CN102662331A - 一种基于虚拟现实的汽车吊臂挠度的仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于虚拟现实的汽车吊臂挠度的仿真方法，包括利用Pro/E软件建立起重机模型和环境模型，根据工况对挠度形变进行计算，对模型进行节点设置及管理，在起重机模型中将挠度形变添加至吊装过程中的起重机模型上，对起重机进行挠度驱动，使吊装仿真过程的起重机产生挠度形变，提高了吊装操作的仿真精度，对吊装方案的制定具有明显的指导意义，提高了实际操作吊装过程中的安全性能，避免了重复操作，加快了工作效率。

Description

一种基于虚拟现实的汽车吊臂挠度的仿真方法

技术领域

本发明属于工程机械仿真设计领域，涉及一种基于虚拟现实的汽车吊臂挠度的仿真方法。

背景技术

近几年来，我国石油化工、冶金和电力建设等方面的快速、大型化地发展，刺激了对吊装设备的需求，伸缩式吊臂是汽车起重机的一个重要的工作部件。吊装过程中，吊臂承担大荷载，吊臂产生挠度变形，将会影响起重机的工作性能及安全。目前挠度变形主要是采取激光仪等测试设备对桥式起重机主梁等关键设备的进行测量。吊臂的挠度变形仿真实现，影响着起重机吊装仿真的精度，是三维仿真过程的一个新兴的难题。

国内研究吊装仿真方式，没有结合动力学或者有限元分析手段，这种吊装仿真过于理想化，而是采用动力学软件去分析，参数化、交互化的程度过低。

国外的吊装仿真发展比较迅速，例德国Liebherr公司的Liccon系统和Manitowoc公司的Epic系统，这些系统均是自家公司研发的辅助吊装方案选择的工具，允许对自家公司生产的起重进行吊装方案选择，并能对选中的吊装方案进行简单的二维演示。由于它们只针对自家公司的产品进行开发，起重机的数据不是以数据库方式而是以普通文件方式存储，不具有开放性，因此该系统通用性不强。此外该系统只能进行二维显示和模拟，画面不够直观、逼真。在国内，大连理工大学工程机械研究中心与中国石化宁波工程有限公司运用3DSMAX制作逼真的三维吊装仿真动画，用以演示吊装作业效果和辅助吊装作业的制定。在三维虚拟环境下对吊装的仿真缺乏动力学或者有限元分析，吊装仿真过程是过于理想化的，未结合实际数据进行分析，或动力学的分析的仿真，参数化、交互化程度过低。寻求一种更为通用、可进行参数化设置和人机交互程度高的吊装三维仿真方法是该领域研究的重要问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于虚拟现实的汽车吊臂挠度的仿真方法，本发明的基于虚拟现实的汽车吊臂挠度的仿真方法能将复杂精密的原型简化为容易处理的简单模型，能真实反映吊装过程中的吊臂的挠度变化状况。

本发明的技术解决方案如下：

一种基于虚拟现实的汽车吊臂挠度的仿真方法，包括计算起重机的吊臂中每一节臂的挠度及转角，将该计算得到的挠度及转角加载到起重机模型中，完成基于虚拟现实的吊装伸缩臂挠度的仿真；

仿真过程为：利用求得的每节臂的转角，驱动所建模型中与转角对应的每节臂，每节臂的子节点产生联动，模拟吊装过程，并在图形界面中实时显示整个吊臂的挠度形变量。

所述的挠度计算方法如下：起重机的吊臂第i节臂的挠度

i取整数，从1开始；其中，1为工作时吊臂总长，该值为固定长度，Z_i为各节臂臂头到吊臂尾铰点的距离；E为吊臂弹性模量，与材质有关的常量，p_y为吊臂轴线方向的受力，M_ox为转矩；I_xi为各节吊臂对x轴的惯性矩。

所述吊臂轴线方向的受力p_y的计算方法为p_y＝(Q+q)cosθ+γ_bG_bcosθ；其中Q为输入吊重载荷，q为吊钩与滑轮组重，θ为吊臂与转台的夹角；γ_b为吊臂自重转换系数，γ_b＝Lzb/l，其中，Lzb为吊臂重心位置，

