CN108694287A - 一种利用仿真软件求解作动气缸速度的方法 - Google Patents

一种利用仿真软件求解作动气缸速度的方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于作动气缸速度仿真计算研究领域，涉及一种利用仿真软件求解作动气缸速度的方法。本发明采用在软件中将气缸零件的移动部分和止动端进行分割建模，并将止动端进行柔性化处理的建模仿真方式去模拟求解作动气缸速度。本发明解决了目前利用多体动力学仿真软件建立作动气缸仿真模型计算气缸速度精度不够高的问题，可应用于单级气缸及多级气缸的仿真建模，特别是对求解多级气缸重要参数的仿真效率和仿真精度具有较大提高。

Description

一种利用仿真软件求解作动气缸速度的方法
技术领域
本发明属于作动气缸速度仿真计算研究领域，具体涉及一种利用仿真软件求解作动气缸速度的方法。
背景技术
作动气缸是作动分离悬挂物的重要功能部件，悬挂物的分离速度是重要性能参数指标。作动活塞在高压气体作用下，实现悬挂物作动分离，保证一定高的分离速度。其中高压气体是动力源，驱动活塞向一个方向运动，速度随行程而变化。对于多级作动气缸，多级作动气缸的活塞杆是多段短套筒形状组成的气缸，既保证了体积小又获得了大行程。
对于多级作动气缸，活塞在整个运动过程中，其速度是变化的，最大速度通常在行程的末端，而在每一级活塞的行程末端都要受到很大的冲击力。对于气缸当速度小于50mm/s时，气缸摩擦阻力的影响增大，而当速度高于1000mm/s时，气缸密封圈的摩擦生热加剧，加速密封件磨损，造成漏气，寿命缩短，还会加大行程末端的冲击力，影响机械寿命。高压气体、末级活塞运动到行程末端的冲击力、气缸运动过程中的摩擦力都成为影响气缸速度的关键因素。传统理论计算的气缸速度通常是指平均速度，不能反映活塞的末端速度。随着计算机技术的快速发展，运用多体动力学仿真软件进行气缸速度的计算已成为作动气缸设计特别是多级作动气缸设计的重要手段。然而，在运用仿真软件进行仿真分析的设置时，目前普遍采用的仿真方法是在软件中将各级活塞单独处理成一个整体的刚性体或一个整体的柔性体，通过创建接触，建立活塞之间的约束关系，由于各级活塞的止动端与其相邻的筒体全程存在接触力，导致计算量大，运行效率低，而且仿真精度也不高。
发明内容
本发明的目的是提供应用软件建立作动气缸模型和仿真速度曲线的分析方法，达到运行效率和仿真精度。
针对所述技术问题，本发明的技术方案是：一种利用仿真软件求解作动气缸速度的方法，包含在仿真软件中建模、仿真、添加约束求解，其特征在于：所述方法将气缸零件分割成移动部分和止动端分别进行处理。
移动部分和止动端分别处理方式一：在软件中先将气缸零件整体建模，再将模型分割成移动部分模型和止动端模型。
移动部分和止动端分别处理方式二：在软件中将气缸零件分割成移动部分和止动端，在软件中分别对移动部分和止动端建立模型。
在软件中将分割后的止动端模型进行柔性化处理。
本发明方法具体分为以下步骤：
1、在软件中对作动气缸进行三维建模；
2、在软件中对气缸零部件分割：对气缸零件三维模型的移动部分和止动端进行分割；
3、在软件中对止动端柔性化处理：对止动端三维模型进行柔性化处理生成柔性体；
4、根据实际工况，在软件中添加边界条件进行仿真；
5、根据仿真结果,得到气缸速度、冲击力。
本发明方法所述的分割步骤中，针对一级气缸，对气缸零部件分割的具体分割方式为：
a、将气缸的外部的缸筒1分割成缸筒体5、和缸筒内部止动端6；
b、将气缸内部的活塞杆4分割成活塞杆外部止动端13、杆体14。
本发明方法所述的分割后对止动端柔性化处理步骤中，针对一级气缸的具体方式为：将缸筒内部止动端6、活塞杆外部止动端13的三维模型通过软件进行柔性化处理生成柔性体。
本发明方法所述的分割步骤中，针对多级气缸，对气缸零部件分割的具体方式为：
a、将气缸的外部的缸筒1分割成缸筒体5和缸筒内部止动端6；
b、将气缸中部的套筒2分割成套筒内部止动端7、套筒体8和套筒外部止动端9；
c、将气缸内部的活塞杆4分割成活塞杆外部止动端13、杆体14。
本发明方法所述的分割后对止动端柔性化处理步骤中，针对多级气缸具体方式为：将缸筒内部止动端6、套筒内部止动端7、套筒外部止动端9、活塞杆外部止动端13通过软件进行柔性化处理生成柔性体。
本发明的有益效果是，本发明根据作动气缸的结构特点和实际工况中的动力学特性，对气缸零部件进行合理有效的分割处理，采用仿真软件建立气缸的刚柔耦合模型，通过创建柔性体与柔性体之间的接触力函数建立多级活塞之间的末端冲击力，仿真求解其末端速度值，该方法加快了仿真运行效率，提高了多级高速气缸末端速度仿真计算的精度，获取了各个气缸行程末端的冲击载荷，具有很高的工程应用价值。
本发明解决了目前利用多体动力学仿真软件建立作动气缸仿真模型计算气缸速度精度不够高的问题，可应用于单级气缸及多级气缸的仿真建模，特别是对求解多级气缸重要参数的仿真效率和仿真精度具有较大提高。
附图说明
图1是利用仿真软件求解作动气缸速度的方法流程图；
图2是三级气缸建模示意图；
图3是单级气缸建模示意图；
图4是缸筒分割模型图；
图5是套筒分割模型图；
图6是活塞杆分割模型图；
图7是二级套筒分割模型图；
1-缸筒、2-套筒、3-二级套筒、4-活塞杆、5-缸筒体、6-缸筒内部止动端、7-套筒外部止动端、8-套筒体、9-套筒内部止动端、10-二级套筒外部止动端、11-二级套筒体、12-二级套筒内部止动端、13-活塞杆外部止动端、14-杆体。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明：
