CN104008259A - 基于虚拟振动台的水果类运输包装件动态响应分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于虚拟振动台的水果类运输包装件动态响应分析方法，使用adams/car构建厢式货车、道路以及水果包装件振动台，来分析水果包装件在运输过程中的动态响应。本发明较为快捷和准确地模拟了水果包装件在运输过程中的振动情况，并得到水果包装件的振动输出时域响应(位移、速度、加速度)、振动传递率、频率响应加速度等指标，可分析出各层包装件的振动大小和固有频率，为企业与科研机构选择包装材料，具有高效、精准、实时等优点。

Description

基于虚拟振动台的水果类运输包装件动态响应分析方法

技术领域

本发明涉及包装动力学，具体涉及一种虚拟振动台的水果类运输包装件动态响应分析方法。

背景技术

近年来，随着经济建设和农业工程技术的不断发展，水果物流运输业在我国的发展显著加快，但是由于国内物流运输手段的不完善，导致水果在流通过程中破损严重。虽然实际的运输环境极其复杂，但是国内外一致认为振动和冲击是引起水果包装件破损的主要原因，因此，想要解决水果包装件的运输质量问题，就必须分析出水果在运输过程中的动力学状态。基于以上现状，研究水果类运输包装件的动态响应问题已日渐受到出人们的重视和关注。目前，关于此类问题的研究，国内外主要采用以下三种方法：

(1)试验法。该方法借助真实的包装振动试验台或者冲击试验台，对水果类包装件开展相应的力学试验(扫频、定频、随机振动等)，通过分析试验结果来研究包装件的动态响应。这种方法虽然较为精确，但是由于一般的振动台所携带的激励有限且大多为规则外力，这必将导致最后的结果与实际情况产生偏差。

(2)系统仿真法。本方法主要是利用matlab建立水果包装系统数学模型，通过仿真试验得到运输包装件的动态响应值。但由于matlab本身依赖于系统精确的数学模型，所以此方法对研究者的数学基础要求较高，且有时计算起来较为复杂，一定程度上影响了研究效率。

(3)包装动力学法。通过分析运输包装件的动力学状态，建立水果包装件的动力学方程，借助一定的数学计算方法，获得包装系统响应的解析解或者数值解，从而得出水果包装件的动力学规律。该方法由于纯粹是从数学理论的角度对运输包装件进行研究，建模和计算过程均较为复杂，所以对研究者的水平提出了很高要求，考虑到科研水平不足的一般性企业，此方法明显适用性不强。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于解决现有技术中的不足，提供一种基于虚拟振动台的水果类运输包装件动态响应分析方法。

技术方案：本发明的一种基于虚拟振动台的水果类运输包装件动态响应分析方法，包括以下步骤：

(1)调用adams/car软件中内置的厢式货车模型，再根据运输车辆的结构参数和动力学特性修改模型中车辆参数并调试模型，其中，车辆结构参数包括整车质量、部件质量和车身长度，动力学特性包括汽车发动机、悬架等各部件的动力性能参数，且车厢的质量还包括车厢所承载的水果包装件质量，而此处的车辆是指厢式货车；

(2)获取实际道路参数通并使用adams/car中的Road Builder建立二维或三维道路模型，作为整个运输包装系统的虚拟振动输入平台，其中所述实际道路参数包括直线和缓和曲线的长度、圆曲线半径、纵坡、坡度、路面摩擦系数等；

(3)获取水果包装件的结构参数，所述结构参数包括整个包装件的质量、形状和体积，外包装材料的刚度和阻尼，包装件内部缓冲衬垫的刚度和阻尼、包装件的堆码模式；

(4)基于上述步骤所得的运输车辆信息、实际道路参数和包装件参数，使用adams/view构建水果运输包装件的虚拟试验台，该虚拟试验台是指为水果堆码包装件施加振动激励的平台；

(5)确定车辆、道路和水果包装件之间的耦合关系以及运输包装系统的输入和输出，进而建立运输包装系统的虚拟振动台，该虚拟振动台是指由车、路、包装件共同组成的可视化虚拟试验仿真平台；

