基于Recurdyn的回转起重机仿真研究

洪斯玮　陈亮　朱钰

摘 要：回转起重机在工作的过程中，由于离心力和惯性力的作用，会导致吊物摆动。吊物的摆动会对起重机产生冲击载荷，影响起重机的工作效率和安全性能。该文采用Recurdyn及Recurdyn/Belt模块建立集刚柔于一体的回转起重机动力学仿真模型。通过对模型的仿真研究得出回转起重机的回转机构运动对吊物的摆动影响最大。

关键词：回转起重机 Recurdyn 刚柔耦合

中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2016）07（c）-0044-03

Abstract： In the process of working， the revolving crane can lead to swing of suspended matter due to the action of centrifugal force and inertia force. The swinging of the suspended matter will have impact load on the crane， which will affect the working efficiency and safety performance of the crane. This paper adopts rotary crane dynamics simulation model of Recurdyn and Recurdyn/Belt to build the rigid flexible set in one of the. Through the simulation of the model， it is concluded that the swing mechanism of the rotary crane is the biggest influence on the swing of the swing.

Key Words： Revolving crane； Recurdyn； Rigid flexible coupling

回转式起重机如汽车起重机，港口的门座式起重机等在作业的过程中吊物会绕吊臂顶点摆动，吊物的摆动会影响起重机的工作效率及安全性能。所以研究回转起重机的机构运动及吊物摆动的关系并对吊物的摆动进行抑制，对起重机行业的发展具有重要意义。该文以某回转式起重机为对象，采用Recurdyn仿真软件平台建立集刚柔于一體的回转起重机动力学仿真模型，并在此基础上对回转起重机吊物的摆动进行研究。

1 回转起重机动力学模型

随着计算机技术和自然科学技术的高速发展，计算机辅助工程技术（CAE）也随之诞生。计算机辅助工程技术所包含的面很广，不同的学科与计算机技术相结合则产生不同的分支，其中计算机技术与力学理论的结合导致了虚拟仿真技术的诞生，Recurdyn多体动力学仿真平台就在其背景下应运而生[1-2]。由于Recurdyn求解器所提供的递归算法能够快速稳定地求解运动中的接触、大变形柔性体等问题，并且Recurdyn的Belt子模块能够快速方便地在刚体模型基础上建立柔性体，所以该文采用Recurdyn建立集刚柔于一体的回转起重机动力学仿真模型。

1.1 回转起重机刚体动力学模型

回转式起重机主要由回转机构、变幅机构、起升机构3部分组成。该文采用Pro/E三维设计软件中建立回转起重机的三维装配模型，生成Parasolid格式文件后导入Recurdyn软件中，定义各个构件的材料、颜色、构件与构件之间的运动关系等属性。回转起重机的刚体模型部分如图1所示。

1.2 钢丝绳滑轮系统

回转起重机的钢丝绳是柔性体，通常采用刚体动力学仿真软件对柔性体建模往往需要与有限元软件进行联合仿真或者采用轴套力连接小圆柱段的方式来模拟[3]。前者由于需要两种软件之间进行数据交互，操作复杂，仿真速度慢；后者由于需要建立大量的小圆柱段、轴套力，且要计算大量的小圆柱段与滑轮之间的接触力所以操作复杂，仿真速度也很慢。

然而随着虚拟仿真技术的持续发展和改进，Recurdyn公司开发了Belt子模块。该模块主要用于建立带传动系统及相关的柔性传动系统。Belt模块中的Beam Belt功能采用的是离散节点法来建立柔性绳索的模型，该方法是将绳索等效为大范围运动的平面梁，将平面梁离散为一系列编号为0、1、2…、n-1的n个节点，通过相对节点间的坐标系得到一系列节点的位移方程，进而利用能量变分原理得到结构的运动方程[4-5]。该文利用Recurdyn/Belt模块中的Beam Belt功能定义柔性体的形状和材料属性来建立起重机的钢丝绳；利用Pulley功能建立起重机的滑轮。

根据《起重机设计手册》可知双绕钢丝绳的弹性模量Er与钢的弹性模量的关系，泊松比为0.25[6]。对于钢丝绳与滑轮之间的接触力可由表1确定[7]。

μ1为静摩擦系数；μ2为动摩擦系数；ν1为静滑动速度，单位：mm·s-1；ν2为动滑动速度，单位：mm·s-1。

最终所建立的刚柔耦合回转起重机动力学模型如图2所示，其中吊物重量为1 t。

2 仿真结果及分析

该文在只有变幅运动、只有起升运动和只有回转运动的3种情况下对模型进行仿真，通过观察仿真结果，得出哪个机构的运动对吊物的摆动影响最大。为了便于观察研究，该文将吊物垂直于吊臂与回转中心线形成的面的摆动角，称为面外角；将吊物平行于吊臂与回转中心线形成的面的摆动角，称为面内角。

首先，在回转机构和起升机构都不运动只有变幅运动的情况下进行仿真。变幅油缸的运动曲线如图3所示。

从图3中可以看出变幅机构的运动对吊物的摆动影响不大。

在回转机构和变幅机构都不运动只有起升机构运动的情况下进行仿真。

从图4中可看出，起升运动对回转起重机吊物的摆动影响也不大。

在起升机构和变幅机构都不运动只有回转机构运动的情况下进行仿真。

从图5中可看出回转运动是引起回转起重机吊物摆动的主要原因。这是由于回转机构在运动的过程中由于惯性力和离心力的作用使吊物产生摆动。

3 结语

应用Recurdyn及Recurdyn/Belt模块建立回转起重机的刚柔耦合模型，并分别在单独变幅机构运动、单独起升机构运动和单独回转机构运动的3种情况下对模型进行仿真。通过仿真结果可知，回转运动是引起吊物摆动的主要原因。所以要抑制回转起重机吊物的摆动，只需控制回转机构的运动即可。

参考文献

[1] 范成建，熊光明，周明飞.MSC.ADAMS应用与提高[M].北京： 机械工业出版社，2006.

[2] 焦晓娟，张湝渭，彭斌彬.RecurDyn多体系统优化仿真技术[M].北京：清华大学出版社，2010.

[3] 袁志刚，臧铁钢.基于Adams平台的钢索系列物体建模环境的研究[J].机械工程师，2007（10）：82-84.

[4] 方子帆，吴建华，何孔德，等.钢丝绳碰撞动力学模型[J].工程力学，2009（10）：197-202.

[5] 鲁亚飞.精密柔索传动机理与设计方法研究[D].湖南：国防科学技术大学，2013.

[6] 张质文.起重机设计手册[M].北京：中国铁道出版社，1997.

[7] 张欢，徐长生.基于虚拟样机的大型船用甲板起重机[D].武汉理工大学，2011.