Mzb为吊臂重量，

M_i为各臂的重量，Lg_i为各臂在任意工况下的重心位置， $\mathrm{Lg}\_i=\mathrm{init}\_\mathrm{Lg}\_i+\underset{i=0}{\overset{i}{\mathrm{\Σ}}}{n}_i\·\mathrm{LS}\_\mathrm{MAX}\_i,\mathrm{init}\_L{g}_i$ 为在吊臂全缩时各臂重心位置距离吊臂下铰点的距离；n_i为各臂的伸缩百分比，LS_MAXi为每节臂的最大伸缩量，M_ox为转矩，M_ox＝(Q+q)sinθ*e₂-T_s*e₁，e₁，e₂为上、下滑轮力臂长，T_s为吊绳所受拉力，T_s＝1/n(Q+q)，n为吊钩倍率，取整数；x，y分别为所建模型中的坐标轴；每节臂的挠度转角θ_i的计算公式如下：

${\mathrm{\θ}}_i=\frac{{\mathrm{df}}_i}{\mathrm{dl}}=\frac{1}{{\mathrm{EI}}_{\mathrm{xi}}}[p_y{(l-Z_{i-1})}^2-p_y{(l-Z_i)}^2+M_{\mathrm{ox}}(l-Z_{i-1})-M_{\mathrm{ox}}(l-Z_i)]$

上述中的参数i为整数，从1开始取值；

第一节臂被油缸分成两段，油缸对吊臂的支撑点到吊臂尾铰点距离为a，Z₀被分为两段距离，分别为a和Z₀-a，该臂的挠度f₀计算为：

$f_0={\∫}_0^a\frac{p_y{(1-a)}^2+M_{0x}(1-a)}{a^2{\mathrm{EI}}_{x0}}{x}^2\mathrm{dx}+\underset{1-z_0}{\overset{1-a}{\∫}}\frac{(p_{y}x+M_{0x})x}{{\mathrm{EI}}_{x0}}\mathrm{dx},$ 其相应的转角θ₀计算为：

${\mathrm{\θ}}_0=\frac{{\mathrm{df}}_0}{\mathrm{dl}}=\frac{1}{{\mathrm{EI}}_{X0}}[({2Z}_0-4a/3)p_{y}l+(a^2-z_0^2)p_y+M_{0x}{Z}_0-2a{M}_{0x}/3].$

其中吊钩倍率的选取依据吊装物的重量及吊绳的负重确定，即吊绳数量，取整数；

所述的起重机模型采用以下步骤搭建：

1)预处理：从厂家获取起重机的原外观模型，在pro/e中对获得的原外观模型中每个部件进行收缩包络处理，包括填孔、忽略面组及忽略小曲面处理；

其中包络处理的阈值，从2-6中选取；

2)组装模型：在pro/e中根据预处理步骤中获得的零件模型构建起重机外观模型，并依据起重机工作时各部件的工作特征，包括回转台的转动、油缸的伸缩和变幅、吊钩的起升和下降，吊臂的伸缩、变幅和回转，在预处理后的外观模型中添加起重机对应部件的驱动轴；

3)模型分类：将组装后的外观模型按照起重机工作时部件间的联动关系，将其进行模块化分类，包括臂、吊钩、油缸、转台、腿、底盘以及组装模型步骤中添加的驱动轴模块；

4)数据格式转换：利用DeepExploration软件，依据起重机原型，对模型中各部件设置模型材质信息，材质信息设置包括阴影、扩散、高光、放射及不透明度处理；接着将上述得到的数据从.asm转换为VC++支持的.cpp数据，在得到的数据文件中获得模型中的点、面索引、法线、材质以及材质索引信息；

5)在vc++运行环境中，输入上述得到的.cpp数据文件，调用OpenGLAPI工具绘制起重机模型；

6)进行节点设置：将起重机的固定部分、转台、吊臂及油缸四个部分设为主节点，按照吊装结构顺序，依次设定吊臂中各节臂为对应前面臂的子节点，管理每个节点后面的所有子节点。

