基于柔性多體動力學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)濟建設步伐的加快，國內(nèi)商品混凝土行業(yè)和建筑機械業(yè)務的快速發(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、剛柔耦合的多體系統(tǒng)，它涉及了多體動力學以及控制、運動學逆問題、流體力學

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尤其是柔性多體動力學理論在混凝土泵車澆筑自動化領域的應用，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動力學的理論，對臂架和液壓缸的運動分別進行分析，結合分析力學的相關理論，建立臂架系統(tǒng)的多剛體動力學方程，求解方程中的相關參數(shù)并仿真，研究剛性臂桿轉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?；谌嵝远囿w系統(tǒng)動力學的相關理論，假設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)控制相結合的方法對臂架系統(tǒng)的末端軌跡進行運動學逆問題的研究，得到臂架末端達到預期澆筑點時的最優(yōu)路線，作為PD控制方法的控制率期望值，結合前面建立的臂架系統(tǒng)

5、動力學方程，分別建立泵車剛性臂架系統(tǒng)的控制動力學方程和柔性臂架系統(tǒng)的控制動力學方程。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，結合固液兩相流的質(zhì)量、流量和壓強的相關公式，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構，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上