CN105653802A - 一种基于三维分析的汽车起重机吊臂挠度计算方法及设备 - Google Patents

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曹卫华
甘超
安剑奇
吴敏
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Abstract

本发明公开了一种基于三维分析的汽车起重机吊臂挠度计算方法及设备，该方法包括：基于汽车起重机的固定参数建立汽车起重机的吊装三维模型；吊装三维模型导入绳索模块中建立起绞车-滑轮-钢丝绳模型；基于绞车-滑轮-钢丝绳模型进行吊装过程中的动载荷仿真，仿真产生满足预设条件的动载荷进入到瞬态动力学中得到实时的汽车起重机吊臂挠度；基于实时的汽车起重机吊臂挠度确定吊装物的实时空间位置。实时仿真汽车吊臂挠度考虑了吊装作业过程吊装系统的动态特性，能实时仿真吊装过程中吊臂的挠度变化。从而提高了吊装操作的仿真精度，可以实时计算出吊装物位置，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

一种基于三维分析的汽车起重机吊臂挠度计算方法及设备
技术领域
本发明涉及工程机械领域，尤其涉及一种基于三维分析的汽车起重机吊臂挠度计算方法及设备。
背景技术
随着全国各地城镇化建设、铁路交通、能源水利、石油化工等各个方面的快速、大型化地发展，使起重机产业迎来了新的发展。而现代化建设的进程越来越快，吊装过程的高效性和安全性就凸显的尤为重要，传统的人工吊装越来越难适应现代吊装作业的要求，汽车起重机正向着自动化和智能化方向发展。
伸缩式吊臂是汽车起重机的一个重要的工作构件。吊装过程中，吊臂在受到荷载的作用下会产生挠度变形，极大的影响起重机的工作性能及安全。汽车起重机的特点是工作时经常启、制动，而在启、制动的过程中汽车起重机承受着强烈的冲击和振动，因此在进行起重机吊臂挠度计算时需要将动载荷考虑进去。当前碰撞检测、路径规划等技术被广泛的运用于汽车起重机的智能化进程中，在实际吊装前运用计算机仿真技术能够极大程度的降低成本、节约工期，是一种被广泛应用的技术方法。在之前的仿真中未考虑动载荷对挠度的影响是因为在仿真中柔性绳索自身和其与绞车接触力十分复杂，一直未得到很好地解决。
目前挠度仿真计算一般采用静力学方法或将动载系数作为常数带入的动力学方法，不能得到吊装过程中实时的吊臂挠度值，不能直接指导吊装操作，具有较大的局限性。
发明内容
本发明实施例通过提供了一种基于三维分析的汽车起重机吊臂挠度计算方法及设备，解决了现有挠度仿真具有较大的局限性的技术问题。
第一方面，本发明实施例提供的一种基于三维分析的汽车起重机吊臂挠度计算方法，包括：基于汽车起重机的固定参数建立汽车起重机的吊装三维模型；所述吊装三维模型导入绳索模块中建立起绞车-滑轮-钢丝绳模型；基于所述绞车-滑轮-钢丝绳模型进行吊装过程中的动载荷仿真，仿真产生满足预设条件的动载荷进入到瞬态动力学中得到实时的汽车起重机吊臂挠度；基于所述实时的汽车起重机吊臂挠度确定吊装物的实时空间位置。
优选的，所述预设条件具体为与理论载荷结果相同，则所述产生满足预设条件的动载荷进入到瞬态动力学中得到实时的汽车起重机吊臂挠度，包括：
S1：基于所述绞车-滑轮-钢丝绳模型进行所述吊装过程中的动载荷仿真；
S2：判断仿真产生的所述动载荷是否与所述理论载荷结果相同；
S3：若相同，则仿真产生的所述动载荷进入到所述瞬态动力学中得到所述实时的汽车起重机吊臂挠度，若不相同则调整参数后返回S1。
优选的，在所述仿真产生满足预设条件的动载荷进入到瞬态动力学中得到实时的汽车起重机吊臂挠度之后，所述方法还包括：
