基于SolidWorks和Adams的翻料机冲击研究

徐志杨，蔡 琳，李春茂，蒋海江

（1. 中国矿业大学 机电学院，徐州 221116；2. 江西新余学院 现代教育技术中心，新余 338004；3. 天津市渤海装备新世纪机械制造公司，天津 300280；4. 云南省小龙潭矿务局，开远 661601）

基于SolidWorks和Adams的翻料机冲击研究

徐志杨1，蔡 琳2，李春茂3，蒋海江4

（1. 中国矿业大学 机电学院，徐州 221116；2. 江西新余学院 现代教育技术中心，新余 338004；3. 天津市渤海装备新世纪机械制造公司，天津 300280；4. 云南省小龙潭矿务局，开远 661601）

利用ADAMS软件建立半自动液压式翻料机的数字化虚拟平台，对翻料机的落料口进行柔性化建模，按ADAMS中冲击函数模型进行虚拟冲击，得出建模的抗冲击极限。此方法可以简化机械产品的设计开发过程，缩短产品开发周期，减少费用和成本，获得最优的创新设计产品。

ADAMS；冲击；计算机仿真；虚拟样机

0 引言

设备抗冲击包括设备本身的抗冲击性能和冲击隔离技术两个方面。国内外绝大部分文献都是关于设备振动隔离器的研究，设备本身抗冲击性能相关的研究基本上是关于静态结构的应力应变分析，而动力设备的仿真和试验研究几乎没有[1]。

随着计算机技术的发展，仿真技术在翻料机抗冲击强度的计算方面发挥的作用越来越大， 著名的虚拟样机技术-ADAMS机械动力学仿真软件，在静力学、运动学和动力学上有着很强的分析能力，对冲击、碰撞过程具有一定的捕捉分析能力，可以配合试验获得一些仅靠试验不能得到的实用性强的技术数据。翻料机主要用于大、中型模具的翻转，港口钢卷的翻转，热处理大中型工件的翻转等，以降低操作人员的劳动强度，避免意外危险损坏工件和危及操作人员的人身安全。

1 翻料机冲击强度模型系统的建立

利用SolidWorks软件对半自动液压式翻料机进行精确的三维实体模型绘制。为了能完整地表征翻料机的动力学特性，首先将装配图另存为‘*。part’零件格式，通过SolidWorks自带‘合并’命令将两两位置不变的构件定义成一个刚体，并去掉不必要的机构，如，将支架、前臂合并，去掉电控箱、电液泵和连接线路等，这样翻料机就简化为7个刚体。

翻料机落料口的柔性体模型即是在仿真分析过程中将落料口视为弹性变形体，要在多体动力学分析中建立落料口的柔性体，必须先对落料口进行有限元分析。利用有限元软件进行10节点四面体单元网格划分，共8882个单元，18266个节点，得到其各阶振型和固有频率，如图1-图4所示。

图1 落料口一阶振型（频率11.27Hz）

落料口需要予以重视的振动固有频率都比较低，300 Hz以内的振型可以比较全面地描述落料口的动态特性。

图4 落料口四阶振型（频率146.47Hz）

由于ADAMS的核心文件格式是Para solid格式，所以把在SOLIDWORKS生成的翻料机模型转换成Para solid格式就可以了， 将模型文件导入到ADAMS软件中，底座视为刚体固定在地面上，各部件之间以运动副联接。然后用在ANSYS中生成的柔性落料口(即模态中性文件)代替刚性落料口，方法是把柔性落料口移动到刚性落料口的位置，再将连接关系进行修改[2]。

然后再对转换过来的翻料机模型重新设置材料特性，添加各种约束，修改某些不合理的部分，得到最终的翻料机模型，如图5所示。

2 ADAMS中翻料机虚拟冲击

图5 翻料机虚拟样机

ADAMS中将构件看作是刚体，因此两个构件接触时不允许产生相互穿透，在数学上用不等式条件表示。处理这种约束条件的方法通常采用拉格朗日算子法或惩罚函数法。惩罚函数法具有简单、不增加附加方程与附加变量的优点；特别是它适合处理不连续型接触问题；而且，容易用弹簧这种物理模型来解释。因此，ADAMS采用惩罚函数法来建立接触约束模型[3]。