如图1所示为本发明的方法流程图，其中，针对建模和分割的步骤，没有固定的先后顺序，如图所示为先整体建模后分割；也可以先分割，后将移动部分和止动端分别建模。如图2和图3所示为三级气缸和单级气缸的模型示意图。在本实施例中，以三级气缸为例说明本发明的具体步骤详细地描述如下，应用的多体动力学仿真软件为ADAMS，三维建模软件为SolidWorks，有限元分析软件为PATRAN：
1)对作动气缸进行三维建模、零件分割
在SolidWorks软件环境下，对三级作动气缸的缸筒1、套筒2、二级套筒3、活塞杆4进行三维建模，如图2所示。
对缸筒1、套筒2、二级套筒3和活塞杆4分别进行分割处理，然后将三维模型转换成ADAMS仿真软件可导入的*.X_T中性文件。零件分割方法如下：
①缸筒1分割成两个零件，分别为缸筒体5和缸筒内部止动端6，如图4所示；
②套筒2分割成三个零件，分别为套筒体8、套筒外部止动端7和套筒内部止动端9，如图5所示；
③二级套筒3分割成三个零件，分别为二级套筒体11、二级套筒外部止动端10和二级套筒内部止动端12，如图7所示；
④活塞杆4分割成两个零件，分别为杆体14和活塞杆外部止动端13，如图6所示。
针对单级气缸的分割，移动部分模型和止动端模型的分割示意图与图4和图6所示一致。
2)ADAMS刚体动力学仿真建模
将上一步中的中性文件导入ADAMS软件中，对仿真模型进行前处理设置，添加各零件材料均为steel(钢)，生成三级作动气缸的ADAMS刚体动力学仿真模型。
3)PATRAN生成柔性体
在PATRAN软件环境下，通过网格划分和模态计算后，生成缸筒内部止动端6、套筒外部止动端7、套筒内部止动端9、二级套筒外部止动端10、二级套筒内部止动端12和活塞杆外部止动端13的*.mnf模态中性文件。
4)根据实际工况，在ADAMS软件中添加边界条件进行仿真
将生成的模态中性文件导入ADAMS软件中，添加各零件之间的运动副、接触力、气压力，生成三级作动气缸的ADAMS刚柔耦合动力学仿真模型。
添加的运动副包括：缸筒体5分别与ground(大地)和缸筒内部止动端(柔性体)6固连；套筒体8分别与套筒外部止动端7(柔性体)和套筒内部止动端9(柔性体)固连；二级套筒体11分别与二级套筒外部止动端10(柔性体)和二级套筒内部止动端12(柔性体)固连；杆体14与活塞杆外部止动端13(柔性体)固连；套筒体8与缸筒体5设置圆柱副；二级套筒体11与套筒体8设置圆柱副；杆体14与二级套筒体11设置圆柱副。
添加的接触力包括：缸筒内部止动端6(柔性体)与套筒外部止动端7(柔性体)添加Contact接触力；套筒内部止动端9(柔性体)与二级活塞外部止动端10(柔性体)添加Contact接触力；二级活塞内部止动端12(柔性体)与活塞杆外部止动端13(柔性体)添加Contact接触力。Contact接触力设置：Stiffness：2.1E+005N/mm，Force Exponent：1.5，Damping：210Ns/mm，Penetration Depth：1.0mm，Static Coefficient：0.3，DynamicCoefficient：0.25，Stiction Transition Vel.：1.0mm/s，Friction Transition Vel.：10.0mm/s。
添加的气压力包括：分别为套筒体8、二级套筒体11和杆体14分别添加高压气体气压力-活塞行程曲线，由于三级作动气缸速度高于1000mm/s，气缸密封圈的摩擦生热加剧，加速密封件磨损，造成漏气，因此考虑三级作动气缸30％的压力损失。
5)仿真计算三级作动气缸的末端速度和三级活塞行程末端的冲击力
调用ADAMS/Solver模块进行仿真计算，绘制三级作动气缸速度-行程曲线、各级活塞行程末端冲击力-行程曲线。
绘制三级作动气缸速度-行程曲线，选择杆体14的速度-行程曲线，读取活塞行程末端对应的速度值为4.81m/s，即为三级作动气缸的末端速度。
三级作动气缸速度实验验证：为了验证仿真结果，进行了功能性投放试验，试验速度为4.74m/s，本发明所提仿真方法的计算结果与试验数据吻合度很高。
绘制各级活塞行程末端时冲击力-行程曲线，选择缸筒内部止动端6(柔性体)与套筒外部止动端7(柔性体)的Contact接触力，读取套筒行程末端对应的载荷值为22574.27N，即为套筒行程末端的冲击力；选择套筒内部止动端9(柔性体)与二级套筒外部止动端10(柔性体)的Contact接触力，读取二级套筒行程末端对应的载荷值为21625.06N，即为二级套筒行程末端的冲击力；选择二级套筒内部止动端12(柔性体)与活塞杆外部止动端13(柔性体)的Contact接触力，读取活塞杆行程末端对应的载荷值为18339.01N，即为活塞杆外部行程末端的冲击力。
针对功能性投放试验，不采取零件分割的仿真方法的速度值为5.12m/s；本发明的仿真速度值为4.81m/s；实际功能性投放试验速度值为4.74m/s，计算精度得到了显著的提高。
本发明解决了目前利用多体动力学仿真软件建立作动气缸仿真模型计算气缸速度精度不够高的问题，可应用于单级气缸及多级气缸的仿真建模，特别是对求解多级气缸重要参数的仿真效率和仿真精度具有较大提高。相较目前普遍将各级活塞各自作为一个整体的刚体进行运算的方法，本发明方法运算时间相当，在运算效率相当的前提下，可大幅提高计算精度。

