軌道起重機高保真動力學模型建立和模擬

準二級動力學模型能說明什麼

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軌道式起重機簡介

軌道式起重機是指在沿地面鋪設的軌道上行駛，轉移作業場地時要拆卸和重新安裝的執行式迴轉起重機。有塔式起重機、門座式起重機等種類，廣泛應用在多個工業領域生產和作業中，如港口、製造廠房等。

軌道式起重機產品結構有以下特點：

（1）車輪軌道行駛。起重機的大小車都是行駛在軌道上，車輪與軌道之間的輪軌接觸直接承載作業載荷，其行駛效能直接影響起重機的作業效能。

（2）鋼絲繩傳動。起重機提升機構通常使用的是鋼絲繩傳動。捲筒轉動時，吊鉤隨鋼絲繩在捲筒上的纏繞或放開而上升或下降。

（3）齒輪傳動。起重機是透過電機驅動和控制。在大車移行機構、小車移行機構以及提升機構中都包含電機，電機經齒輪減速器驅動作業部件。

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軌道式起重機多體動力學模擬現狀

軌道式起重機最重要的是要保證產品作業時安全、可靠。因此，在產品研發時，大部分企業都使用有限元模擬分析技術對產品進行剛度、強度校核，計算部件的安全係數，以保證產品的安全。

也有一些工程師和科研人員對起重機系統進行多體動力學建模和模擬分析，不過建立的模型比較簡化，無法精確模擬軌道式起重機的效能，其主要原因是無法建立軌道式起重機相關部件精確的多體模擬模型，具體為：

（1）輪軌接觸模型。軌道式起重機的特點之一就是車輪和軌道之間的輪軌接觸。之前的模擬案例通常使用幾何體實體接觸方法來模擬輪軌接觸問題，該方法模擬精度不夠，接觸力波動較大，無法精確模擬輪軌之間非常平穩的接觸關係。

（2）齒輪齧合模型。軌道式起重機中包含多個齒輪減速器，齒輪減速器模型的精度會影響起重機的傳動精度。之前的案例通常是使用幾何體實體接觸方法（不能考慮齒輪時變剛度因素）或者簡化的齒輪齧合方法（不能考慮齒輪修形等因素）來建立齒輪傳動模型，無法精確模擬減速器齒輪傳動的效能和特徵。

（3）鋼絲繩模型。鋼絲繩建模和模擬一直是多體模擬建模的難點，很常見的方法是採用離散剛體方法模擬鋼絲繩，這種方法建模工作量大，一般是高階工程師使用指令碼程式設計方法來實現，不適用於初級工程師；另一種方法是，工程師為了快速實現起重機建模，直接採用剛體部件來模擬鋼絲繩，不能考慮鋼絲繩的柔性，與實際相差很大。

由於存在上述三個方面的問題，目前軌道式起重機多體模擬分析的結果與實際有很大差距，無法解決產品的實際問題，不能實現“模擬驅動設計”，導致很多企業和科研單位對該產品的多體模擬較少，甚至有些企業根本就不對軌道式起重機進行多體系統分析。這樣，企業不能建立產品“虛擬樣機”，無法從系統級角度對產品進行評估和最佳化，導致企業產品研發效率低下，無法形成企業自己的核心“知識”。

為了解決上述問題，建立精確的軌道式起重機多體系統模擬模型，下面為大家介紹一款專家級的多體模擬軟體Simpack。

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Simpack軟體簡介和技術優勢

Simpack是專家級機電系統運動學/動力學模擬分析軟體，是世界上第一款採用完全遞迴演算法、利用相對座標系建立模型的多體動力學軟體。

Simpack軟體可以用來模擬模擬現實世界中任何的機械/機電系統，從僅僅只有幾個自由度的簡單系統到複雜系統，都能利用Simpack軟體進行模擬模擬。可以應用到產品概念設計、詳細設計、試驗研究、故障診斷以及產品維護的全生命週期內。

Simpack軟體特點和技術優勢：

先進的求解器解算技術，採用完全遞迴演算法和相對座標系，具有求解速度快、適應性強、穩定性好、精度高等特點

採用嚴格的拓撲檢查和拓撲劃分最佳化技術，保證系統微分狀態方程的數量最少，並能解決系統自由度的冗餘問題

採用引數化、子結構建模技術，尤其適用於複雜系統的建模分析，保證統一的模型結構

專業的接觸模擬技術，特別適合模擬齒輪接觸和輪軌接觸問題

精確的高頻分析能力，達到聲學領域

具有強大的實時模擬功能，支援硬體在環（HiL）、軟體在環（SiL）、人在環（MiL），不用將動力學原始碼輸出即可實現HiL實時模擬

多學科整合動力學模擬平臺，具有靈活、方便的資料介面，快速實現聯合模擬

提供豐富行業經驗的專業化模組

Simpack專家級的多體模擬技術已經成功應用在賓士、寶馬、捷豹路虎、卡特彼勒、西門子、GE、博世、中車等高階使用者，幫助使用者實現高質量的產品研發。

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impack軌道式起重機多體模擬解決方案

Simpack領先的輪軌接觸模擬技術已經廣泛應用在國內外機車車輛研發中，積累的大量經驗非常適合軌道式起重機的建模和模擬。

（1）輪軌接觸建模和模擬

Simpack有專業的輪軌接觸模組用於鐵路行業輪軌接觸高保真模擬，使用該模組需要一定的鐵路背景和行業知識。對於軌道式起重機模擬，建議使用通用的輪軌接觸方法建模，操作簡單，使用方便。