所述实时的汽车起重机吊臂挠度进入所述瞬态动力学中随时间变化分析，得到任意路径上的挠度-时间曲线。
优选的，则仿真产生的所述动载荷进入到所述瞬态动力学中得到所述实时的汽车起重机吊臂挠度，具体为：
仿真产生的所述动载荷以excel格式进入到所述瞬态动力学中得到所述实时的汽车起重机吊臂挠度。
优选的，所述绞车-滑轮-钢丝绳模型，具体为：
简化绞车-滑轮-钢丝绳模型，或离散绞车-滑轮-钢丝绳模型。
第二方面，本发明实施例提供了一种基于三维分析的汽车起重机吊臂挠度计算设备，包括：
建立单元，用于基于汽车起重机的固定参数建立汽车起重机的吊装三维模型；
导入单元，用于所述吊装三维模型导入绳索模块中建立起绞车-滑轮-钢丝绳模型；
仿真单元，用于基于所述绞车-滑轮-钢丝绳模型进行吊装过程中的动载荷仿真，仿真产生满足预设条件的动载荷进入到瞬态动力学中得到实时的汽车起重机吊臂挠度；
确定单元，用于基于所述实时的汽车起重机吊臂挠度确定吊装物的实时空间位置。
优选的，所述预设条件具体为与理论载荷结果相同，则所述仿真单元，具体用于：
S1：基于所述绞车-滑轮-钢丝绳模型进行所述吊装过程中的动载荷仿真；
S2：判断仿真产生的所述动载荷是否与所述理论载荷结果相同；
S3：若相同，则仿真产生的所述动载荷进入到所述瞬态动力学中得到所述实时的汽车起重机吊臂挠度，若不相同则调整参数后返回S1。
优选的，所述设备还包括：分析单元，用于所述实时的汽车起重机吊臂挠度进入所述瞬态动力学中随时间变化分析，得到任意路径上的挠度-时间曲线。
优选的，所述仿真单元，具体用于：仿真产生的所述动载荷以excel格式进入到所述瞬态动力学中得到所述实时的汽车起重机吊臂挠度。
优选的，所述绞车-滑轮-钢丝绳模型，具体为：简化绞车-滑轮-钢丝绳模型，或离散绞车-滑轮-钢丝绳模型。
本发明实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
本发明实施例利用绳索模块计算起重机吊装过程中所产生的动载荷，计算得到的动载荷进入瞬态动力学中得到汽车起重机吊臂的实时挠度，实时仿真汽车吊臂挠度考虑了吊装作业过程吊装系统的动态特性，能实时仿真吊装过程中吊臂的挠度变化。从而提高了吊装操作的仿真精度，可以实时计算出吊装物位置，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。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例中基于三维分析的汽车起重机吊臂挠度计算方法；
图2为本发明实施例中使用简化绞车-滑轮-钢丝绳模型和离散绞车-滑轮-钢丝绳模型进行仿真的负载对比图；
图3为本发明实施例中基于Matlab仿真出的负载曲线。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参考图1所示，本发明实施例提供了一种基于三维分析的汽车起重机吊臂挠度计算方法，包括：
S101、基于汽车起重机的固定参数建立汽车起重机的吊装三维模型。
比如，以某制造商的一款汽车起重机的固定参数为例，建立的汽车起重机的吊装三维模型的参数如下：已知吊重质量为5000kg，吊高为20m，初速度为52.4mm/s，钢丝绳的直径为16mm，钢丝绳刚度系数为12500N/mm，钢丝绳运动的阻尼系数为1500Ns/m，转动副的驱动函数为30d/s。吊臂全伸长度为46.19m，各节臂的最大伸长量均为13.8m，吊臂重心到吊臂尾铰点距离为11.12m，变幅油缸对吊臂支撑点到吊臂尾铰点之间距离a为7.29米。在垂直平面内，第1-3节臂对吊臂轴线方向的惯性矩Ixi，i∈(0,2)分别为0.030米的四次方、0.25米的四次方、0.06米的四次方，吊臂的弹性模量E为208e3吉帕。上滑轮的力臂长e1为0.2m，下滑轮的力臂长e2为0.15m，β为0，吊臂的总质量为96886千克,L3、L4、L5分别为9.69m、13.23m、16.32m。
