CN108121849A - 一种起重机组合臂架三维高精度虚拟显示方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种起重机组合臂架三维高精度虚拟显示方法，包括以下步骤：步骤S1，计算起重机组合臂架变形量；步骤S2，对组合臂架建立三维几何模型；步骤S3，基于几何模型建立骨骼模型，并将几何模型绑定骨骼模型以保证几何模型随骨骼运动；步骤S4，将组合臂架变形量数据传递给骨骼模型，以驱动骨骼模型带动几何模型实现组合臂架挠曲显示。本发明计算得到臂架变形量数据，然后将数据传递至吊装仿真系统，并驱动三维几何模型运动，使臂架骨骼会根据变形量数据进行运动，保证臂架变形的精确、高效显示。

Description

一种起重机组合臂架三维高精度虚拟显示方法

技术领域

本发明涉及移动式起重机吊装方案规划技术领域，具体涉及一种起重机组合臂架三维高精度虚拟显示方法。

背景技术

随着起重机向大型化方向发展，起重机系统越来越复杂，扩展工况越来越多，用户作业难度大幅度提高，对起重机的安全性、作业效率、作业精度要求越来越高；另外，随着吊装工程向大型化、复杂化、精确化方向发展，国内外施工现场对人员、设备、环境的安全标准越来越严格，简单的手工计算已不能满足大型施工单位的需要。针对上述问题，国内外相关企业单位将虚拟仿真技术引入吊装领域，开发了不同版本的吊装模拟系统，就是起重机用户在吊装作业前，可以通过PC电脑/起重机车载控制器/移动终端进行虚拟吊装规划，提前判断出吊装作业是否安全有效。

在现有的吊装模拟技术方案中，对组合臂架的三维挠曲显示大都通过刚体显示，不涉及挠曲变形显示，目前只有中南大学开发的吊装模拟系统中采用了汽车吊臂挠度仿真，但是主要通过力学线性计算算出相应的每一节臂的挠度和转角，将该计算得到的挠度和转角加载到起重机模型上，模型不包含骨骼，显示精度较低，不能够精确的指导吊装过程，并且主要为主臂工况，不涉及组合臂架。

综上所述，现有的吊装模拟方案中，臂架大都简化为刚体显示没有挠取变形或者将吊臂简化为简单的梁模型进行计算，不考虑组合臂架的挠度变形或者挠度变形精度较低，不能满足GB3811以及欧盟EN13000中关于起重机力限器标定精度的标准要求，也不足以保障起重机实际吊装的安全性。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供了一种起重机组合臂架三维高精度虚拟显示方法，可以有效的解决起重机实际臂架变形与虚拟显示变形量的精度问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种起重机组合臂架三维高精度虚拟显示方法，其特征是，包括以下步骤：

步骤S1，计算起重机组合臂架变形量；

步骤S2，对组合臂架建立三维几何模型；

步骤S3，基于几何模型建立骨骼模型，并将几何模型绑定骨骼模型以保证几何模型随骨骼运动；

步骤S4，将组合臂架变形量数据传递给骨骼模型，以驱动骨骼模型带动几何模型实现组合臂架挠曲显示。

进一步的，步骤S1中，采用非线性大变形计算方法来计算变形量。

进一步的，步骤S1中，采用线性解析法来计算变形量。

进一步的，骨骼模型中各节骨骼大小与臂架外壁大小相同。

进一步的，骨骼模型中骨骼分布为每节吊臂12～14个骨骼。

进一步的，步骤S4中，采用了最小二乘法对变形量数据进行多项式拟合，传递至骨骼模型。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：

1)现有技术方案线性解析法计算变形量不准确，通过对组合臂架的非线性大变形计算发现，线性计算比几何非线性大变形计算误差精度大5-10％以上，另外现有起重机制造商起重机性能计算结果得到的性能表中幅度参数已经考虑变形，如果在臂架变形显示中单独采用变形的数学模型，造成二者的误差积累；

