基于柔性多體動(dòng)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(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)步伐的加快，國(guó)內(nèi)商品混凝土行業(yè)和建筑機(jī)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(kuò)大，市場(chǎng)對(duì)混凝土機(jī)械的需求呈猛增勢(shì)態(tài)，帶動(dòng)了混凝土輸送機(jī)械的高速發(fā)展，混凝土泵車的市場(chǎng)空間也得到了進(jìn)一步擴(kuò)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(jī)械，對(duì)泵車臂架系統(tǒng)自動(dòng)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(qiáng)非線性、剛?cè)狁詈系亩囿w系統(tǒng)，它涉及了多體動(dòng)力學(xué)以及控制、運(yùn)動(dòng)學(xué)逆問(wèn)題、流體力學(xué)

2、等方面的問(wèn)題。因此，對(duì)于泵車臂架系統(tǒng)的研究具有重要的理論價(jià)值和實(shí)際的工程意義。
　　 本文以混凝土泵車的臂架系統(tǒng)為研究對(duì)象，主要研究多體動(dòng)力學(xué)尤其是柔性多體動(dòng)力學(xué)理論在混凝土泵車澆筑自動(dòng)化領(lǐng)域的應(yīng)用，重點(diǎn)是進(jìn)行理論性的分析。對(duì)混凝土泵車臂架系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)以及控制、仿真方面作了細(xì)致的研究工作，具體的研究?jī)?nèi)容包括以下幾個(gè)方面：
　　 (1)把混凝土泵車臂架系統(tǒng)看作一個(gè)開(kāi)環(huán)的運(yùn)動(dòng)鏈，由一系列連桿通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)副串聯(lián)而成。開(kāi)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(dòng)作。基于多剛體動(dòng)力學(xué)的理論，對(duì)臂架和液壓缸的運(yùn)動(dòng)分別進(jìn)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(dòng)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(dòng)角度的變化對(duì)臂架末端軌跡的影響。
　　 (2)隨著澆筑范圍的擴(kuò)大，臂架朝著輕質(zhì)長(zhǎng)臂桿的方向發(fā)展，很有必要考慮柔性變形對(duì)臂架運(yùn)動(dòng)軌跡的影響?；谌嵝远囿w系統(tǒng)動(dòng)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(diǎn)

4、的彈性變形，運(yùn)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(dòng)力學(xué)方程，對(duì)方程采用向后擴(kuò)展的微分求解器求解并仿真，研究柔性變形對(duì)泵車臂架末端軌跡的影響。并與剛性臂桿的結(jié)論進(jìn)行對(duì)比，分析兩種建模方法的優(yōu)缺點(diǎn)。
　　 (3)對(duì)泵車澆筑自動(dòng)化進(jìn)行研究。采用軌跡規(guī)劃和最優(yōu)控制相結(jié)合的方法對(duì)臂架系統(tǒng)的末端軌跡進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)逆問(wèn)題的研究，得到臂架末端達(dá)到預(yù)期澆筑點(diǎn)時(shí)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(dòng)力學(xué)方程，分別建立泵車剛性臂架系統(tǒng)的控制動(dòng)力學(xué)方程和柔性臂架系統(tǒng)的控制動(dòng)力學(xué)方程。采用數(shù)值迭代的算法對(duì)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(dòng)力，對(duì)每個(gè)臂桿的液壓系統(tǒng)進(jìn)行獨(dú)立的閉環(huán)控制，最后形成臂架以及液壓系統(tǒng)整體的開(kāi)環(huán)控制，研究控制的精度和控制的實(shí)時(shí)性，即建立泵車臂架系統(tǒng)的完備動(dòng)力學(xué)方程。
　　 (4)分析了泵車輸料管中混凝

6、土砂漿的流動(dòng)對(duì)泵車臂架的振動(dòng)影響，由于混凝土砂漿不是單一流質(zhì)，可以簡(jiǎn)化為固液兩相流問(wèn)題。通過(guò)對(duì)輸料管道和漿體單元進(jìn)行受力分析，建立輸料管道的運(yùn)動(dòng)微分方程，結(jié)合固液兩相流的質(zhì)量、流量和壓強(qiáng)的相關(guān)公式，建立了混凝土砂漿在輸料管道中流動(dòng)的固液兩相流動(dòng)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(jiǎn)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