(6)根据步骤(5)中所述虚拟振动台，获取水果运输包装件的动力学指标，包括位移、速度和加速度，分析水果运输包装件在运输过程中的动态响应。

其中，步骤(3)中的外包装材料有瓦楞纸箱、蜂窝纸板封，而内部的缓冲衬垫包括纸盒、泡沫等。

进一步的，所述步骤(3)中的堆码模式是指堆码层数和堆码方式，其中堆码层数包括单层、双层和多层，堆码方式包括重叠式和交错式。

进一步的，所述步骤(4)的具体步骤如下：

(4.1)通过步骤(3)所获取的包装件结构参数，使用adams/view建立具有一定形状、体积和质量的包装件模型，并按堆码模式将包装件排列整齐，其中包装件的质心位置须位于同一条直线上，即X和Z方向上的坐标必须相同；

(4.2)在最底层包装件下方建立一个具有一定质量的长方体物块，即水果包装件的虚拟试验台；

(4.3)为每两个相邻的运输包装件之间、最底层包装件与振动试验台之间分别添加弹簧连接件，并赋予相应的等效刚度和等效阻尼；

(4.4)根据包装件的运动特征，确定包装件之间的运动关系、包装件与振动台之间的运动关系以及振动台与地面的运动关系，并为其施加运动副，前两者为移动副，后者为固定副；

(4.5)利用adams/view在每个运输包装件的相关位置均添加虚拟传感器，以测量速度、加速度和位移等动态响应指标；

(4.6)使用adams/view对虚拟试验台进行检查和调试直至确认无误，其中调试使用方法的数学表达方法为：

m_ix”_i＝k_i(x_i+1-x_i)+c_i(x_i+1-x’_i)-k_i-1(x_i-x_i-1)-c_i-1(x’_i-x’_i-1)-m_ig  (i＝1…N)

式中，m_i、k_i、c_i分别表示各层产品的质量、材料等效刚度系数和等效阻尼系数，m₁为顶层，其余以此类推，x_Ｎ+1＝u,k₀＝c₀＝0。

进一步的，所述步骤(5)中道路、车辆和包装件三者之间的输入和输出关系为：道路的不平度激励是运载体(含货物)的输入，运载体车厢底部的振动输出是包装件的振动输入，包装件的振动响应则是整个车辆-道路-包装件耦合系统的最终输出。进一步的，所述步骤(6)包括以下步骤：

(6.1)对由车辆、道路、包装件组成的运输包装系统进行仿真试验，得到包装件底部的振动激励；

(6.2)将(6.1)中获得的激励添加于在adams/view中建立的水果类包装件虚拟试验台，由此获得各层运输包装件的动力学响应；

(6.3)利用adams/postprocessor插件对动态响应指标进行时域分析和频域分析，其中频域分析方法为：

式中，f(t)为时域函数。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)本发明综合考虑了水果类运输包装件在流通过程中与车辆、道路间的相互作用等因素，以简捷高效的方式对包装件的动态响应进行分析，不仅与水果包装件的实际运输状态具有较高的一致性，而且适用性更强，因此具有很高的理论价值和推广前景；