2、现有技术方案无骨骼绑定，由于起重机单节吊臂长度较大，只对每一节臂的单一节点进行计算挠度和转角，曲线不够平滑，虚拟显示的臂架曲线和实际曲线误差较大；

3、现有技术方案没有系统考虑臂架的综合变形，由于起重机向大型化方向发展，臂架组合越来越多，越来越复杂，单一的主臂工况无法满足实际吊装仿真需要。

附图说明

图1是起重机吊重后幅度变化示意图；

图2是几何非线性大变形计算理论示意图；

图3是大变形计算组合臂架的弯矩分解示意图；

图4是根据臂架建立骨骼示意图；

图5是图4实施例中臂架绑定骨骼后变形的示意图；

图6是图5实施例中仿真模型中臂架变形后的示意图；

图7是起重机吊重后现有技术中刚体模型与本发明模型的对比图；

图8是本发明显示方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

为了更好地理解本发明，对本发明中涉及到的术语进行详细的解释：

吊装模拟：在进行实际吊装前，通过电脑对吊装过程进行二维或者三维模拟仿真，通过模拟验证吊装方案可行性，提高吊装作业安全性的方法；

吊装规划：通过对起重机、吊装物体、吊装环境的设置，结合数学、物理运算，寻找到将吊装物体从初始位置移动到吊装目标位置的最佳方法；

组合臂架：包含主臂、固定副臂、塔式副臂、超起等工况组合和臂架组合方式的臂架组合方法。主要工况有：主臂、主臂+固定副臂、主臂+塔式副臂；主臂+超起、主臂+超起+固定副臂、主臂+超起+塔式副臂等；

起重机控制系统：通过车载显示器、力矩限制器、传感器等硬件装置对起重机各种动作进行控制；

大变形计算：结构的总体刚度依赖于它的组成单元的方向和单独刚度。当一个单元的节点经历了位移后，这个单元对总体刚度的贡献就以两种方式改变了。首先，如果这个单元的形状改变了，他的单元刚度将改变。其次，如果这个单元的取向改变了，它的局部刚度转化到全局部件的变换也将改变。小的变形和小的应变分析假定位移足够小，使所得的刚度改变无足轻重。这种刚度不变假定，意味着使用基于初始的几何形状的结构刚度。相反，大变形分析考虑了单元形状和去向的改变导致刚度的改变。简单的说线性计算是对模型进行一次加载计算的；而几何大变形则是对模型逐步加载，直至加载到目标载荷。大变形理论属于几何非线性的范畴，在大变形计算中，由于加载位置的变化使得计算中充分考虑的附加弯矩的影响。

本发明的一种起重机组合臂架三维高精度虚拟显示方法，如图8所示，包括以下步骤：

步骤S1，臂架变形量计算：计算组合臂架变形量信息，保证起重机组合臂架的高精度显示的数值精确性。

起重机的吊重性能为每个臂长下不同幅度对应的吊重量，所以起重机控制系统控制的三个主要参数为臂长(L)、吊重量(Q)、幅度(R)，其中幅度在性能计算中已经考虑了吊臂的变形。由于起重机性能表为离散数值，起重机在出厂前需要根据实际吊重情况，对起重机控制系统进行标定，从而保证起重机不同臂长下，起重量与幅度的连续性。对于起重机控制系统来说，如果因为主臂实际的变形量没有计算正确，会导致实际幅度的偏差，同时引起吊重量的偏差。起重机吊重前后变形明显(见图1所示)，由此可见，对起重机臂架变形量计算的重要性。

在现有技术中对起重机组合臂架变形的传统计算方法为线性计算方法。

(1)线性计算

对起重机组合臂架变形的传统计算方法主要为解析法，通过将起重机每节吊臂简化为梁结构，通过计算每节吊臂的变形量，最终得到整个臂架的变形总量。

起重机的吊臂第i节臂的挠度(变形量)计算公式为：

其中：i取整数，从1开始；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_0x为转矩；I_xi为各节吊臂对x轴的惯性矩，变量x是指垂直于吊臂方向的变形量，坐标系沿着吊臂长度方向为y轴，垂直方向为x轴。

