ADAMS塔式起重机刚柔耦合虚拟样机构建指南*

杨传宁1 董明晓1 梁立为1 冯润辉1 和大龙2

1 山东建筑大学 机电工程学院 济南 250101 2 山东龙辉起重机械有限公司 泰安 271208

摘 要：为了准确模拟塔式起重机的动力学特性，应用SolidWorks 软件、Ansys 软件和ADAMS 软件建立了刚柔耦合的塔式起重机虚拟样机。首先应用SolidWorks 软件建立塔式起重机的实体模型，然后将起重臂实体模型导入Ansys 软件中，并进行网格划分，再采用刚性区域的方法将实体模型以MNF 文件格式生成柔性体模型，最后把整机实体模型导入到ADAMS 软件中形成刚性体模型，再将起重臂柔性体模型替换刚性体模型，建立起塔式起重机刚柔耦合虚拟样机。最后对回转工况仿真，得到位移、速度等运动参数 曲线。

关键词：塔式起重机；ADAMS；刚柔耦合；虚拟样机

中图分类号 ：TH213.3 文献标识码 ：A 文章编号：1001-0785（2020）16-0062-04

0 引言

随着起重运输行业的不断发展，塔式起重机发挥着越来越重要的作用，起重运输机械的安全性、可靠性也逐渐成为人们关注的重点。目前，大部分学者通过仿真软件建立模型研究结构动态特性 ，葛媛媛[1] 等将结构有限元分析软件按Ansys 与机构动力学 仿真软件ADAMS相结合，建立塔式提升机 的仿真模型；王兴 [2] 等利用三维建模软件Pro/E 与ADAMS 建立折叠机构虚拟样机模型，仿真结果证明该机构是正确可行的；席瑞萍[3] 等利用ADAMS 建立了塔式起重机模型，并仿真得出了力、力矩等随时间变化的规律，进一步证明ADAMS 建模方法的可行性；Johan Wideberg[4] 等通过ADAMS 建立四轮电机电动汽车动力学模型，证明了模型的适用性。以上研究证明了建立刚柔耦合模型的可行性，考虑到仿真精度、建模时间等问题。

本文通过SolidWorks 建立塔机三维立体模型减少建模时间，利用Ansys 通过刚性区域的方法输出模型的模态中性文件快速准确建立柔性构件，最后基于ADAMS构建刚柔耦合的虚拟样机，并对回转工况仿真。

1 刚柔耦合虚拟样机构建思路

1.1 刚柔耦合虚拟样机 构建流程

以QTZ5613 型平头塔式起重机为研究对象，利用SolidWorks 软件、Ansys 软件和ADAMS 软件建立刚柔耦合的虚拟样机。刚柔耦合虚拟样机构建流程图如图1所示。

图1 刚柔耦合虚拟样机构建流程图

1.2 建模软件选择

本文基于ADAMS 软件建立虚拟样机，但其建模能力较弱，需要借助建模功能强大的三维建模软件。SolidWorks 软件具有强大的三维建模能力，可方便快捷地建立塔式起重机三维实体模型，并根据需要对模型的特征进行编辑和修改，与Ansys 软件建模 相比，可准确建模并节省大量时间。ADAMS 软件中ADAMS-FLEX模块只能将一些结构简单的构件柔性化，结构复杂的部

分则需要其他有限元 软件完成。Ansys 具有强大的网格划分能力，并与ADAMS 软件有对应的数据传输接口，可将生成的MNF 文件准确导入到ADAMS 软件生成柔性体。因此，本文采用SolidWorks 软件、Ansys 软件和ADAMS 软件相结合建立虚拟样机。

2 建立刚柔耦合虚拟样机

2.1 应用SolidWorks 软件建立实体模型

塔式起重机基本构件由塔身、回转机构、起重臂、平衡臂等组成，如果完全根据实体建模，建模过程较为繁琐且工作量较大，所以在不影响模型质心、转动惯量 以及仿真精度的前提下，根据构件结构尺寸进行简化设计，减少仿真时间和计算量。

2.2 实体模型导入Ansys 软件

将建立的实体模型导入Ansys 软件，以刚性区域法生成起重臂的柔性体模型，该方法操作简单，能快速生成柔性体。

1）导入和编辑模型 将SolidWorks 软件建立的三维立体模型保存为“x_t”格式，按照命令File>>Import>>Para 导入Ansys 软件。模型导入后，首先将模型以实体状态显示，根据命令Style>>Solid Model Facets 完成。然后根据模型比例变化进行长度单位换算，保证输出的文件导入ADAMS 后单位一致，通过选择模型Scale>>Volumes>>Pick All，分别将RX,RY,RZ Scale factors 数值扩大1 000 倍。最后添加模型材料，模型主要材料为Q345 低合金钢 ，以N、mm、kg、s 为单位时，密度为7.85×10-6、弹性模量为2.1×105、泊松比 为0.3。

2）模型网格划分和外连点的建立 首先确定使用单元Solid 185 单元和Mass 21 单元，Solid 185 单元用于模型的网格划分，Mass 21 单元用来划分节点和建立实常数 ，通过Element Type>>Add/Edit/Delete 添加。模型的网格划分 方法采用自由划分，划分时应保证模型为一体的，方便后期模态中性文件的输出，还要尽可能减少节点数量提高后期仿真速度。建立外连点需要添加划分单元Mass 21 单元、编辑外连点个数和计算坐标。根据命令Real Constants>>Add/Edit/Delete 添加Mass 21 单元并输入外连点个数，在一个连接关节处建立一个外连点，减少冗余约束，提高建模 和仿真速度。外连点位置通过周围节点的坐标计算得到，根据坐标建立Key points 并对其网格划分，依次根据命令Meshing>>Mesh Attributes>>All Key points 选择Mass 21 单元，在Mesh 条目下选择Key points 点击Mesh 完成外连点的建立，最后记录外连点和外连点处节点编号。