S102、吊装三维模型导入绳索模块中建立起绞车-滑轮-钢丝绳模型。
具体的，绳索模块可以为adams(机械系统动力学自动分析，AutomaticDynamicAnalysisofMechanicalSystems)的绳索模块，但是不限于为adams中的绳索模块。通过绳索模块建立的绞车-滑轮-钢丝绳模型可以为两种，一种是简化绞车-滑轮-钢丝绳模型，另一种为离散绞车-滑轮-钢丝绳模型。简化绞车-滑轮-钢丝绳模型具体为忽略了钢丝绳的质量和惯性，但是不能仿真振动对吊装系统的影响，能够计算滑轮与钢丝绳之间的摩擦力；离散绞车-滑轮-钢丝绳模型能够精确地计算钢丝绳在滑轮上的受力，并且能真实的模拟钢丝绳的振动，较佳的，本实施例使用离散绞车-滑轮-钢丝绳模型，使真实的模拟钢丝绳的振动。
比如，在绳索模块中可以设置滑轮的厚度为50mm，槽深为20mm，滑轮与钢丝绳之间的接触刚度为1*10^5N/mm，阻尼系数为50Ns/mm。钢丝绳的直径为16mm，转动副的驱动函数为30d/s。
具体来讲，将吊臂下端固定，加入重力以及划分网后，进行求解后得到绞车-滑轮-钢丝绳模型沿Y、Z轴的变形图。同时在瞬态动力学中沿着吊臂轴线方向设置一条路径进行求解得到该路径上吊臂挠度的动态变化。
分别使用简化绞车-滑轮-钢丝绳模型和离散绞车-滑轮-钢丝绳模型进行仿真实验得到如图2所示的汽车起重机吊装负载对比图，其中，图2中虚线是使用简化绞车-滑轮-钢丝绳模型得到的负载曲线，数值与吊重的基本一致，没有考虑动载荷的负载曲线。
而图2中的实线是使用离散绞车-滑轮-钢丝绳模型得到的负载曲线，实线的负载曲线具体考虑了钢丝绳振动所产生的动载荷，动载荷的方向与图2中所选参考坐标系方向相反为负值。这里为了分析方便，将负载取正值，如图2可见，实线的负载曲线在0～0.5s会在49303N左右上下振荡，最大值69060N，0.5s之后会在阻尼的作用下达到稳定。
S103、基于绞车-滑轮-钢丝绳模型进行吊装过程中的动载荷仿真，仿真产生满足预设条件的动载荷进入到瞬态动力学中得到实时的汽车起重机吊臂挠度。
具体的，仿真产生的动载荷以excel格式进入到瞬态动力学中得到实时的汽车起重机吊臂挠度，瞬态动力学可以使用现有ANSYS有限元软件中的瞬态动力学模块，但是不限于ANSYS有限元软件中的瞬态动力学模块。
由于负载会在启动的一小段时间内上下波动且范围较大，负载变化率范围在[-18.2％，40.9％]，因此在计算挠度时应该考虑动载荷的影响。
具体的，预设条件具体为与理论载荷结果相同，则产生满足预设条件的动载荷进入到瞬态动力学中得到实时的汽车起重机吊臂挠度，包括如下步骤：
步骤S1：基于绞车-滑轮-钢丝绳模型进行吊装过程中的动载荷仿真。
步骤S2：判断仿真产生的动载荷是否与理论载荷结果相同。
步骤S3：若相同，则仿真产生的动载荷进入到瞬态动力学中得到实时的汽车起重机吊臂挠度，若不相同则调整参数后返回步骤S1，直至相同为止。
在具体实施过程中，也可以适当放宽预设条件为仿真产生的动载荷与理论载荷结果之间的差异小于预设阈值。则产生满足预设条件的动载荷进入到瞬态动力学中得到实时的汽车起重机吊臂挠度，包括如下步骤：
步骤4：基于绞车-滑轮-钢丝绳模型进行吊装过程中的动载荷仿真。
步骤5：判断仿真产生的动载荷是否与理论载荷结果之间的差异小于预设阈值。