(2)本发明借助adams软件所创建的虚拟振动仿真平台，可以全面地考虑运载体、道路和包装件之间的耦合作用，与水果实际的运输情况具有较高的一致性；

(3)本发明采取实体建模的方案，省去复杂的数学建模和计算过程，大幅度提高研究效率，较为快捷；

(4)本发明能够实现分析过程的可视化，工作人员可实时地观测到包装件在运输过程中的动态行为。

综上所述，本发明具有高效、精准、实时等优点，能够为商家、果农以及物流公司等提供准确的数据，以确定运输包装件的材料、结构等信息，省时省力，节省成本。

附图说明

图1是本发明的流程图；

图2是实施例中厢式货车-香梨包装件实体模型；

图3是实施例中香梨运输包装试验台振动模型(三层堆码件)示意图；

图4是本发明中虚拟振动平台示意图；

图5是实施例中各层香梨包装件的振动时域曲线；

图6是实施例中顶层包装件的频率响应特性曲线；

图7是实施例中中间层包装件的频率响应特性曲线；

图8是实施例中底层包装件的频率响应特性曲线；

图9是实施例中香梨堆码包装件在虚拟试验过程中的一些可视化状态示意图；

图10为本发明中道路、车辆和包装件之间的输入输出关系示意图。

具体实施方式

下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。

如图1所示，本发明的一种基于虚拟振动台的水果类运输包装件动态响应分析方法，包括以下步骤：

(1)调用adams/car软件中内置的厢式货车模型，再根据运输车辆的结构参数和动力学特性修改模型中车辆参数并调试模型，其中，车辆结构参数包括整车质量、部件质量和车身长度，动力学特性包括汽车发动机、悬架等各部件的动力性能参数，且车厢的质量还包括车厢所承载的水果包装件质量，而此处的车辆是指厢式货车；

(2)获取实际道路参数通并使用adams/car中的Road Builder建立二维或三维道路模型，作为整个运输包装系统的虚拟振动输入平台，其中所述实际道路参数包括直线和缓和曲线的长度、圆曲线半径、纵坡、坡度、路面摩擦系数等；

(3)获取水果包装件的结构参数，所述结构参数包括整个包装件的质量、形状和体积，外包装材料的刚度和阻尼，包装件内部缓冲衬垫的刚度和阻尼、包装件的堆码模式；堆码模式是指堆码层数和堆码方式，其中堆码层数包括单层、双层和多层，堆码方式包括重叠式和交错式；

(4)基于上述步骤所得的运输车辆信息、实际道路参数和包装件参数，使用adams/view构建水果运输包装件的虚拟试验台，该虚拟试验台是指为水果堆码包装件施加振动激励的平台；

(5)确定车辆、道路和水果包装件之间的耦合关系以及运输包装系统的输入和输出，进而建立运输包装系统的虚拟振动台，该虚拟振动台是指由车、路、包装件共同组成的可视化虚拟试验仿真平台；

(6)根据步骤(5)中所述虚拟振动台，获取水果运输包装件的动力学指标，包括位移、速度和加速度，分析水果运输包装件在运输过程中的动态响应。

进一步的，所述步骤(4)的具体步骤如下：

(4.1)通过步骤(3)所获取的包装件结构参数，使用adams/view建立具有一定形状、体积和质量的包装件模型，并按堆码模式将包装件排列整齐，其中包装件的质心位置须位于同一条直线上，即X和Z方向上的坐标必须相同；

(4.2)在最底层包装件下方建立一个具有一定质量的长方体物块，即水果包装件的虚拟试验台；

(4.3)为每两个相邻的运输包装件之间、最底层包装件与振动试验台之间分别添加弹簧连接件，并赋予相应的等效刚度和等效阻尼；

(4.4)根据包装件的运动特征，确定包装件之间的运动关系、包装件与振动台之间的运动关系以及振动台与地面的运动关系，并为其施加运动副，前两者为移动副，后者为固定副；

(4.5)利用adams/view在每个运输包装件的相关位置均添加虚拟传感器，以测量速度、加速度和位移等动态响应指标；

(4.6)使用adams/view对虚拟试验台进行检查和调试直至确认无误，其中调试使用方法的数学表达方法为：

m_ix”_i＝k_i(x_i+1-x_i)+c_i(x_i+1-x’_i)-k_i-1(x_i-x_i-1)-c_i-1(x’_i-x’_i-1)-m_ig  (i＝1…N)

式中，m_i、k_i、c_i分别表示各层产品的质量、材料等效刚度系数和等效阻尼系数，m₁为顶层，其余以此类推，x_Ｎ+1＝u,k₀＝c₀＝0。

进一步的，所述步骤(5)中道路、车辆和包装件三者之间的输入和输出关系为：道路的不平度激励是运载体(含货物)的输入，运载体车厢底部的振动输出是包装件的振动输入，包装件的振动响应则是整个车辆-道路-包装件耦合系统的最终输出。进一步的，所述步骤(6)包括以下步骤：

