港机虚拟样机动力学仿真分析

样机 模型 。借助 Ａ ａ 对虚 拟样机 的金属结 构 、大车 、小 车 、起 升机 构等关键 部件进 行了多 ｄ ｍｓ
种 工况 的模 拟试验 。得到 了港机工作过 程中各主要部件 的动力学数据 ，为 实现 港机的动态设计
提供 了重要的参考依据 。
关键 词 ：港 口桥 式起重机 ；虚拟样机 ；非线性动力学 ；数值 仿真
Ｔ ｄＯ （
其 中Ｋ 刚度 系数 ； △一 碰 撞 物 体变 形 量 ，或 一 者 为 侵入 深 度 ；Ｅ 渗 透 深 度 的指数 ，简称 刚性 指 一 数 ；Ｄ一 阻尼 系数 ；６ 两 个物 体 的相对 速 度 。 一 用阶 跃 函数ｓ ｐ函数 表 示黏 性 阻尼模 型 ，其 阻 ｔ ｅ 尼 系数 的 计算 公式 为 ：
分 别为 两物体 材料 的泊松 比：Ｅ ，Ｅ 分 别为 两接 触 。
物 体材 料 的杨 氏模量 。
式 中Ｃ 风 力 系数 ， 风 力 系数 表 可 查 阅 有 关 厂
手册 ；Ｖ 一 设 计 风 速 ，初 步 设 计 时 取２ ｍ／；Ａ ０ ｓ 一
结 构 部 分 有 效 迎 风 面 积 。 风 载 荷 方 向 的 确 定 采 用Ａｄ ｍｓ 供 的Ｓ ＧＮ函数 ， 其 格 式 为 Ｓ ＧＮ（ ， ａ 提 Ｉ Ｉ Ｘ１
Ｘ２ ， 是 个 符 号 函数 。 当Ｘ ） ０ ，Ｓ ＧＮ函 数 返 时 Ｉ 回 的 值 为 Ｘ１ 当 Ｘ， ０ ， Ｓ ＧＮ函数 的 返 回 值 ； ＜ 时 Ｉ
为一 。 Ｘ１
１ 多刚体系统动力学方程 ． ３
运 用 拉 格 朗 Ｅ 方法 ，建 立 钢 丝绳 以外 的其 他 ｔ 部 件 的多 刚体动 力 学模 型 。
Ｐ ：６
厂 ．
１２ 风 载荷 ．
港 机 一 般 都 是 在 港 口 、 码 头 露 天 环 境 下 作
１ ６ＲＥ
—
Ｋ５
（） ８
业 ，通 常 没 有 很 好 的 防 风 措 施 。因 此 ，很 容 易 受
到 风 载 荷 因 素 的 影 响 ，所 以 设 计 港 机 时 风 载 荷 是
的 钢 丝绳 和风 载 荷 的 动 力 学 行 为 ，构 建 了 更 贴近
工 程 实 际 的钢 丝绳 及 风 载 荷 参 数 化 模 型 。在 此 基 础 上 ，借 助Ａｄ ｍｓ 次 开发 接 口及 其参 数 化 建模 功 ａ 二 能 ， 完 成 了 在 有 风 工 况 下 港 机 金 属 结 构 、 大 车 系
Ｖ
９
． 、一１
式中Ｒ Ｉ ＋１ ， Ｒ分别为两 ＝ １ 】 Ｒ和 接触物体
Ｉ ２
／ １ １ 、 一１
不可 忽略 的 重要 因素 ，风 载 荷可按 下 式计 算… ：
１ Ａ ｑ Ｃ ＼＝ ｘｘ ｓ Ｆ
ｑ＝０６ ３× ．１
（） ３
在 触 的 触 径 ＥｌＩ与 ； ： 接 点 接 半 ； ＝ ～＋ ｌ ＼ 一／ ２ ，
０ Ｏ
０
数 化 ，实 现 了港机 虚 拟 样机 的模 拟 实验 。
０ Ｏ Ｏ
０ ０ ０