所述起重机模型搭建步骤2)中，对经过收缩包络后的起重机零件模型，若零件模型结构存在缝隙，则在pro/e中采用多个平面修补缝隙。

模拟吊装过程中，实时显示吊装物及吊臂的具体位置信息。

对各节臂臂头到吊臂尾铰点的距离Z_i的计算，采用同各臂在任意工况下的重心位置Lg_i的计算方式获得，为在吊臂全缩时各臂臂头到吊臂下铰点的距离；n_i为各臂的伸缩百分比，LS_MAX_i为每节臂的最大伸缩量。

有益效果

本发明的基于虚拟现实的汽车吊臂挠度的仿真方法利用Pro/E将复杂精密的原型简化为容易处理简单模型，使其满足起重机模型的基本结构，能适用于多种起重机建模，同时增加了该模型的扩展性；采用OpenGL软件，高效开发3D场景的程序单元和三维虚拟现实场景的交互技术，通过对挠度形变计算，在VC++6.0上调用或重载OpenGL的函数，在起重机模型中实现三维模型中挠度形变，提高了吊装操作的仿真精度，对吊装方案的制定具有明显的指导意义，在实际操作前，运用此方法进行仿真，提高了实际操作吊装过程中的安全性能，避免了重复操作，加快了工作效率。

本发明的仿真方法，能适用于多种起重机建模；在得到挠度形变计算的同时，实现了三维模型中吊臂的挠度形变重现，实现方法简单，与实际挠度形变数据相比，仿真结果误差小。

附图说明

图1本发明的整体设计流程图；

图2本发明挠度驱动实现的流程图；

图3起重机臂Pro/E模型图中添加的驱动轴；

图4起重机零件Pro/E模型图(图a为预处理后模型图，图b为修补后模型图)；

图5起重机在垂直平面内的受力分析图；

图6本发明三维场景下仿真效果图(图a未对挠度形变仿真效果图，图b挠度形变仿真效果图)。

具体实施方式

以下将结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明：

实施例1：

整个方法的流程如图1所示，以吊一个Q＝10吨的物体说明为例，本发明基于某制造商的起重机负载工况的挠度变形显示。在仿真场景中，设置了起重机回转中心为坐标系的原点；该起重机有6节臂，所以i的取值范围是[0，1，2，3，4，5]，在基本臂和二、三、四、五、六节臂的上盖板分别按0％、46％、92％、100％比例布置四个臂销孔。

1.固定参数的获取。各节臂的最大伸长量LS_MAX均为9.8米，第1-6节臂全缩时各节臂重心距离下铰点的距离init_Lg_i，i∈(0，5)分别为6.057米，6.340米，6.571米，6.858米，6.081米，8.393米。变幅油缸对吊臂支撑点到吊臂尾铰点距离为a为6.880米。第1-6节臂全缩时各节臂臂头到吊臂尾铰点的距离init_Z_i，i∈(0，5)分别为12.410米，12.610米，12.810米，13.010米，13.210米，13.580米。在垂直平面内，第1-6节臂对水平方向的惯性矩I_xi，i∈(0，5)分别为6.62e9千克/平方米，5.19e9千克/平方米，3.98e9千克/平方米，2.9e9千克/平方米，2.1e9千克/平方米，1.327e9千克/平方米，吊臂的弹性模量E为210e3吉帕。上滑轮的力臂长e1为0.5米，下滑轮的力臂长e2为0.6米。第1-6节臂的重量M_i，i∈(0，5)分别为3733.8千克，3051.8千克，2773.9千克，2352千克，2014千克，1877千克。采取了2-6节臂全伸的工况，即n_i＝100％，i∈(1，5)。

设置吊装物的坐标为(21.3，3，0)，臂的尾绞点到吊装物中心的距离d＝21.3，仰角为

$\mathrm{\θ}=\arccos \frac{d}{l}=69.7;$

吊钩重量G_b为1.3吨，倍率n为4，Q＝10*1000*9.8＝98000(N)，q＝1.3*1000*9.8＝12740(N)，可得到Mzb＝G_b＝3733.8*9.8+3051.8*9.8+2773*9.8+2352*9.8+2014*9.8+1877*9.8＝154855.7(N)γ_b＝Lzb/l＝0.445，其中1＝61410(mm)，Lzb＝27254(mm)，T_s＝1/n(Q+q)＝27685(N)，Py＝62270.3(N)，M_ox＝(Q+q)sinθ*e₂-T_s*e₁＝48473611.7(N)；

