基于柔性多體動力學(xué)的混凝土泵車臂架系統(tǒng)的建模與仿真.pdf

1、隨著我國經(jīng)濟建設(shè)步伐的加快，國內(nèi)商品混凝土行業(yè)和建筑機械業(yè)務(wù)的快速發(fā)展，施工規(guī)模以及施工范圍的不斷擴大，市場對混凝土機械的需求呈猛增勢態(tài)，帶動了混凝土輸送機械的高速發(fā)展，混凝土泵車的市場空間也得到了進一步擴大。目前混凝土泵車已經(jīng)成為現(xiàn)代建筑企業(yè)中不可缺少的建筑機械，對泵車臂架系統(tǒng)自動控制的研究，可以有效的提高施工質(zhì)量和泵車的工作效率。泵車的臂架是冗余自由度、強非線性、剛?cè)狁詈系亩囿w系統(tǒng)，它涉及了多體動力學(xué)以及控制、運動學(xué)逆問題、流體力學(xué)

2、等方面的問題。因此，對于泵車臂架系統(tǒng)的研究具有重要的理論價值和實際的工程意義。
　　 本文以混凝土泵車的臂架系統(tǒng)為研究對象，主要研究多體動力學(xué)尤其是柔性多體動力學(xué)理論在混凝土泵車澆筑自動化領(lǐng)域的應(yīng)用，重點是進行理論性的分析。對混凝土泵車臂架系統(tǒng)的運動以及控制、仿真方面作了細致的研究工作，具體的研究內(nèi)容包括以下幾個方面：
　　 (1)把混凝土泵車臂架系統(tǒng)看作一個開環(huán)的運動鏈，由一系列連桿通過轉(zhuǎn)動副串聯(lián)而成。開鏈一端固定在基

3、座上，另一端自由，從而完成泵車的澆筑動作?；诙鄤傮w動力學(xué)的理論，對臂架和液壓缸的運動分別進行分析，結(jié)合分析力學(xué)的相關(guān)理論，建立臂架系統(tǒng)的多剛體動力學(xué)方程，求解方程中的相關(guān)參數(shù)并仿真，研究剛性臂桿轉(zhuǎn)動角度的變化對臂架末端軌跡的影響。
　　 (2)隨著澆筑范圍的擴大，臂架朝著輕質(zhì)長臂桿的方向發(fā)展，很有必要考慮柔性變形對臂架運動軌跡的影響。基于柔性多體系統(tǒng)動力學(xué)的相關(guān)理論，假設(shè)各臂桿均為等截面歐拉梁，采用形函數(shù)的方式描述臂桿上任意點

4、的彈性變形，運用遞推列式和拉格朗日方程以及虛功原理，建立臂架系統(tǒng)的柔性多體動力學(xué)方程，對方程采用向后擴展的微分求解器求解并仿真，研究柔性變形對泵車臂架末端軌跡的影響。并與剛性臂桿的結(jié)論進行對比，分析兩種建模方法的優(yōu)缺點。
　　 (3)對泵車澆筑自動化進行研究。采用軌跡規(guī)劃和最優(yōu)控制相結(jié)合的方法對臂架系統(tǒng)的末端軌跡進行運動學(xué)逆問題的研究，得到臂架末端達到預(yù)期澆筑點時的最優(yōu)路線，作為PD控制方法的控制率期望值，結(jié)合前面建立的臂架系統(tǒng)

5、動力學(xué)方程，分別建立泵車剛性臂架系統(tǒng)的控制動力學(xué)方程和柔性臂架系統(tǒng)的控制動力學(xué)方程。采用數(shù)值迭代的算法對方程求解并仿真，分析臂架系統(tǒng)PD控制的精度和末端軌跡的變化。此方法是基于系統(tǒng)的精確數(shù)學(xué)模型，把PD控制率直接加到液壓閥上，控制臂桿液壓缸的驅(qū)動力，對每個臂桿的液壓系統(tǒng)進行獨立的閉環(huán)控制，最后形成臂架以及液壓系統(tǒng)整體的開環(huán)控制，研究控制的精度和控制的實時性，即建立泵車臂架系統(tǒng)的完備動力學(xué)方程。
　　 (4)分析了泵車輸料管中混凝

6、土砂漿的流動對泵車臂架的振動影響，由于混凝土砂漿不是單一流質(zhì)，可以簡化為固液兩相流問題。通過對輸料管道和漿體單元進行受力分析，建立輸料管道的運動微分方程，結(jié)合固液兩相流的質(zhì)量、流量和壓強的相關(guān)公式，建立了混凝土砂漿在輸料管道中流動的固液兩相流動方程。
　　 (5)采用ADAMS軟件分別建立泵車臂架系統(tǒng)的剛性仿真模型和柔性仿真模型，剛性模型的建立簡化了部分結(jié)構(gòu)，各臂桿以及液壓缸部分均采用鉸接的方式連接。柔性模型是在剛性模型的基礎(chǔ)上