(6.1)对由车辆、道路、包装件组成的运输包装系统进行仿真试验，得到包装件底部的振动激励；

(6.2)将(6.1)中获得的激励添加于在adams/view中建立的水果类包装件虚拟试验台，由此获得各层运输包装件的动力学响应；

(6.3)利用adams/postprocessor插件对动态响应指标进行时域分析和频域分析，其中频域分析方法为：

式中，f(t)为时域函数。

实施例，下面以运输香梨为例对本发明进行详细说明。

(1)以解放牌某型号的厢式货车为对象，获取其结构参数和动力学特性，部分数据如表1所示；

表1：整车部分参数

(2)如图2所示，调用adams/car软件中内置的厢式货车模型，再根据(1)中的信息修改车辆参数并调试模型，其中后车厢还包括了多个香梨包装件的质量；

(3)使用adams/car中的Road Builder建立一变频正弦波形状的路段(C级路)，作为整个运输包装系统的虚拟振动平台；

(4)获取香梨包装件的结构参数，包括包装件的质量(6.2kg)、形状(长方体)、体积(425mm×275mm×215mm)、外包装盒特性(k＝26000N/m,c＝1000N·s/m)、堆码模式(三层重叠式堆码)等；

(5)如图3所示，使用adams/view构建三层香梨运输包装件的虚拟试验台模型，包括如下步骤：

(5-1)建立香梨的包装件模型1；

(5-2)将所有物块按堆码模式排列整齐，其中包装件的质心位置位于同一条直线上，即X和Z方向上的坐标必须相同，具体坐标如表2所示；

表2 香梨运输包装件的质心坐标

(5-3)在底层包装件正下方建立一个质量为50kg的虚拟振动台2，材料属性为steel；

(5-4)使用弹簧在包装件之间和包装件与振动台之间添加弹簧连接件3，并赋予等效刚度K和等效阻尼C的值；

(5-5)在包装件之间，包装件与振动台之间添加移动副4，在振动台与地面之间添加固定副5；

(5-6)在每个包装件的质心处添加虚拟传感器；

(5-7)使用adams/view对所建模型进行静力学、运动学和动力学的检查；

(6)确定厢式货车、道路和香梨包装件之间的耦合关系，并确定如图10所示的车辆、道路和包装件的输入输出关系，每一层香梨包装件的质心加速度是系统的输出，道路和整个运输包装系统构成了虚拟振动仿真平台；

(7)仿真获取香梨包装件的振动加速度，分析其在运输过程中的动态响应，包括如下步骤：

(7-1)对由厢式货车、道路、香梨包装件组成的大系统进行仿真试验，得到香梨堆码包装件底部的振动激励；

(7-2)将(7-1)中获得的激励导入adams/view,并施加于香梨包装件虚拟试验台，借助adams/postprocessor自动分析，可获得各层运输包装件的振动加速度时域曲线和频率响应函数(如图5至8所示)，由上述各图可知，底层包装件振动最大，中层次之，底层最小，且三层包装件的固有频率都很接近，均在8Hz左右，因此可以针对性地改善包装材料，规避系统的固有频率，从而减小货损。

此外，图9显示了堆码包装件在运输过程中的一些状态，实现了过程的可视化，可使研究者实时地观测到包装件的动态行为，及时发现货物在运输过程中所遇到的问题，从而提高了研究效率和质量。

Claims (8)

1.一种基于虚拟振动台的水果类运输包装件动态响应分析方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)调用adams/car软件中内置的厢式货车模型，再根据运输车辆的结构参数和动力学特性修改模型中车辆参数并调试模型，其中，车辆结构参数包括整车质量、部件质量和车身长度，动力学特性包括汽车发动机、悬架的动力性能参数，且车厢的质量还包括车厢所承载的水果包装件质量；

(2)获取实际道路参数通并使用adams/car中的Road Builder建立二维或三维道路模型，作为整个运输包装系统的虚拟振动输入平台，其中所述实际道路参数包括直线和缓和曲线的长度、圆曲线半径、纵坡、坡度、路面摩擦系数等；

