工程机械臂系统结构动力学分析

工程机械臂系统结构动力学分析

发表时间：2019-06-18T10:03:50.107Z 来源：《科技新时代》2019年4期作者：张雷[导读] 工程机械臂架系统是工程机械设计的核心，优秀的设计对整个工作、生产都有极大的帮助。

安徽省矿业机电装备有限责任公司 235000 摘要

“十三五”以来，我国的机械制造业迅猛发展，自主创新能力不断提升，对国民经济的发展有这深远的意义。工程机械的作业环境恶劣，结构复杂，吨位大，技术是发展的关键。工程机械臂架是大型机械设计的关键，其合理性直接影响到机械的作业精准性。目前的技术下，各种工程机械臂灵活、高效，但复杂的工作环境很大程度上制约了其工作性能。因此，本研究对提升工程机械臂系统有着重大的意义。

关键词：工程机械臂，多体动力学，等效单元，动态优化一、理论概述

（一）多体动力学

多体动力学包括刚体系统动力学和柔体系统动力学。

图1 多刚体系统与多柔体系统关系（二）工程机械臂

工程机械臂架系统是工程机械设计的核心，优秀的设计对整个工作、生产都有极大的帮助。根据本人查阅的相关资料，目前的研究主要有以下几个方面：

（1）工作机械臂系统的动力学微分方程建模该系统采用多体动力学的方法加墨，常用的方法有牛顿-欧拉方法、拉格朗日法等。（2）动力学仿真

采用动力学分析软件进行仿真，求解数值。常用软件有：MATLAB、Adams、ANSYS。（3）模态分析

机械结构的动态特征是通过振动模态参数判断的，包含了各阶频率、阻尼等。通过模态分析，得出各阶固有频率，对系统振型分析，得出优化结构设计。

（三）本研究对经济建设的意义“十三五”以来，我国的机械制造业迅猛发展，自主创新能力不断提升，对国民经济的发展有这深远的意义。工程机械的作业环境恶劣，结构复杂，吨位大，技术是发展的关键。工程机械臂架是大型机械设计的关键，其合理性直接影响到机械的作业精准性。目前的技术下，各种工程机械臂灵活、高效，但复杂的工作环境很大程度上制约了其工作性能。因此，本研究对提升工程机械臂系统有着重大的意义。其次，我国经济飞速反正，大型机械设备的租赁业务迅速萌芽，市场对工程机械的的需求急剧上升。市场大环境也为工程机械产品的革新提供了肥沃的土壤。

二、工程机械臂系统结构动力学分析多体动力系统对大型机械设备的意义重大，多体系统中包含了多刚体系统和柔性多体系统。机械臂的建模方法主要有牛顿-欧拉方法、凯恩方法等。工程机械臂动力学建模的等效有限元方法，是指用等效单元替代系统部件，从而代替真实运动系统。它可以大大减少人力分析工作。

（一）等效单元

将机构划分为多个单元，用集中质量和惯量表示。在任意外力作用下，有相同的运动状态。如果满足以上条件，广义惯量阵与原义无差别，则可以保证等效集中质量。构造单元的质量阵，其实并未真实分布，称为伪质量阵。（二）伪质量矩阵

对系统分析时，采用齐次坐标描述。

三、工程机械臂结构动态优化设计

随着计算机技术的不断发展，机械CAD/CAE在结构动力优化设计中的应用越来越广泛。工程实际应用中，机械结构经常会产生损伤，所以静态强度结构优化设计远远达不到现有的需求。动态优化设计主要涉及到计算机技术、优化算法、动态设计等。优化是指避免过度震动，提高结构稳定性。根据实际要求，结合相对应模型，将各种设计方案融入到优化方案中。

工程机械臂工作是，频繁进行各种运动，使机械臂精度降低，达不到原负载能力。改进其动态性能，可以增加工作的稳定性。实际工程中，采用有限元法，设计变量，寻求最优解，提升动态性能。

图3 结构变量化动态设计

参考文献

[1]工程机械臂系统结构动力学及特性研究[J]. 孙敦元. 中小企业管理与科技(下旬刊). 2017(01)

[2]考虑助力器动力学的舵系统结构非线性颤振特性分析[J]. 许行之,高亚奎,章卫国. 西北工业大学学报. 2015(03)