依据Lg_i的计算公式： $\mathrm{Lg}\_i=\mathrm{init}\_\mathrm{Lg}\_i+\underset{i=0}{\overset{i}{\mathrm{\Σ}}}{n}_i\·\mathrm{LS}\_\mathrm{MAX}\_i,$ 可求得Lg_0＝6057(mm)；

Lg_1＝16140(mm)；Lg_2＝26171(mm)；Lg_3＝36258(mm)；Lg_4＝46281(mm)；Lg_5＝57393(mm)；

依据Z_i计算公式， $Z_i=\mathrm{init}\_Z_i+\underset{i=0}{\overset{i}{\mathrm{\Σ}}}{n}_i\·\mathrm{LS}\_\mathrm{MAX}\_i,$ 可求得Z0＝12410(mm)；

Z1＝22210(mm)；Z3＝32010(mm)；Z4＝41810(mm)；Z5＝51610(mm)；

依据挠度计算和转角计算公式，可得到：

f0＝984mm；f1＝1112mm；f2＝884mm；f3＝628mm；f4＝325mm；f5＝78mm；

θ0＝1.48；θ1＝2.85；θ2＝2.90；θ3＝2.857；θ4＝2.39；θ5＝1.33；

2.Pro/E建立起重机模型过程如下：

1)预处理：依据生厂商提供的起重机零部件模型，在Pro/E中对起重机进行收缩包络处理，减少起重机模型外观的复杂曲面信息，从而降低后续程序处理的数据量；包括进行填孔、忽略组面和忽略小曲面处理，忽略组面和忽略小曲面的阈值设定为3，如图4中a图所示为预处理后的零件模型结构图；

2)组装模型：经收缩包络后的起重机零件模型，对零件上面信息不完整的或存在较大缝隙的地方，采用多个特征去弥补，如图4中b图所示为修补后的零件模型结构图。然后根据起重机原型，把起重机的各个零部件搭建成整个起重机。在模型中，依据起重机工作时各部件的工作特征，添加驱动轴；吊装过程转台要进行回转，在回转台中心加入一条驱动轴；吊臂的尾铰点处会存在回转、变幅、伸缩以及挠度驱动动作，在尾铰点处加入一条驱动轴；油缸与吊臂的上、下铰点需要实现油缸的变幅和伸缩，在这两个铰点分别加入一条驱动轴；吊钩需要实现吊钩起钩和落钩，在吊钩这个地方添加一条驱动轴；

3)模型分类：将模型中按照起重机工作时部件间的联动关系，将其进行模块化分类，模块包括六节臂、吊钩、油缸、转台、支腿、底盘以及组装模型步骤中添加的驱动轴；

4)数据格式转换：利用DeepExploration软件，依据起重机原型，对模型中各部件设置模型材质信息，材质设置包括阴影、扩散、高光、放射及不透明度处理；接着将上述得到的数据从.asm转换为VC++支持的.cpp数据，在得到的数据文件中获得模型中的点、面索引、法线、材质以及材质索引信息；

5)在vc++运行环境中，输入上述得到的.cpp数据文件，调用OpenGL API工具绘制起重机模型。

6)获取实际吊装现场空间信息，将现场空间内起重机周围的物体绘制到起重机模型所在的场景中；

7)进行节点设置：将起重机的固定部分、转台、吊臂及油缸四个部分设为主节点，按照吊装结构顺序，依次设定吊臂中各节臂为对应前面臂的子节点，管理每个节点后面的所有子节点，各个节点顺序为：第六节臂、吊钩、第五节臂、第四节臂、第三节臂、第二节臂、油缸、第一节臂、转台、支腿1-4、底盘；

本实施例中在装配起重机完成后，各节臂的伸缩信息就可确定，本实施例全为100％，吊装过程起重机不能更改配置。

设定第1节臂的旋转轴中心坐标(x0，y0，0)，根据OpenGL对象坐标系和世界坐标系的转换关系以及模型装配时的各臂之间的顺序，得到第i节臂的驱动轴中心坐标如下这(x0+D*(i-1)+2.2，y0，0)其中D为模型装配时各节臂的距离尺寸，22为考虑模型间隙及尺寸误差所做的补偿。本实例中，D＝0.24m。第一节臂驱动轴中心(-5.466002，3.4799，0)，在竖直平面内，第2-6节臂的挠度驱动旋转轴中心(i＝2-6)分别为第2节臂(-3.266002，3.4799，0)、第3节臂(-3.026，3.4799，0)、第4节臂(-2.786，3.4799，0)、第5节臂(-2.546，3.4799，0)、第6节臂(-2.306，3.4799，0)。

