英语原文共 12 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
2016年冬季模拟会议论文集
T. M. K. Roeder, P. I. Frazier, R. Szechtman, E. Zhou, T. Huschka, and S. E. Chick, eds.
用SIMPHONY.NET模拟起重机摆动运动的运动学原型
|
Ronald Ekyalimpa |
|
Martin Akolo Chiteri |
|
Simaan AbouRizk |
|
University of Alberta |
|
Department of Civil and Environmental Engineering |
|
NREF/Markin CNRL Building |
|
Edmonton, AB T6G 2W2, CANADA |
摘要
起重机起重作业是施工现场工作范围的重要组成部分，尤其是那些采用模块化方法进行施工的工程。创建可用于这些流程自动化的指标可以从安全性和生产率角度提高现场效率。这项研究创建了一个虚拟仿真环境原型，可以尝试用它来生成起重机吊装自动化所需的指标。首先定义了这种振荡运动的运动方程。此后，使用Simphony.NET从连续仿真角度探索这个方程的数值解，然后使用Simphony.NET中的连续模拟服务和使用Mathematica进行验证来实现简单摆动运动的原型设计。
介绍
建筑业的核心业务是生产用于建造基础设施/设施的基础设施/设施或部件。就像任何其他生产系统一样，建造的主要问题之一是处理各种材料，其中大部分材料体积庞大。有效的物料处理需要物流，以促进其材料制造，运输/分配，仓储/仓储和处置。这种物流的例子包括：手动，半自动和自动化设备。这些类别的机器种类繁多，其中包括：输送机起重设备，工业机器人，托盘式起重器，吊车等。
材料处理方面的一些趋势已经开始，其唯一目的是提高材料处理的效率。第一个趋势是由弗雷德里克泰勒开创的，他也被视为工业工程领域的创始人之一（Robinson 2015）。泰勒在改善手动加载过程方面做了大部分工作，他的工作导致了后续的工作，导致材料处理过程的机械化以及随后所使用机器的自动化。 本文提出的研究试图追随这一趋势，并努力实现材料处理的更高效率。重点仅限于起重设备，特别是起重机，因为它们是施工中使用的最主要的设备类型。例如，起重机用于处理和提升施工现场内的预制混凝土部分，钢件，船只，设备，模块等。索具操作中存在一些问题。下面的部分介绍了本研究中处理的问题。
该研究的理由
索具和吊装子领域依赖于设备操作员的经验，以获得涉及这些类型操作的过程的成功。特别是当行业中没有这么多的人时，高度依赖人类专家是不可持续的。而且，人类很容易在判断中犯错误，从而导致不良后果。因此，建筑和其他行业的高度敏感业务的自动化正在转向。起重机吊装是已被确定为具有很多从过程自动化中受益的潜力的领域之一。目前，称重传感器是一些索具设备不可分割的组成部分，因此当负载额定值超出时，这些吊索就会停止。本文作者的愿景是，可以制造类似的智能设备，监测索具操作中涉及的运动特性，以便在必要时采取纠正措施。然而，为了这个可能，需要完成必要的基础研究工作，因此本文目前的实践状态是，操纵起重机的操作员需要经验才能在高度拥挤的建筑工地上驾驶大型物体。通常，安全问题是由物体碰撞引起的，或者由于物体悬挂过度振荡导致生产力损失。在一些网站上，通过让工作人员或工人将标签提升到最终目的地（见图1）来标记物体，从而将这些问题降到最低程度。
图1：用于指导被操纵物体的标记线（来源：DOE，2012）。
自动监测和控制起重机索具运动，最大限度地减少了对有经验的操作员和标签工作人员的需求，从而解决了当前实践中可能出现的不良问题，从而提高了施工效率。本文提出的研究工作是实现设想自动化的第一步。它涉及制定起重机吊装操作，以便可以创建基于仿真的原型。希望这个原型可以作为开发更广泛的仿真模型的基础，可以在进行机器人实验室实验和最终现场实施之前进行实验。
理论背景