机 吊物 位 置 偏 摆 的模 糊 逻 辑 控 制 器 ，使 系统 工 作 性 能 更 稳 定 。喻 艳 、苏 晴 、 卢 耀祖 、徐 杰 分 别 利 用 Ａｄ ｍｓ ａ 、ＡＮＳ 、Ｓ ｌ Ｗ ｏｋ 等 分 析 软 件 ＹＳ ｏｉ ｄ ｒｓ 建 立 了 相 应 的岸 桥 样 机 模 型 ，并 在 应 力变 化 、 动 载 荷 等 方面 做 了大 量研 究 。 目前 虚 拟 样 机 在 港 机 的 应 用 主 要 是 利 用 专 业 三 维 建 模 软 件 建 模 ，或 者 再 利 用 专 业 有 限 元 分 析 软 件 生 成 柔 性 体 ， 最 后 将 其 导 入 到 软 件 模 型 中添 加 约 束 进 行 动 力 学 计 算 分 析 。但 此 方 法 只 能 针 对
（） ４
假 设 两个 物体 发 生碰 撞 ，则其 法 向接 触力 Ｆ可
用下 式表 示 ：
Ｆ ＝ ＋ Ｋ６ Ｄ６
方 程 虽然 是 最 大 数 量 ，但 却 是 高 度 稀 疏 耦 合 的 微
分 代 数 方 程 ，适 用 于 稀 疏 矩 阵 的 方 法 高 效 求 解 。 由此建 立 系统动 力学 方程 ：
ｚ Ｘ， Ｚ 向 的初始 值 。 一 Ｙ，方
轴 套 力相 关 参数 按照 下 式确 定 ：
收 稿 日 期 ：２ １ —１－１ ０１ ０ ０ 作 吉简介：孙首群 （ ９ ４ １６ 一），男 ， 河南郑州人 ，副教授 ，博 士 ，研究方 向为机 电装备温度控 制及轴承转子 系统动 力学 。 【 ８ 第 ３ 卷 ２】 ４ 第５ 期 ２１－ ５上 ） ０２０ （
式 中 ： Ｋ 一 拉 伸 刚 性 因 子 ；Ｋ２、Ｋ 一 剪 切 ２ 刚性 因子 ；Ｋ 一 扭 转 刚性 因子 ：Ｋ 、Ｋ 一 弯 曲 刚性 因 子 ；Ｅ 、Ｇ一 钢 丝绳 的 弹 性 模 量 和 剪 切 模 ｒ
量 ：Ａ、Ｄ、Ｌ 钢 丝绳 的截 面 积 、直 径 以及 钢 丝 一 绳 每 段 长 度 ；Ｉ 每 段 钢 丝绳 的 惯 性 矩 。拉 伸 阻 尼 一 因子 对 系统 运 动性 能影 响 不 大 ，可 以 采 用 默 认 参 数 。扭 转 阻 尼 因 子 对运 动 影 响 不 可 忽视 ，根 据 情
采 用 刚体 Ｂｉ 质 心 笛 卡 尔 坐 标 和 反 映 刚 体 方 的
位的欧拉角作为广义坐标，即ｑ ： Ｙｚ ｅ ［，，， ， ， ，
ｇ＝［ｒｇ ， ，ｒ 。每 个 刚 体 用 ６ 广 义 坐 标 描 ｑ ， ：… ｑ ］ Ｔ 个 述 。 由于 采 用 了非 独 立 的广 义 坐 标 ， 系统 动 力 学
在 Ａｄ ｍｓ 可 以 用 Ｉ ＡＣ ａ 中 ＭＰ Ｔ函 数 来 实 现 该 模
式 中 ：卜 系统 动能 ；ｑ 系统广 义坐标 列 阵： 一 Ｑ 广 义 力列 阵 ； ｐ一 对 应于 完 整约 束 的拉 氏乘 子 一 列阵 ； 一 对应于 非完整 约束 的拉 氏乘子 列阵 。 （ 式 中 （ ｔ ＝０为 完 整 约 束 方 程 ， ９） ｑ， ）
ＳＵＮ Ｓｈ ｕ ｑｕ ｏ — ｎ， ＣＵｌ ， Ｙ Ｙｉ ＡＮＧ ａｎ Ｆ
（ 上海理工大 学 摘
机械工程学 院，上海 ２ ０ ９ ） ０ ０ ３
要 ：本文研究了港机结构与动态特性 ，分析了钢丝绳 等关 键部件 及风载荷的动 力学行为 ，以前伸距、
后伸距 、大 车轨距 、小车轨 距 、联系横梁 下净空高 、前大梁总长 、后大梁总长 、门架净空 高、 左右海 陆立 柱中心距 、梯 形架高 、梯形 架宽、车轮半径等主 要参 数为基础 ，构建了港机的虚拟