起重机吊装作业过程具有变幅、回转、升降三种动作，吊装过程实时调用挠度驱动进行显示。最后挠度的变形量分解成垂直挠度和水平挠度进行显示，如图5所示。垂直挠度近似等于总挠度乘以起重机臂仰角的余弦值，水平挠度近似等于总挠度乘以起重机臂仰角的正弦值。进行多次、反复的挠度变形测试，垂直挠度与实际值对比如表1所示。

表1挠度三维实现效果与实际效果比较

(注：表中臂架组合方式表示的是2-6节臂按0％、46％、92％、100％比例的组合，1表示全缩，2表示按46％伸出，3表示按92％伸出，4表示按100％伸出。实际挠度由课题合作方-某起重机生产制造商提供。)

经多次、反复的测试，挠度计算值与实际测得计算值相比，误差的来源主要有数据的测量误差和垂直挠度的近似计算，但是总体误差相对较小，验证了挠度计算的有效性。

在相同工况下，对比未将挠度形变添加至模型中的结构图，如图6(a)所示，可观察到吊装仿真过程中，对挠度形变的建模仿真，如图6(b)所示，与实际情况相差甚小，比较真实的反映了吊装在实际环境中的工作状况，而没有挠度形变的模型仿真不具有实际指导意义。

挠度变形影响起重机的性能，对仿真三维吊装虚拟过程来说，垂直挠度影响吊装物的竖直方向的坐标位置，水平挠度影响吊装物水平方向的坐标位置和起重机的工作幅度，若没有进行挠度计算，可能会引起吊装仿真的误操作或冗余操作或碰撞检测错误。基于上述的汽车吊伸缩臂挠度变形的虚拟现实仿真设计方法，应用到三维吊装虚拟仿真过程，使起重机吊装仿真过程更逼真，制定的吊装方案也更有指导意义。

Claims (7)

1.一种基于虚拟现实的汽车吊臂挠度的仿真方法，其特征在于，计算起重机的吊臂中每一节臂的挠度及转角，将该计算得到的挠度及转角加载到起重机模型中，完成基于虚拟现实的吊装伸缩臂挠度的仿真；

仿真过程为：利用求得的每节臂的转角，驱动所建模型中与转角对应的每节臂，每节臂的子节点产生联动，模拟吊装过程，并在图形界面中实时显示整个吊臂的挠度形变量。

2.根据权利要求1所述的一种基于虚拟现实的汽车吊臂挠度的仿真方法，其特征在于，所述的挠度计算方法如下：起重机的吊臂第i节臂的挠度

i取整数，从1开始；其中，l为工作时吊臂总长，该值为固定长度，Z_i为各节臂臂头到吊臂尾铰点的距离；E为吊臂弹性模量，与材质有关的常量，p_y为吊臂轴线方向的受力，M_ox为转矩；I_xi为各节吊臂对x轴的惯性矩。

3.根据权利要求2所述的一种基于虚拟现实的汽车吊臂挠度的仿真方法，其特征在于，所述吊臂轴线方向的受力p_y的计算方法为p_y＝(Q+q)cosθ+γ_bG_bcosθ；其中Q为输入吊重载荷，q为吊钩与滑轮组重，θ为吊臂与转台的夹角；γ_b为吊臂自重转换系数，γ_b＝Lzb/l，其中，Lzb为吊臂重心位置，

Mzb为吊臂重量，

M_i为各臂的重量，Lg_i为各臂在任意工况下的重心位置， $\mathrm{Lg}\_i=\mathrm{init}\_\mathrm{Lg}\_i+\underset{i=0}{\overset{i}{\mathrm{\Σ}}}{n}_i\·\mathrm{LS}\_\mathrm{MAX}\_i,\mathrm{init}\_L{g}_i$ 为在吊臂全缩时各臂重心位置距离吊臂下铰点的距离；n_i为各臂的伸缩百分比，LS_MAX_i为每节臂的最大伸缩量，M_ox为转矩，M_ox＝(Q+q)sinθ*e₂-T_s*e₁，e₁，e₂为上、下滑轮力臂长，T_s为吊绳所受拉力，T_s＝1/n(Q+q)，n为吊钩倍率，取整数；x，y分别为所建模型中的坐标轴；每节臂的挠度转角θ_i的计算公式如下：