本文的这一部分主要涉及提供背景信息，这些信息是开发用于模拟起重机索具摆动运动的原型的基础。有用的基本信息是在微分方程上呈现的，因为它们是数学表示动力系统的有效方式，与在起重机索具摆动中遇到的相同。 此外，还提供信息以便于了解钟摆，因为它们代表起重机索具摆动的精确抽象。
起重机
公元前6世纪后期，起重机被古希腊人发明并首次使用（Coulton 1974）。尽管当时它们并不那么先进，但它们的用途与今天相同，即提起和移动大而重的物体。起重机具有不同的属性;例如，它们可能是移动的或不可移动的。此外，它们具有不同的尺寸，这些尺寸取决于它们旨在提升的载荷。
图2：塔式起重机（左）和移动式起重机（右）的草图。
应该进行严格的设计考虑，以保证起重机的高效和安全使用。这些通常涉及起重机容量，即从杠杆臂和滑轮系统的机械优势，即稳定性，即支撑表面应该足够牢固以避免倾倒，以及起重机身的完整性，即避免被折断。今天有不同类型的起重机。建筑领域常用的设备包括移动式起重机（见图2），塔式起重机（见图2），顶置式起重机，吊臂起重机等。索具是起重机的重要组成部分。因此，为了读者的利益提供了关于此的简要背景信息。
索具
在建筑中，有很多需要移动的物体，它们的形状，尺寸和重量都有很大差异。施工人员可以手动移动其中一些物体，而其他物体，特别是那些大型或重型的物体，只能使用起重机，起重机等专用起重设备移动（Fedock and Wilcox 1999年）。为了确保电梯和升降机附近人员的安全，有特定的指导方针和规则来约束物体被抬起的方式。这些指导方针的目的还在于避免可能导致提升物体损坏的事件以及可能涉及事件的事件。当讨论提升物体和材料处理的主题时，通常使用术语“索具”，特别是在构造中，并且可以用作名词或动词。当术语“索具”用作名词时，它指的是用于保护要移动或抬起物体的设备（Vincoli 2000）。这些例子将在下一节讨论。当用作动词时，术语“索具”是指设置或准备需要移动或吊起物体所需设备的过程（Vincoli 2000; UL Workplace Health＆Safety 2012）。
索具设备
本节概述在索具使用过程中使用的设备，但不包括执行电梯操作的实际设备。这种设备的例子是：钩子，卸扣，吊具杆和吊索。吊索是吊钩和负载之间的链接（物体被抬起）。卸扣是一种可以固定吊钩相互作用的附件。有时，吊索可以直接挂在吊钩上，而不需要吊环。但是，如果要将两个或更多吊索连接到吊钩上，应使用吊环。吊具杆便于创建稳定的索具配置。一些吊具杆可调节（以方便装配和拆卸），而另一些则不可以。可以使用不同类型
的吊索，包括：钢丝绳，链条吊索，合成纤维网等。参见图3的外观。
图3：索具设备--钢丝绳，链条吊索和合成纤维网吊索（来源：DOE，2012）。
索具配置
固定提升物体的过程通常会导致索具设备的特定设置。这种设置通常被称为索具配置。索具配置取决于可用于索具的设备类型以及要提升或移动的物体的尺寸，形状和重量。目标是始终调整安全高效的配置，即花费最少的时间和精力进行设置和拆卸。
图4：吊车索具配置示例（来源：美国能源部，2012）。
“索具配置”一词被称为“索具树”并不少见。图4显示了简单索具树的例子，但是在实践中还有其他更复杂的树结构在使用。
摆动系统
有一个物体悬挂在一个可以自由摆动的枢轴上的物理系统被称为摆锤（pendulum）。悬摆物体从其平衡位置的位移激活了摆系统中的摆动。运动的发生是因为物体经历了一种重力，力图将其恢复到平衡位置。如果系统受到摩擦力的作用，它会振荡直到静止。如果没有摩擦（假设），物体会继续振荡并继续前进。存在各种类型的钟摆系统。图5显示了一个简单的圆锥摆。 简单摆是本研究中使用的类型。
图5：简单摆（左）和圆锥摆（右）的示意图。
摆系统由许多不同的部分组成，这些部分将在下面的讨论中提及。因此，在使用它们之前定义它们是非常重要的。这些部分包括：
- 物体/质量支撑：在摆系统中，物体悬挂在杆或吊索的末端。垂直杆或吊索作为物体的支撑物，在这里被称为质量/物体支撑物。
- 主要支持：这是指支持整个结构的摆系统的一部分。这是绳子或吊索所连接的点。
摆属于一个动态系统家族。这种动态行为可以使用适当的系统状态变量进行跟踪。在钟摆的情况下，随着时间变化，可以追踪以下状态变量：摆动角度（theta;），悬挂物体的位置（x，y）以及杆或吊索（l）的长度。在这项研究工作中感兴趣的钟摆类型是一个只在xy平面振动的简单钟摆。为了便于将起重机吊装/吊装问题制定成钟摆系统并随后将其模拟为模拟系统的振动运动的仿真模型，进行了许多假设。它们包括：