(3)获取水果包装件的结构参数，所述结构参数包括整个包装件的质量、形状和体积，外包装材料的刚度和阻尼，包装件内部缓冲衬垫的刚度和阻尼、包装件的堆码模式；

(4)基于上述步骤所得的运输车辆信息、实际道路参数和包装件参数，使用adams/view构建水果运输包装件的虚拟试验台；

(5)确定车辆、道路和水果包装件之间的耦合关系以及运输包装系统的输入和输出，进而建立运输包装系统的虚拟振动台；

(6)根据步骤(5)中所述虚拟振动台，获取水果运输包装件的动力学指标，包括位移、速度和加速度，分析水果运输包装件在运输过程中的动态响应。

2.根据权利要求1所述的基于虚拟振动台的水果类运输包装件动态响应分析方法，其特征是步骤(1)中的车辆为厢式货车。

3.根据权利要求1所述的基于虚拟振动台的水果类运输包装件动态响应分析方法，其特征在于所述步骤(3)中的堆码模式是指堆码层数和堆码方式，其中堆码层数包括单层、双层和多层，堆码方式包括重叠式和交错式。

4.根据权利要求1所述的基于虚拟振动台的水果类运输包装件动态响应分析方法，其特征所述步骤(4)的具体步骤如下：

(4.1)通过步骤(3)所获取的包装件结构参数，使用adams/view建立具有一定形状、体积和质量的包装件模型，并按堆码模式将包装件排列整齐，其中包装件的质心位置须位于同一条直线上，即X和Z方向上的坐标必须相同；

(4.2)在最底层包装件下方建立一个具有一定质量的长方体物块，即水果包装件的虚拟试验台；

(4.3)为每两个相邻的运输包装件之间、最底层包装件与振动试验台之间分别添加弹簧连接件，并赋予相应的等效刚度和等效阻尼；

(4.4)根据包装件的运动特征，确定包装件之间的运动关系、包装件与振动台之间的运动关系以及振动台与地面的运动关系，并为其施加运动副，前两者为移动副，后者为固定副；

(4.5)利用adams/view在每个运输包装件的相关位置均添加虚拟传感器，以测量动态响应指标；

(4.6)使用adams/view对虚拟试验台进行检查和调试直至确认无误，其中调试使用方法的数学表达方法为：

m_i x”_i＝k_i(x_i+1-x_i)+c_i(x_i+1-x’_i)-k_i-1(x_i-x_i-1)-c_i-1(x’_i-x’_i-1)-m_ig  (i＝1…N)

式中，m_i、k_i、c_i分别表示各层产品的质量、材料等效刚度系数和等效阻尼系数，m₁为顶层，其余以此类推，x_Ｎ+1＝u,k₀＝c₀＝0。

5.根据权利要求1所述的基于虚拟振动台的水果类运输包装件动态响应分析方法，其特征在于：所述步骤(5)中道路、车辆和包装件三者之间的输入和输出关系为：道路的不平度激励是运载体(含货物)的输入，运载体车厢底部的振动输出是包装件的振动输入，包装件的振动响应则是整个车辆-道路-包装件耦合系统的最终输出。

6.根据权利要求1所述的基于虚拟振动台的水果类运输包装件动态响应分析方法，其特征在于所述步骤(4)中的水果包装件虚拟试验台是指为水果堆码包装件施加振动激励的平台。

7.根据权利要求1所述的基于虚拟振动台的水果类运输包装件动态响应分析方法，其特征在于所述步骤(5)中的虚拟振动台是指由车辆、道路和包装件共同组成的可视化虚拟试验仿真平台。

8.根据权利要求1所述的基于虚拟振动台的水果类运输包装件动态响应分析方法，其特征在于所述步骤(6)包括以下步骤：

(6.1)对由车辆、道路、包装件组成的运输包装系统进行仿真试验，得到包装件底部的振动激励；

(6.2)将(6.1)中获得的激励添加于在adams/view中建立的水果类包装件虚拟试验台，由此获得各层运输包装件的动力学响应；

(6.3)利用adams/postprocessor插件对动态响应指标进行时域分析和频域分析，其中频域分析方法为：

式中，f(t)为时域函数。