3）建立刚性区域和输出MNF 文件 以外连点为主节点，其周围节点作为从节点 ，分别建立主、从节点的Component 并组装Assembly，选择Assembly 下的主节点，然后点击box 框选所有从节点完成刚性区域的建立，其他位置的刚性区域按此方法完成。这里设定的刚性区域主要是针对节点，之前一系列的操作便是提出节点。刚性区域建立完成开始输出MNF 文件，输出前需要设置分析类型、抽取的模态数 和警告数目，需要注意警告数目设置一定要足够大避免与软件冲突。最后将所有Assembly 组合成一个，选择最后的Assembly 输出MNF 文件，模型输出后导入到ADAMS 提取模态振型 与Ansys 中的模态振型对比验证模型正确性。其他起重臂柔性体按此方法依次建立。

2.3 将实体和柔性体模型导入ADAMS 软件

通过SolidWorks 建立的整机实体模型以“x_t”格式导入ADAMS生成刚性体虚拟样机，此时构件的质量、材料、密度等都会发生改变，需要进行重新定义。虚拟样机建立后需要在构件与大地、构件与构件之间施加对应的约束副，主要包括固定副、旋转副 、接触副等，还需根据机构运动在对应约束副施加驱动函数 。

ADAMS 仿真过程中极易出现仿真错误，其中大部分原因是由于约束副、驱动函数施加不当造成结构自由度出现问题造成的，故在施加约束时需要根据构件运动选择适当约束副并注意施加顺序。有些约束在选择时还需要选择运动方向和约束位置，这里施加方法有两种：一种是在操作界面根据提示直接选择约束构件和约束位置并根据其具体运动确定约束方向，直接选择构件时虽然操作方便却容易选错约束构件或约束位置添加错误约束。另一种是借助菜单栏，通过点击鼠标右键弹出构件 或约束位置目录添加，为减少出错率一般选择第二种方法施加约束。刚性体虚拟样机编辑完成后建立钢丝绳，建立钢丝绳时，采用离散化 柔性建模方法，根据钢丝绳长度创建足够数量的小圆柱，在每个小圆柱之间施加轴套力连接，小圆柱和滑轮之间施加接触力[5]。

最后生成柔性体。塔身部分主要由结构简单的标准节 组成，施加约束后可直接利用ADAMS/View Flex 建立柔性体。起重臂柔性体通过Ansys 生成的MNF 文件导入到ADAMS 后建立，生成柔性体后还需进行初始位置、模态等的编辑，关闭冗余模态提高仿真效率。至此，刚柔耦合的塔式起重机虚拟样机建立完成。

3 回转工况仿真

将1.8 t 的货物在回转半径 20 m 处起升7 m 进行回转，回转速度 设置为4.2 rpm，仿真时间为35 s，整个过程为0 ～ 10 s 无驱动、10 ～ 19 s 驱动回转、19 ～ 35 s 无驱动，得到货物和起重臂端部在起重臂铅垂面内位移曲线 。货物起升7 m 时X、Y、Z 方向位移曲线如图2 所示。图2 中X、Y、Z 方向分别代表沿起重臂方向、起重臂铅垂面方向和垂直起重臂方向，分别用实线、虚线、点划线表示，起重臂端部在起重臂铅垂面内位移如图3 所示。

由图2 可知，在回转工况中，货物摆动主要在沿起重臂方向和垂直起重臂方向，在起重臂铅垂面方向受到回转惯性力影响较小，货物在该方向的摆动幅值 也较小。由图3 可知，10 s 后回转机构 开始回转，曲线围绕21580 mm 减幅波动，由于开始回转时起重臂端部受自重影响上下摆动，为减小误差15 s 时开始观察起重臂端部位移变化，得到波动幅值最大约250 mm，所以回转运动 对起重臂端部在起重臂铅垂面内振动影响较小。结果证明：回转运动对货物摆动的影响主要在沿起重臂方向和垂直起重臂方向，在起重臂铅垂面内的摆动影响较小，对起重臂端部在起重臂铅垂面内振动的影响也较小。

图2 货物在X 、Y 、Z 方向位移

图3 起重臂端部在起重臂铅垂面 内位移

4 结论

本文以平头塔式起重机为建模对象，详述了塔式起重机 刚柔耦合虚拟样机的建立过程，充分发挥了多刚体动力学和有限元的优势，通过SolidWorks 软件实体建模节省了大量的建模时间，刚性区域法的使用可以快速准确生成柔性体，提高了计算精度和准确度，为快速、准确的搭建虚拟样机提供了依据，通过对回转工况仿真，有效得到复杂运动中的位移、速度等运动参数曲线，准确反映系统运动过程和运动规律。

参考文献

[1] 葛媛媛，张宏基. 基于ADAMS 的塔式提升机柔性多体动力学仿真研究[J]. 制造业自动化，2018，40(5)：102-108，119.

[2] 王兴，朱亚军，殷晨波，等. 基于ADAMS 的快装塔式起重机起重臂折叠机构设计及仿真分析[J]. 起重运输机械，2016(10)：11-15.

[3] 席瑞萍，高崇仁. 基于ADAMS 的塔式起重机动力学仿真[J]. 中国重型装备，2009(4)：1-3.

[4] Johan Wideberg，Carlos Bordons，Pablo Luque，et al.Development and Experimental Validation of a Dynamic Model for Electric Vehicle with in Hub Motors[J].Procedia-Social and Behavioral Sciences，2014，160.

[5] 黄祥声，曾钦达. 基于ADAMS 的门座起重机 钢丝绳动力学仿真[J]. 起重运输机械，2012(7)：109-112.