鹤式起重机三维建模及运动特性分析

陈照中，刘从权

（霍邱县农机校，安徽 霍邱 237400）

起重机械广泛应用于工矿企业、港口码头、车站仓库、建筑工地、海洋开发、宇宙航行等各个工业部门，可以说陆地、海洋、空中、民用、军用各个方面都有起重机械在进行着有效的工作；起重机械与运输机械发展到现在，已经成为合理组织大量生产和机械化流水作业的基础，是现代化生产的重要标志之一。本文将根据四连杆机构的理论基础和运动特性，首先在UG环境下搭建简化的起重机三维模型，而后以Parasolid格式作为信息传递标准将三维CAD模型导入ADAMS软件中进行多体运动学仿真，研究其动力学特性。就结构设计而言，动力学分析既是动态设计的一个重要组成部分，又是结构设计的关键所在。因此，对鹤式起重机进行动力学分析，具有很大的经济意义和实用价值。

1 鹤式起重机结构及工作特点

鹤式起重机是以间歇、重复工作方式，将重物通过起重吊钩或其他吊具悬挂在承载构件（如钢丝绳、链条）上进行起升、下降，或升降与运移的机械设备，具有短暂重复的循环作业的工作特征。一个工作循环的时间一般只有几十秒到几分钟，最长也不过一二十分钟，工作循环时间的长短不仅取决于起重机各机构的运动速度，而且也依赖装卸物料的辅助时间的长短。鹤式起重机常见于港口码头，它是一种四杆机构，它的原动杆为尾部的配重，它设计的时候要求起吊平稳、起吊后平移，它对运动轨迹要求较高，如图1所示起重机中，当四杆机构ABCD的构件CD摆动时，连杆BC上悬挂重物的E在近似在水平直线上移动，以避免不必要的升降，减少能量消耗。

2 鹤式起重机三维建模

由图1鹤式起重机运动结构简图可以看出，其实际上就是平面四连杆机构在社会生产中的具体应用，更具体地讲是双摇杆机构的应用。目前，国内外市场上流行的三维CAD软件种类繁多 ， 主要有Solidworks、SolidEdge、I—DEAS、Unigraphics、PRO/E、CATIA、……我们进行CAD支撑软件选择时，主要考虑了以下点：①软件技术的领先性和技术的可持续发展性；②用户群的数量；③软件功能模块的丰富程度；④软件的易学易用性；⑤是否有功能强大、高效率的二次开发模块。Unigraphics（简称UG）是当前世界上最先进和紧密集成的、面向制造行业的CAD/CAE/CAM高端软件。作为一个集成的全面产品工程解决方案，UG软件家族使得用户能够数字化地创建和获得三维产品定义；所以，UG软件被当今许多世界领先的制造商用来从事概念设计、工业设计、详细的机械设计以及工程仿真和数字化制造等各项工作。因此，在本次研究中对起重机进行三维建模选择UG作为支撑软件，所建立的鹤式起重机三维实体装配模型如图2所示。

3 运动分析

3.1 建立多体动力学仿真模型

将UG环境中建立的鹤式起重机三维模型以Parasolid格式文件导入到ADAMS （Automatic Dynamic Anaylsis of Mechanical Systems）软件中，建立多体系统动力学模型，施加相应的运动副约束后，即可进行起重机系统运动学仿真。机械系统动力学自动分析软件ADAMS是美国MDI（MechanicalDynamics Inc）公司开发的非常著名的虚拟样机分析软件，也是世界上应用最广泛且最具有权威性的机械系统动力学仿真分析软件。工程师、设计人员利用ADAMS软件能够建立和测试虚拟样机，实现在计算机上仿真分析复杂机械系统的运动学和动力学性能。

图1 鹤式起重机运动结构简图

图2 鹤式起重机三维实体模型

利用ADAMS软件，用户可以快速、方便地创建完全参数化的机械系统几何模型。该模型既可以是在ADAMS软件中直接建造的几何模型，也可以是从其他CAD软件中传过来的造型逼真的几何模型。然后，在几何模型上施加力/力矩和运动激励。最后执行一组与实际状况十分接近的运动仿真测试，所得的测试结果就是机械系统工作过程的实际运动情况。过去需要数星期、数月才能完成的建造和测试物理样机的工作，现在利用ADAMS软件仅需几个小时就可以完成，并能远在物理样机建造前，就可以知道各种设计方案的样机是如何工作的。

具体到研究起重机系统动力学，建立起重机仿真模型时，需遵循以下3个典型的基本步骤：①起重机系统的物理抽象；②获取模型的运动学（几何定位）参数，建立抽象系统的运动部件、约束，从而建立运动模型，校验模型的自由度和正确性；③获得模型的动力学参数，如质量、转动惯量等力学特性，定义模型中部件、铰链与弹性元件及外界条件。利用ADAMS软件所建立动力学仿真模型如图3所示。

图3 施加运动副约束后的动力学仿真模型

3.2 ADAMS软件环境中的运动仿真

仿真模型是在计算机中建立的反映产品结构特征和属性数据的动态产品模型，它是进行仿真、分析、优化的基础。对于复杂的产品，其三维几何模型的建立、产品预装配通常在CAD软件（如 UG、Pro/E等）中完成；然后通过格式转换，导入ADAMS环境。利用ADAMS软件约束库中的约束建立各个物体之间的运动关系；并通过施加力、力矩或者运动、以使模型按照设计要求进行运动仿真。在产品运动仿真的同时，可以对产品感兴趣的零件运动参数设置测量，绘制仿真结果曲线。通过对曲线数据和试验数据的对比分析，可以验证模型的正确性，同时，确定是否需要修正模型。起重机虚拟样机在ADAMS软件中的运动过程仿真见图4所示。

图4 运动过程仿真图

图4 中为起重机运动仿真过程中的具有代表的四处位置，鹤嘴上悬挂重物的滑轮中心近似在水平直线上移动，这样可以避免不必要的升降，以减少能量消耗。通过初步仿真分析，确定模型的基本运动后就可以在模型中增加更复杂的因素以细化模型；为了便于比较不同的设计方案，可以通过修改设计参数，自动地修改整个模型，提高工作效率。另外，在仿真模型验证正确的基础上，可以对产品设置可控参数，根据需求，有目的地对模型进行优化分析，寻找系统设计的最优方案。

4 结语

随着新世纪全球工业格局的新变化和我国工业技术水平的快速发展，创新设计越来越引起各行各业的重视；起重机市场近年来也异常的活跃起来，这无疑给起重机的设计带来了更高层次的发展要求，有关起重机的的安全可靠性及结构优化设计的研究愈来愈受到人们的重视。本文采用UG软件和ADAMS软件联合建立起重机建模并进行动态仿真分析的方法，为改进机器结构设计和轻量化方面探索了一条高效的捷径，具有重要的工程实际意义。