务ｌ
訇 化
港 机虚拟 样机动 力学仿真分 析
Ｄｙｎ ａｍ ｉ ｍ ｕｌ ｉ ｃｓ ｓｉ ａｔ ｏｎ ａｎａｌ ｉ ｙｓ ｓ ａｂｏｕｔ ｖｉ ｔ ｒ ｕａｌｐｒ ｏｔ ｏｔ ｙｐｅ ｆ ｑｕａｙｓｉ ｏ ｄｅ ｃｏｎｔ ｎｅｒｃｒ ａｉ ａｎｅ
孙首 群 ，崔 熠 ，杨 凡
Ｏ
Ｍａｏ ｄ 立 了起 升 机 构 的 多绳 动 力 学 模 型 ， 采 用 ｓｕ 建
延 时 反 馈 控 制 技 术 对 其 进 行 控 制 研 究 并 取 得 了 良
好 效 果 。Ａ． Ｌ ｕ ｎ等开 发 了一 种 用于 控制 起 重 Ａ ｏ ａｉ
０
Ｏ
统 、 小 车 系 统 、 起 升 机 构 等 部 件 的 动 力 学 行 为 参
本 文 在 前 人 研 究 成 果 的 基 础 上 ，全 面 分 析 了 港机 工 作 特 性 ， 特 别 是 现 有 研 究 成 果 中相 对 薄 弱 式 中：， ＦＴ一 力和 力矩 ；Ｒ ０ ， ，一 两 构件 之 ， Ｖ 间的 相对 位 移 、转 角 、速 度 、角速 度 ；Ｋ Ｃ 刚性 ，一 和 阻 尼 系数 ；下 标ｘＹｚ Ｘ， Ｚ 向 ；下标 ｘ ， ０ ，， — Ｙ，方 ０ ｙ，
特 定 型 号 特 定 尺 寸 的 模 型 进 行 分 析 ， 当 需 要 更 改 模 型 中任 何 尺 寸 时 ，必 须 重 新 建 模 ， 费 时 费 力 ， 而 且 无 法 进 行 优 化 设 计 ，所 以难 以 改 进 模 型 ，更 无 法 实 现 自动 化 分 析 ， 因此 存 在 很 大 局 限 性 。现
Ｄ＝ｓｅ ｔ ｐ（６， ， ， Ｃ） ０ ０ ｄ， （） ５
∞
］ 厂 ｐ Ｑ Ｔ （ ： 。
（） ９
式 中 ：Ｃ 最 大 阻 尼 系数 ，用 于 表征 接 触能 量 一
损 失 ；Ｄ 使 阻 尼达最 大值 时 的侵 入深 度 。 一
（ ， ： ｐ ｆ ０ ） ０ ｇ ， ＝０ （， ｆ ）
况取 １ １ 之 间 的数值 。 －０
杨 氏模 量 、泊 松 比推 导 出适 合 冲 击 模 型 的 接 触 刚 度 系数 与 刚 度指 数 。以两 个 球 体 的接 触 为例 ， 据 根
赫 兹 弹性 接 触 理论 ， 触面 为 圆球 面 时， 向接 触 力 接 法 Ｐ 与变形 ６ 间有如下 关 系： 之
０ Ｏ Ｏ Ｏ
Ｏ
Ｏ
Ｏ ０
０
Ｏ Ｏ ０
力 果 对钢 丝 绳 建 模 的 简化 也 削 弱 了其 工 程 意义 。此 外 ，除 文 献 ［Ｏ 模 拟分 析 了 风载 荷 下 港机 １］
的 动 态 性 能 外 ，其 他 研 究 多数 都 忽 略 了实 际 中 的 风 载 荷 对 系统 工 作 性 能 的影 响 ， 因 而 未 涉 及 风 载 荷 作 用 下港 机 的动 态 响 应 。
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訇 化
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（ ２ ）
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