一种聚氨酯包胶轮式移动平台刚柔耦合模型建立方法研究

曹 翱 宋 超 温家玺

（长安大学 工程机械学院，西安 710064）

在大多数情况下，把机构当做刚性系统处理不会产生太大误差，但在一些对模型精度要求非常高的情况下，如果想要更真实地模拟机构动态性能，必须将模型部分或者整体构件当做可以产生变形的柔性体来分析[1]。聚氨酯弹性体材料由于具备承载能力大、耐磨、耐油以及与金属骨架粘结牢固等优点，被广泛应用于各种传动机构制造当中，并且由于其具有较好的弹性变形特点，相关设备具有良好地缓冲性能[2]。聚氨酯包胶轮是轮式移动平台的关键部件，它的材料变形特点直接影响到该移动平台整机性能，为了更好提高虚拟样机技术准确性，实现聚氨酯包胶轮式移动平台刚柔耦合仿真十分必要。本文以聚氨酯包胶轮式移动平台为例，借助soliderworks、Adams、ANSYS软件，阐述了该移动平台刚柔耦合实现方法。

1 三维模型建立

在soliderworks中建立移动平台车体、聚氨酯包胶外轮和内轴零件图，并完成装配体。再将聚氨酯包胶外轮零件图及装配体总文件另存为parasolid格式，将新生成零件图文件导入ANSYS中生成模态中性文件，再将新生成的装配体总文件导入Adams中建立虚拟样机。移动平台三维模型如图1所示。

图1 移动平台三维模型

2 模态中性文件生成

模态中性文件可由Adams/View模块中直接生成，也可借助其他有限元软件来完成，如ANSYS、Nastran、Abques等。本文从ANSYS中输出模态中性文件，模态中性文件的生成方法则采用Mass21单元+刚性区域法。聚氨酯包胶轮柔性体模态中性文件生成的具体步骤如下：

第一，选取单元，并将聚氨酯包胶轮导入ANSYS中，选取分析单元；第二，定义材料属性，根据聚氨酯的材料属性分别输入杨氏模量、泊松比和密度；第三，设置实常数，Mass21的实常数取10-6；第四，建立关键点，用于生成能施加约束及载荷的连接点，由于轮式特殊结构，本设计添加两个关键点；第五，划分网格，将聚氨酯包胶轮整体和关键点分别划分网格；第六，建立刚性区域，刚性区域作用是传递力和力矩，由于该对象为轮式模型，故选择建立两个刚性区域，如图2所示。

图2 刚性区域建立示意图

3 刚柔耦合模型建立

移动平台总装配体导入ADAMS后，将生成的柔性体机构替换模型中的刚性体机构，如果没有出现错误，则该模型可用作进行刚柔耦合动力学分析，如图3所示。然后添加连接副（车体和内轴为旋转副、内轴和聚氨酯包胶轮为固定副、地面与大地为固定副）、特殊力（聚氨酯包胶轮和地面的接触力）和驱动（主动轮30d*TIME），分别在刚性体模型和刚柔耦合模型中进行仿真，测量轮式移动平台主动轮（MARKER-37）和从动轮（MARKER-36）的运动参数，如图4、图5所示。

图3 刚柔耦合移动平台模型

图4 刚性体模型运动参数测量图

图5 刚柔耦合模型运动参数测量图

4 结论

经测试可知，聚氨酯胶轮弹性变形已经严重影响了轮式移动平台输出响应，为了避免与系统真实情况产生很大的差距，不能仅将其简化为刚性体系统，因此对于聚氨酯包胶轮式移动平台来说，运用刚柔耦合实现动力学仿真才能更接近真实情况。另外，该聚氨酯包胶轮式移动平台刚柔耦合模型建立方法，也可以扩展到其他工业轮式移动平台刚柔耦合虚拟样机建立当中。