基于Adams的剪式稳定架刚柔耦合分析

朴永灿 黄大巍 韩忠田 于广利 李天

摘要：采用CATIA对剪式稳定架系统进行三维建模，基于ANSYS和Adams建立刚柔耦合动力学模型。考虑剪式稳定架的柔性特征，对刚柔耦合模型升降过程的3种工况进行动力学仿真分析，得到运动过程中剪式稳定架应力分布规律、连接铰点力和接触力。分析方法和结论可指导剪式稳定架的设计。

关键词：剪式稳定架; 刚柔耦合; Adams; 动力学仿真

中图分类号：TH122

文献标志码：B

Rigidflexiable coupling analysis of scissor stabilizer

based on Adams

PIAO Yongcan1 HUANG Dawei1 HAN Zhongtian2 YU Guangli1 LI Tian1

（1. MMI Planning & Engineering Institute Ⅸ Co. Ltd. Changchun 130011 China;

2. Intesim（Dalian） Co. Ltd. Dalian 116023 Liaoning China）

Abstract：

The three dimensional structural modeling of scissors stabilizer is built by CATIA. The rigidflexible coupling model is established based on ANSYS and Adams. The dynamic simulation analysis of rigidflexible coupling model on three lifting conditions is carried out considering the flexibility of scissors stabilizer. The stress distribution regular joint force and contact force of scissors stabilizer are obtained. The analysis method and conclusion can guide the design of scissors stabilizer.

Key words：

scissors stabilizer; rigidflexiable coupling; Adams; dynamic simulation

0 引 言

剪式稳定架系统常用于汽车车身输送线，可实现车身的升降与运输。剪式稳定架系统实物见图1。其上框架布置2台电机，通过皮带带动下框架和吊具，实现升降。在实际运行过程中，由于存在升降皮带安装轮安装相位偏差、皮带缠绕驱动轮运行过程旋转半径波动、皮带不等长等因素，造成下框架倾斜。在升降过程中，由于运动不平衡，4根剪式稳定架可能产生较大的作用力，存在安全隐患。[13]因为采用多刚体系统计算会产生卡死现象，所以对剪式稳定架进行柔性化处理，从而得到刚柔耦合的多体系统，然后进行动力学仿真分析，预测剪式稳定架的受力情况，为产品设计和优化提供参考。

1 刚柔耦合虚拟样机的建立

1.1 刚体模型的建立

CATIA具有强大的曲面设计功能，在航空航天、汽车和轮船等设计领域应用广泛。采用CATIA

对剪式稳定架系统进行三维建模，整个系统包括吊具及工件、下框架、剪式框架、上框架、小车机构和导轨等。根据相关图纸进行装配，针对整体模型进行干涉检查，在保证零件不存在干涉的基础上，导出为parasolid格式模型，再导入Adams中进行分析。

1.2 柔性体模型的建立

Adams有3种建立柔性体的方法：（1） 利用Adams中的柔性梁连接;（2） 先利用其他有限元分析软件将构件离散成细小的网格并进行模态计算，然后将计算得到的模态保存为模态中性文件（.mnf），直接导入Adams中建立柔性体;（3） 利用Adams/AutoFlexible模块直接建立柔性体。[46]本文先用ANSYS分别建立4个剪式框架的有限元模型，并对其进行网格划分;然后进行模态分析，得到其前10阶模态;最后导出Adams所需的中性文件（.mnf）。

1.3 刚柔耦合模型的建立

将刚体模型和柔性体模型分别导入Adams中，把无相对运动的吊具及工件和下框架作为一个刚体，剪式框架分别为4个柔性体，上框架和小车机构作为大地件处理。各部分根据实际连接关系添加转动副、球铰副和接触等连接，形成刚柔耦合虚拟样机模型[710]，见图2。剪式框架与下框架、剪式框架与上框架、剪式框架各部分之间通过关节轴承连接，在Adams中可以用球铰副模拟。剪式框架与小轮通过普通轴承连接，采用转动副模拟。剪式框架的4个小轮与上下框架轨道之间建立接触连接。小轮和框架轨道材料均为钢，两者之间为滚动摩擦，摩擦因数设置为0.03。

2 动力学仿真分析

2.1 仿真模型运动函数定义

剪式框架初始位置为全伸展姿态。在上升运动时，首先在1 s时间内框架由静止加速至10 m/min，然后匀速运动保持26 s，最后在1 s时间内由10m/min减速至0，此时剪式框架总行程为4.5 m，运行结束为全收缩姿态;在下降运动时，先在1 s时间内框架由静止反向加速至10 m/min，然后保持匀速运动26 s，最后在1 s時间内由10 m/min减速至0，此时剪式框架又回到全伸展姿态。整个升降过程运行总时间为56 s。描述升降过程采用Adams软件函数库中if和step函数：

2.2 仿真分析和結果

根据试验数据，剪式框架由全伸展状态运行至全收缩状态产生的最大偏移为10 mm。设定车头方向为前、副驾驶侧为左，考虑框架上升速度为前快后慢、前慢后快和左快右慢3种工况，对其进行动力学仿真分析。

2.2.1 前快后慢工况

在前快后慢工况下，剪式框架运行至最顶端时的应力最大，此时各框架的应力云图见图3，运动过程剪式框架某铰点的受力曲线和小轮与轨道的接触力曲线见图4。

2.2.2 前慢后快工况

在前慢后快工况下，剪式框架运行至最顶端时的应力最大，此时各框架应力云图见图5，运动过程剪式框架某铰点的受力曲线和小轮与轨道的接触力曲线见图6。

2.2.3 左慢右快工况

在左慢右快工况下，剪式框架运行至最顶端时的应力最大，此时各框架的应力云图见图7。运动过程剪式框架某铰点的受力曲线和小轮与轨道的接触力曲线见图8。

综合对比3种工况可知，刚柔耦合仿真分析不仅可以准确地得到剪式框架的应力分布，还可以得到各铰接处的受力情况，以及小轮与轨道的接触力。3种工况下剪式框架的应力结果汇总见表1。

3 结束语

通过刚柔耦合动力学分析，可以得到3种工况下剪式框架运行过程中应力的实时变化情况，以及连接铰点和滚动小轮的受力情况。分析结果

可以指导剪式框架的设计，解决采用多刚体计算卡死的问题。仿真结果为剪式稳定架的设计和优化提供参考。

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