- 不可延伸吊带：通常用于起重机吊装物体的吊带可能由具有弹性的材料制成。使这样的吊索受到重量较重的物体的作用，导致吊索张紧。当物体受到振荡运动时，其重量的垂直分量不断变化，从而导致吊索中的应变变化。这会导致次要的动态效应。这一行为将被忽略以简化分析。
- 有限的吊索变形：吊装和起吊操作中使用的大多数吊索本质上是柔性的，并且在悬挂物体的振荡运动期间可能沿其长度变形。但是，为了简化分析，假定这种变形不存在。因此，吊索在任何时候都被认为是直的。
- 质量的振荡：当悬浮物质处于平衡状态时，它处于垂直位置。 被移动后，它会振荡。虽然这个物体可以有多个自由度，但分析仅限于两个自由度，即水平（x）和垂直（y）方向。
- 初始条件：吊索附着的支撑假定在悬挂物体的摆动期间始终固定。这意味着摆系统受到的唯一初始条件是物体从平衡位置的初始位移。让吊索支撑件移动会引入额外的初始条件或额外的激励。
- 阻尼效应：悬浮物质的振荡运动通常会受到一定数量的阻力，但随着时间的推移会阻碍其运动。这些例子包括：空气阻力，吊索悬挂物体的内部摩擦力等。在本文所做的模拟工作中忽略了这些。因此，预计振荡将永远持续下去，正如预期的那样，作为无阻尼动态系统的响应。
- 外部激励力：随着物体自由悬浮的振动，它可能受到可能导致系统额外激励的风的电流。这些类型的激励被忽略。从最初的位移施加在物体上的激励是唯一考虑的因素。
一些假设（例如，i）是从物理运动方程的推导继承而来的。为了利用这些等式，需要重申并遵守这些等式。为了简化这个原型设计阶段的仿真建模，我们做了其他假设。诸如阻尼效应，弦的二次运动等问题将在下一阶段明确说明。
微分方程
微分方程是表示动态系统状态变量变化的有效方法。 微分方程有许多不同的族，如一阶微分方程，二阶微分方程，常微分方程，偏微分方程等。本文中的焦点是二阶常微分方程，因为它们可以很好地描述摆的摆动运动。 下面显示了这种方程的一般形式（Kreyszig 1999）。
y＂ ay＇ by=0
这种类型方程的解析解首先需要以下面所示的形式表达，即作为特征方程。求解这个方程要么产生不同的实根，要么是双实根，要么是复共轭根。 这导致了一个通用的解决方案，其中应用了边界条件并获得了特定的解决方案。
lambda;sup2; alambda; b=0
微分方程可以通过分析（上面解释）或数值求解。有限差分方法和有限元分析是数字技术，也可用于求解这些类型的方程。两种方法都适用于计算机模拟，但方式不同（参见图6）。
完成
边界条件
B
开始
状态变量值
模拟
特殊解决方案
一般解决方案
微分方程
开始
完成
A
状态变量值
模拟
有限差分法（FDM）
微分方程 边界条件
图6：模拟具有确定微分方程的状态变量的策略。
用于模拟简单摆锤的配方
本文中用于起重机吊装操作（即作为简单摆锤）的抽象和模拟的配方基于Chopra（2012）和Kreyszig（1999）的文章。
图7（右）显示了作用于摆系统的力量以保持动态平衡。 静力学和动力学（即牛顿运动定律）与该示意图一起使用，以获得下面的运动方程（EOM）。
这与使用3.1节中描述的方法的边界条件一起解决。 得到下面的表达式。
图7：简单摆系统的运动学参数。
以下两个方程式总结了简单摆的运动参数（如图7所示）之间的几何关系。 这些专门用于描述任何时间点悬挂物体的位置。
然后可以从这一点模拟表示单摆的动态行为的数学公式。 配方和仿真过程在图8所示的概念图中进行了总结。
使用几何来确定位置（x，y）
预测theta;（t）
模拟运动
生成系统能量（KE，PE）
简单摆的运动
方程和边界条件
起重机索具作为
简单摆的抽象
问题表述
简单摆EOM的一般和特殊解决方案
图8：问题的制定和模拟。
连续模拟模型
为了模拟单摆摆动运动的特定解，需要提供初始位移角（theta;0 全文共10608字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[12078]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