Claims (9)

1.一种利用仿真软件求解作动气缸速度的方法，包含在仿真软件中建模、仿真、添加约束求解，其特征在于：所述的仿真软件求解作动气缸速度的方法将气缸零件分割成移动部分和止动端分别进行处理。
2.根据权利要求1所述的一种利用仿真软件求解作动气缸速度的方法，其特征在于：所述的仿真软件求解作动气缸速度的方法先将气缸零件整体建模，再将模型分割成移动部分模型和止动端模型。
3.根据权利要求1所述的一种利用仿真软件求解作动气缸速度的方法，其特征在于：所述的仿真软件求解作动气缸速度的方法将气缸零件分割成移动部分和止动端，在软件中分别对移动部分和止动端建立模型。
4.根据权利要求2所述的一种利用仿真软件求解作动气缸速度的方法，其特征在于：所述的分割后的止动端模型进行柔性化处理。
5.根据权利要求4所述的一种利用仿真软件求解作动气缸速度的方法，其特征在于：所述的仿真软件求解作动气缸速度的方法分为以下步骤：
5.1、在软件中对作动气缸进行三维建模；
5.2、在软件中对气缸零部件分割：对气缸零件三维模型的移动部分和止动端进行分割；
5.3、在软件中对止动端柔性化处理：对止动端三维模型进行柔性化处理生成柔性体；
5.4、根据实际工况，在软件中添加边界条件进行仿真；
5.5、根据仿真结果,得到气缸速度、冲击力。
6.根据权利要求5所述的一种利用仿真软件求解作动气缸速度的方法，其特征在于：所述的对气缸零部件的分割步骤，针对一级气缸中具体分割方式为：
6.1、将气缸的外部的缸筒(1)分割成缸筒体(5)、和缸筒内部止动端(6)；
6.2、将气缸内部的活塞杆(4)分割成活塞杆外部止动端(13)、杆体(14)。
7.根据权利要求6所述的一种利用仿真软件求解作动气缸速度的方法，其特征在于：所述的对止动端柔性化处理步骤，针对一级气缸具体方式为：将缸筒内部止动端(6)、活塞杆外部止动端(13)的三维模型通过软件进行柔性化处理生成柔性体。
8.根据权利要求5所述的一种利用仿真软件求解作动气缸速度的方法，其特征在于：所述的对气缸零部件的分割步骤，针对多级气缸中具体分割方式为：
8.1、将气缸的外部的缸筒(1)分割成缸筒体(5)和缸筒内部止动端(6)；
8.2、将气缸中部的套筒(2)分割成套筒外部止动端(7)、套筒体(8)和套筒内部止动端(9)；
8.3、将气缸内部的活塞杆(4)分割成活塞杆外部止动端(13)、杆体(14)。
9.根据权利要求8所述的一种利用仿真软件求解作动气缸速度的方法，其特征在于：所述的对止动端柔性化处理步骤，针对多级气缸具体方式为：将缸筒内部止动端(6)、套筒外部止动端(7)、套筒内部止动端(9)、活塞杆外部止动端(13)通过软件进行柔性化处理生成柔性体。
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