在两物体接触面上存在着接触面法向力(冲击力或接触力)和接触面切向力(摩擦力)两种作用。当接触不连续时产生的接触法向力就是冲击力。由于摩擦力本身也是非常复杂的问题，ADAMS中对它作了简化，采用比较简单的库仑摩擦力模型来计算。本文对此不作详细讨论，而集中在法向力上。

冲击函数模型用位移、速度来定义接触力，它可以用在连续型接触和不连续型接触两种情况上；而且，刚度k与材料特性相关物理意义明显；当刚度取值较大造成收敛困难时，可以通过调整穿透深度来改善收敛，计算比较稳定。所以计算冲击力时要采用该模型[4]。

ADAMS中冲击函数模型用一个弹簧一阻尼模型来表示，冲击力函数表示为：

式中：

k——弹簧刚度；

e——形状指数，对于接触的两个构件都是钢材料时，e选取1.5；

dmax——最大允许穿透深度，数值上一般为刚度值的0.01%—0.1%；

cmax——当达到最大穿透深度时所应用的最大阻尼值。

一般钢结构阻尼系数可按如下规律选取：材料采用线性模型，构件工作在弹性阶段，阻尼系数取0.02～0.05，当应力较小时取偏小值，应力较大时取偏大值；采用线性模型，构件工作在弹塑性阶段，阻尼系数取0.1～0.2，进入塑性化程度较浅时取小值，进入塑性化程度较深时取大值。 如果材料采用非线性模型，阻尼系数取0.01。此处设置其阻尼为0.035 N ·s ·mm-1。

刚度k的数值是相接触的两个构件刚度的综合值。理论上k的数值可以参考接触力学文献计算[5]。在初始仿真时也可以按下面的公式估算：

物料冲击发生在t=0.3s，此时速度约为2.826m/s，物料重量为145.92kg，计算的k为114249N/m，如图6，图7所示。

对翻料机实施虚拟冲击，调用接触冲击力函数，在Adams中分析得图8s，最大冲击力为37689.8N，远小于落料口的屈服极限，即落料口可承受的该冲击。通过样机试验，也证明该结构可承受能够可靠的承受冲击。

3 结论

1）基于多体动力学所建的翻料机仿真模型的抗冲击模型是可靠的 ，其结果是可用的。

2）利用冲击函数模型对落料口的抗冲击强度特性进行了仿真，落料口的强度在额定工况下在其屈服极限内。

3）由于未考虑摩擦等因素，模型中落料口的强度计算结果要小于实际结果。

4）应用多体系统动力学理论、 有限元模态分析方法， 对翻料机落料口冲击强度作了仿真分析，可以简化翻料机的设计开发过程，减少开发成本。

图6 冲击构件前速度

图7 物料冲击构件后速度

图8 物料冲击构件时加速度

[1] 吴问鲍. 翻料机抗冲击性能仿真[J]. 船海工程, 2010,39(1).

[2] 西雅, 孟翔. 基于ADAMS的汽车座椅冲击强度的仿真研[J]. 陕西科技大学学报, 2009, 25(2)： 100-104.

[3] MSC ADAMS Users' Guide [DB/OL].

[4] 裴未迟, 李耀刚, 李运红, 等. 基于虚拟样机技术—ADAMS的冲击力模型[J]. 理工大学学报(自然科学版),2007, 30(4)： 59-63.

[5] k L Jolm. On Contact Mechanics[M]. the Press Syndicate of the University of Cambridge.

Research on impact simulation of upender based on ADAMS and SolidWorks

XU Zhi-yang1, CAI Lin2, LI Chun-mao3, JIANG Hai-jiang4

TH117

A

1009-0134(2011)5(下)-0103-03

10.3969/j.issn.1009-0134.2011.5(下).31

2010-11-26

徐志杨（1988－），男，山东潍坊人，在读研究生，研究方向为机械制造及自动化。