步骤6：若相同，则仿真产生的动载荷进入到瞬态动力学中得到实时的汽车起重机吊臂挠度，若不相同则调整参数后返回S1。
具体的，动载荷仿真使用Matlab(matrix&laboratory，矩阵工厂)仿真出的负载曲线参考图3所示，可见与图2中adams仿真出的负载曲线(实线的负载曲线)基本重合。这证明了adams仿真的正确性。
由图2和图3的仿真图结果可知，图2中实线的负载曲线与图3中负载曲线的走势和大小均保持一致，而汽车起重机吊装负载仿真是模拟真实的吊装作业过程所得到的动载荷仿真结果，将Matlab仿真产生的动载荷作为参考，说明了本发明实施例中所建的绞车-滑轮-钢丝绳模型和动载荷仿真的正确性，为后续考虑动载荷的汽车起重机吊臂挠度计算提供了可靠的输入。
S104、基于实时的汽车起重机吊臂挠度确定吊装物的实时空间位置。
在具体实施过程中，在仿真产生满足预设条件的动载荷进入到瞬态动力学中得到实时的汽车起重机吊臂挠度之后还包括如下步骤：实时的汽车起重机吊臂挠度进入瞬态动力学中随时间变化分析，得到任意路径上的挠度-时间曲线。
比如，以吊臂和地面成45°角的情况进行分析，将之前仿真产生的动载荷带入到瞬态动力学中，选取路径后进行仿真能够得到该路径上的动态挠度变化。
上述技术方案能适用于多种汽车起重机，能得到实时的汽车起重机的吊臂挠度数值，实现方法简单，与实际挠度形变数据相比，仿真结果误差小。
基于同一发明构思，本发明实施例提供了一种基于三维分析的汽车起重机吊臂挠度计算设备，包括：建立单元，用于基于汽车起重机的固定参数建立汽车起重机的吊装三维模型；导入单元，用于所述吊装三维模型导入绳索模块中建立起绞车-滑轮-钢丝绳模型；仿真单元，用于基于所述绞车-滑轮-钢丝绳模型进行吊装过程中的动载荷仿真，仿真产生满足预设条件的动载荷进入到瞬态动力学中得到实时的汽车起重机吊臂挠度；
确定单元，用于基于所述实时的汽车起重机吊臂挠度确定吊装物的实时空间位置。
优选的，所述预设条件具体为与理论载荷结果相同，则所述仿真单元，具体用于：S1：基于所述绞车-滑轮-钢丝绳模型进行所述吊装过程中的动载荷仿真；S2：判断仿真产生的所述动载荷是否与所述理论载荷结果相同；S3：若相同，则仿真产生的所述动载荷进入到所述瞬态动力学中得到所述实时的汽车起重机吊臂挠度，若不相同则调整参数后返回S1。
优选的，所述设备还包括：分析单元，用于所述实时的汽车起重机吊臂挠度进入所述瞬态动力学中随时间变化分析，得到任意路径上的挠度-时间曲线。
优选的，所述仿真单元，具体用于：仿真产生的所述动载荷以excel格式进入到所述瞬态动力学中得到所述实时的汽车起重机吊臂挠度。
优选的，所述绞车-滑轮-钢丝绳模型，具体为：简化绞车-滑轮-钢丝绳模型，或离散绞车-滑轮-钢丝绳模型。
本实施例为前述基于三维分析的汽车起重机吊臂挠度计算方法的产品实施例，本领域技术人员根据前述方法实施例可以知晓本实施例中基于三维分析的汽车起重机吊臂挠度计算设备的具体实施方式，凡是应用前述基于三维分析的汽车起重机吊臂挠度计算方法的设备均属于本实施例保护的范围。
通过上述本发明实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
本发明实施例利用绳索模块计算起重机吊装过程中所产生的动载荷，计算得到的动载荷进入瞬态动力学中得到汽车起重机吊臂的实时挠度，实时仿真汽车吊臂挠度考虑了吊装作业过程吊装系统的动态特性，能实时仿真吊装过程中吊臂的挠度变化。从而提高了吊装操作的仿真精度，可以实时计算出吊装物位置，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。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种基于三维分析的汽车起重机吊臂挠度计算方法，其特征在于，包括：
