，支撑柱和塔柱是EH36，所以材料的弹性模量是2.1。105 Mpa，泊松比是0.29，密度是7800公斤/立方米。
导入模型:ANSYS很难建立一个复杂的模型，因此，我们可以将模型导入到ANSYS中，由UG的NX构建。这些节点必须存在于柔性体的旋转中心或刚体的连接中，并且在ADAMS中用作外部节点。如果柔性阀体的连接是空的，则需要连接部件的一个关键点。
啮合：与实心45元件相啮合的模型应以零件的复杂性为基础，而啮合精度一般设定在3-8级。如果网格精度过高，就会造成不必要的计算机资源浪费。但是，如果网格精度太低，仿真结果将无法满足精度要求。本文采用了五层的精度。
建立刚性区域：有必要建立不变形的刚性区域，使其与外部部件连接。每个刚体至少需要两个刚性区域。这些节点必须存在于柔性体的旋转中心或刚体的连接中，并且在ADAMS中用作外部节点。这些节点被称为刚性连接点，它们用于连接周围的节点，以创建刚性连接，这些节点称为刚性区域。选择刚性区域具有重要意义。根据装配和运动关系，合理确定了刚性节点和区域的选择。
生成模态中立文件（MNF）：模态命令的提取应该非常重要。
模态指令越多，柔性体的变形就越接近现实。在动态分析中，只有前几种模式在计算中起着重要的作用。因此，模拟只需要计算前模态的顺序。我们通常采用六种前模式，以八种模式为更精确。在受力的过程中，应分析柔性体的应变和应力，使所选单元单元应包含应变和应力值，以获得更好的分析结果。图5显示了由ANSYS软件构建的塔式塔架柔性体模型。
3.4钢丝绳刚性挠性模型法
钢丝绳是一种具有空间螺旋结构的产品。它具有很大的弹性和高强度，可承受较大的拉力，但抗弯强度较弱，广泛应用于机械、建筑等领域。由于钢丝绳具有很大的灵活性，几何建模有一些不确定因素。此外，钢丝绳的刚度和阻尼系数以及接触系数和阻尼系数都难以确定。这些因素是动力学分析困难的原因，而钢丝绳的建模已成为仿真的关键问题。
在静态分析中，可以用柔性杆来代替钢丝绳，因为绳子的位置不会随时间而改变。这种方法可以满足要求。
但对于动力学分析,例如,滑轮与钢丝绳之间的相对位置变化在起重机吊装。我们将无法解决这样的问题,如果我们仍然使用柔性杆的模拟。因此,在动态分析中,必须寻求其他方法来建立更有效的等效线模型,它可以模拟绳子更现实的工作条件。
在ADAMS中，它并没有提供对钢丝绳的建模方法，但它的现有功能可以用来模拟钢丝绳。主要有两种模拟方法：
有限元分析软件ANSYS可用于生成中性模型文件，并将其导入到ADAMS中，以创建一个钢丝绳柔性体。在addi中，建立了柔性体的建模方法，可用于建立柔性钢丝绳的柔性模型。由于元件类型和网格的原因，这些方法在钢丝绳的仿真过程中
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