Simpack提供198凸輪接觸（CamContact）力元用於輪軌接觸建模。該力元透過赫茲理論的離散拓展使用離散彈性接觸方法描述非橢圓接觸斑 。

該力元採用離散彈性接觸方法（DEC），透過赫茲理論的離散擴充套件來描述非橢圓接觸斑。利用掃掠體（如凸輪）的週期性評估多個接觸斑的尺寸。採用離散化方法對非橢圓接觸區的實際形狀進行預測。該掃掠體可以使用下面的幾何體型別建立，為2： Cylinder， 6： Sweep， 7： Rotational Body。

使用該力元進行接觸模擬，除了可以得到接觸力/力矩，還能得到法向/側向接觸力、接觸斑數量、接觸斑的面積、滑移、接觸表面應力等詳細接觸資料。下圖為兩個凸輪之間的法向接觸應力視覺化顯示。

對於軌道式起重機的輪軌接觸建模，首先需要在Simpack中使用幾何建模工具分別建立軌道和車輪的幾何體。

然後在軌道和車輪幾何體之間施加198凸輪力元，其引數設定如下圖所示。

摩擦型別為幹滾動（Dry rolling），選擇接觸的兩個幾何體以及材料特性，設定阻尼係數和摩擦係數。注意：這裡不需要設定接觸剛度，接觸剛度是該力元根據材料屬性自動計算。材料屬性的設定如下圖所示，設定的引數都是材料的基本效能引數。

接觸剛度數值對接觸模擬的影響很大，之前有很多使用者由於無法設定準確的接觸剛度導致模擬結果不正確。而使用這種建模的好處是不需要使用者直接設定接觸剛度資料，而是透過材料效能透過解析方法計算得到，減少了使用者的工作量，且能保證模擬結果準確。

由於該接觸力元使用的是解析法，因此模擬速度很快且穩定。

（2）齒輪傳動建模和模擬

Simpack具有強大齒輪建模和模擬功能，能透過輸入引數直接建立直齒輪、斜齒輪、錐齒輪、準雙曲面齒輪等型別齒輪，能考慮齒輪的宏觀和微觀幾何，包括齒廓/齒向修形和齒距誤差。

Simpack具有專業的齒輪齧合力元，透過“切片”方式模擬齒輪齧合效能，透過設定的齒輪部件的材料效能計算齒輪的齧合剛度，並能考慮時變剛度。

Simpack強大的齒輪功能已經在汽車變速箱、風機齒輪箱、通用機械中得到大量應用。ZF（採埃孚）、Winergy（威能極）、Voith（福伊特）、南高齒等一流企業都是Simpack齒輪模擬使用者。

為了建立軌道式起重機的齒輪減速器模型，在Simpack齒輪幾何體建模對話庫中輸入相關的引數，包括模數、壓力角、變位係數、齒數等，在輸入引數的過程中可以在對話方塊左側預覽該齒輪的相關資料。

齒輪的幾何外形建立完成後，需要在兩個齧合齒輪之間施加齒輪接觸力元（225力元），該力元支援DIN3990和Weber/Banaschek兩種解析方法。透過設定的楊氏模量和泊松比計算齒輪齧合的時變接觸剛度。具有計算速度快、結果準確、輸出結果資料多等特點。設定的引數如下圖所示。

建立好的軌道式起重機小車齒輪傳動系如下圖所示。透過Simpack求解器的高頻分析功能，除了能進行動力學分析外，還能對該傳動系進行NVH振動噪聲分析。

（3）鋼絲繩建模和模擬

Simpack具有獨特的Simbeam離散梁模組，透過Euler Bernoulli 和 Timoshenko兩種梁單元型別，能建立線性和非線性離散梁模型。使用該功能可以不借助其他第三方有限元軟體，透過輸入引數快速建立傳動軸、穩定杆、葉片等柔性體模型。

透過Simbeam可以建立鋼絲繩模型，下圖為在Simpack中使用Simbeam建立的鋼絲繩纏繞過程模擬模擬。

對於軌道式起重機可以簡化鋼絲繩纏繞狀態，只建立鋼絲繩吊裝重物進行移動模擬即可。在Simpack的Simbeam對話方塊中直接輸入離散點座標，以及梁型別、截面形狀等引數即能快速建立鋼絲繩模型。而且該鋼絲繩是引數化建模，易於修改。

為了方便在上面的對話方塊中快速輸入引數，可以在Excel表格中定義好後直接複製到該對話方塊中，大大加快了建模效率。

建立的兩根鋼絲繩吊裝重物模型如下圖所示。

以上詳細介紹瞭如何使用Simpack建立軌道式起重機高保真動力學模擬模型的主要技術和建模方法。同時，利用Simpack的匯入幾何體、鉸接約束、力元連線、激勵等功能，即能建立完整的軌道式起重機動力學模擬模型。

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演示模型和總結

使用上述的方法，在Simpack中建立一個簡化的軌道式起重機動力學模型，包含8個輪軌接觸，2根鋼絲繩吊裝重物。

對其進行時域分析後在後處理中檢視結果，如下圖所示。左側圖是整體圖，可以觀察到整體系統的運動情況以及鋼絲繩柔性體的變形雲圖，右圖是其中一個的輪軌接觸模型，可以觀察到車輪相對軌道的側向相對運動情況以及接觸應力雲圖。

模擬動畫過程為下圖所示。

當然，模擬完成後，所有的資料和曲線都可以檢視並匯出，這裡不再作介紹。

透過本文的介紹，可以瞭解並清楚Simpack軌道式起重機動力學模擬解決的技術優勢，即：求解器高效穩定、建模工具專業豐富、前後處理簡單方便。

使用Simpack，可以建立軌道式起重機真正的“虛擬樣機”，從整體和區域性角度對產品進行模擬、評估、最佳化，幫助企業實現技術創新和核心技術突破，確立產品在市場競爭中的領先地位。