基于汽车起重机的固定参数建立汽车起重机的吊装三维模型；
所述吊装三维模型导入绳索模块中建立起绞车-滑轮-钢丝绳模型；
基于所述绞车-滑轮-钢丝绳模型进行吊装过程中的动载荷仿真，仿真产生满足预设条件的动载荷进入到瞬态动力学中得到实时的汽车起重机吊臂挠度；
基于所述实时的汽车起重机吊臂挠度确定吊装物的实时空间位置。
2.如权利要求1所述的基于三维分析的汽车起重机吊臂挠度计算方法，其特征在于，所述预设条件具体为与理论载荷结果相同，则所述产生满足预设条件的动载荷进入到瞬态动力学中得到实时的汽车起重机吊臂挠度，包括：
S1：基于所述绞车-滑轮-钢丝绳模型进行所述吊装过程中的动载荷仿真；
S2：判断仿真产生的所述动载荷是否与所述理论载荷结果相同；
S3：若相同，则仿真产生的所述动载荷进入到所述瞬态动力学中得到所述实时的汽车起重机吊臂挠度，若不相同则调整参数后返回S1。
3.如权利要求2所述的基于三维分析的汽车起重机吊臂挠度计算方法，其特征在于，在所述仿真产生满足预设条件的动载荷进入到瞬态动力学中得到实时的汽车起重机吊臂挠度之后，所述方法还包括：
所述实时的汽车起重机吊臂挠度进入所述瞬态动力学中随时间变化分析，得到任意路径上的挠度-时间曲线。
4.如权利要求3所述的基于三维分析的汽车起重机吊臂挠度计算方法，其特征在于，则仿真产生的所述动载荷进入到所述瞬态动力学中得到所述实时的汽车起重机吊臂挠度，具体为：
仿真产生的所述动载荷以excel格式进入到所述瞬态动力学中得到所述实时的汽车起重机吊臂挠度。
5.如权利要求4所述的基于三维分析的汽车起重机吊臂挠度计算方法，其特征在于，所述绞车-滑轮-钢丝绳模型，具体为：
简化绞车-滑轮-钢丝绳模型，或离散绞车-滑轮-钢丝绳模型。
6.一种基于三维分析的汽车起重机吊臂挠度计算设备，其特征在于，包括：
建立单元，用于基于汽车起重机的固定参数建立汽车起重机的吊装三维模型；
导入单元，用于所述吊装三维模型导入绳索模块中建立起绞车-滑轮-钢丝绳模型；
仿真单元，用于基于所述绞车-滑轮-钢丝绳模型进行吊装过程中的动载荷仿真，仿真产生满足预设条件的动载荷进入到瞬态动力学中得到实时的汽车起重机吊臂挠度；
确定单元，用于基于所述实时的汽车起重机吊臂挠度确定吊装物的实时空间位置。
7.如权利要求6所述的基于三维分析的汽车起重机吊臂挠度计算设备，其特征在于，所述预设条件具体为与理论载荷结果相同，则所述仿真单元，具体用于：
S1：基于所述绞车-滑轮-钢丝绳模型进行所述吊装过程中的动载荷仿真；
S2：判断仿真产生的所述动载荷是否与所述理论载荷结果相同；
S3：若相同，则仿真产生的所述动载荷进入到所述瞬态动力学中得到所述实时的汽车起重机吊臂挠度，若不相同则调整参数后返回S1。
8.如权利要求7所述的基于三维分析的汽车起重机吊臂挠度计算设备，其特征在于，所述设备还包括：
分析单元，用于所述实时的汽车起重机吊臂挠度进入所述瞬态动力学中随时间变化分析，得到任意路径上的挠度-时间曲线。
9.如权利要求8所述的基于三维分析的汽车起重机吊臂挠度计算设备，其特征在于，所述仿真单元，具体用于：
仿真产生的所述动载荷以excel格式进入到所述瞬态动力学中得到所述实时的汽车起重机吊臂挠度。
10.如权利要求9所述的基于三维分析的汽车起重机吊臂挠度计算设备，其特征在于，所述绞车-滑轮-钢丝绳模型，具体为：
简化绞车-滑轮-钢丝绳模型，或离散绞车-滑轮-钢丝绳模型。
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