${\mathrm{\θ}}_i=\frac{{\mathrm{df}}_i}{\mathrm{dl}}=\frac{1}{{\mathrm{EI}}_{\mathrm{xi}}}[p_y{(l-Z_{i-1})}^2-p_y{(l-Z_i)}^2+M_{\mathrm{ox}}(l-Z_{i-1})-M_{\mathrm{ox}}(l-Z_i)]$

上述中的参数i为整数，从1开始取值；

第一节臂被油缸分成两段，油缸对吊臂的支撑点到吊臂尾铰点距离为a，Z₀被分为两段距离，分别为a和Z₀-a，该臂的挠度f₀计算为：

$f_0={\∫}_0^a\frac{p_y{(1-a)}^2+M_{0x}(1-a)}{a^2{\mathrm{EI}}_{x0}}{x}^2\mathrm{dx}+\underset{1-z_0}{\overset{1-a}{\∫}}\frac{(p_{y}x+M_{0x})x}{{\mathrm{EI}}_{x0}}\mathrm{dx},$ 其相应的转角θ₀计算为：

${\mathrm{\θ}}_0=\frac{{\mathrm{df}}_0}{\mathrm{dl}}=\frac{1}{{\mathrm{EI}}_{X0}}[({2Z}_0-4a/3)p_{y}l+(a^2-z_0^2)p_y+M_{0x}{Z}_0-2a{M}_{0x}/3].$

4.根据权利要求1所述一种基于虚拟现实的汽车吊臂挠度的仿真方法，其特征在于，所述的起重机模型采用以下步骤搭建：

1)预处理：从厂家获取起重机的原外观模型，在pro/e中对获得的原外观模型中每个部件进行收缩包络处理，包括填孔、忽略面组及忽略小曲面处理；

2)组装模型：在pro/e中根据预处理步骤中获得的零件模型构建起重机外观模型，并依据起重机工作时各部件的工作特征，包括回转台的转动、油缸的伸缩和变幅、吊钩的起升和下降，吊臂的伸缩、变幅和回转，在预处理后的外观模型中添加起重机对应部件的驱动轴；

3)模型分类：将组装后的外观模型按照起重机工作时部件间的联动关系，将其进行模块化分类，包括臂、吊钩、油缸、转台、腿、底盘以及组装模型步骤中添加的驱动轴模块；

4)数据格式转换：利用DeepExploration软件，依据起重机原型，对模型中各部件设置模型材质信息，材质信息设置包括阴影、扩散、高光、放射及不透明度处理；接着将上述得到的数据从.asm转换为VC++支持的.cpp数据，在得到的数据文件中获得模型中的点、面索引、法线、材质以及材质索引信息；

5)在vc++运行环境中，输入上述得到的.cpp数据文件，调用OpenGLAPI工具绘制起重机模型；

6)进行节点设置：将起重机的固定部分、转台、吊臂及油缸四个部分设为主节点，按照吊装结构顺序，依次设定吊臂中各节臂为对应前面臂的子节点，管理每个节点后面的所有子节点。

5.根据权利要求1所述一种基于虚拟现实的汽车吊臂挠度的仿真方法，其特征在于，所述起重机模型搭建步骤2)中，对经过收缩包络后的起重机零件模型，若零件模型结构存在缝隙，则在pro/e中采用多个平面修补缝隙。

6.根据权利要求1所述一种基于虚拟现实的汽车吊臂挠度的仿真方法，其特征在于，模拟吊装过程中，实时显示吊装物及吊臂的具体位置信息。

7.根据权利要求1-6任一项所述一种基于虚拟现实的汽车吊臂挠度的仿真方法，其特征在于，起重机模型搭建后，获取实际吊装现场空间信息，将现场空间内起重机周围的物体绘制到起重机模型所在的场景中。

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