起重机臂架结构为典型的薄壁结构，随着起重机臂架越来越长，在吊重载荷作用下，尽管应变很小，甚至未超过弹性极限，但是位移较大，材料线元素会有较大的位移和转动。这时平衡条件应如实地建立在变形后的形位上，以考虑变形对平衡的影响。现有的线性计算方法已无法满足起重机臂架设计要求。

(2)几何非线性大变形计算

本发明采用几何非线性大变形计算方法进行起重机臂架变形量计算，作为臂架虚拟显示的数据源。此方法极大的提升了臂架显示精度，从而保证了实际吊装的安全性。

几何非线性大变形计算方法属于现有技术，其理论基础如图2所示，一个物体上微小元由于物体的变形变成了变形后的由图2可知，记PQ的长为dl，P′Q′的长为dl′。则

已知大变形应变(Green-Lagrange Strain E_mn)的定义为：

将公式1代入公式2，可得大变形应变的计算公式为：

小变形应变公式：

由此可见，大变形比小变形多了一个高阶项，应变较小时候适用于小变形理论。

采用几何非线性大变形计算方法计算起重机臂架变形量，从宏观角度考虑，在大变形计算中，由于加载位置的变化使得计算中充分考虑了附加弯矩的影响。具体如图3所示。图3中两条粗线分别表示起重机吊重前、后的变形；F表示吊重载荷，F1和F2分别是F沿吊臂方向与垂直于吊臂方向的分力。L1是b与c点垂直于吊臂方向的距离，L2是吊重点到端面A沿着吊臂方向的距离。显然，A截面的内力有F1和F2×L2产生的弯矩，同时由于吊臂变形，还要考虑轴向力F1×L1产生的附加弯矩的影响(F1×L1是上一段理论的宏观表达，Emn是材料力学的微观表达)。在几何大变形中是考虑这一项附加弯矩的，传统计算方法不考虑此项。结果是几何大变形计算结果精度高于线性计算5-10％以上。

步骤S2，几何建模：通过三维软件对起重机组合臂架建立三维几何模型。

根据起重机设计参数(包括几何参数、重量重心、材料属性、截面信息等)进行三维几何建模模型(现有技术中通常是proe模型)，为了将设计的几何模型转化为能够三维显示的精简模型，需要通过数据格式转换后，在三维建模软件中对原始几何模型(是proe模型)中各部件进行几何处理，包括对面的修补，几何模型的精简等；然后对几何模型进行材料信息设置，材质信息包括各种视觉效果处理，以及部件变形后平滑度处理。此步骤中建模过程可参见现有技术，此处不再赘述。

步骤S3，建立骨骼：基于组合臂架几何模型建立骨骼模型，并将几何模型绑定骨骼模型以保证三维几何模型随骨骼进行运动。

运用三维软件对组合臂架部件进行骨骼的建立(骨骼相当于软体动物的骨架，比如仿真蛇，只有这样才能把吊臂分成若干的小段，每个小段都有变形的信息，这样连贯成一个整体之后，更加的连贯，显示的精度高)。骨骼大小与臂架外壁大小相同，骨骼分布(数量)为每节吊臂12-14个骨骼，此数量值是经验数据，这个数量吊臂变形显示的平顺，计算机的预算速度也能保证。根据几何模型建立骨骼模型的示意图如图4所示。绑定骨骼后的效果为，随意选中一节骨骼，选择三维软件菜单栏上的旋转命令，任意旋转角度，臂架跟随骨骼运动而运动，如图5所示。绑定骨骼后臂架弯曲的效果示意图，如图6所示。

步骤S4，参数传递：将通过非线性大变形计算得到的组合臂架变形量数据传递给骨骼模型中各节点，以驱动骨骼节点带动几何模型实现组合臂架挠曲显示。

为了将非线性大变形计算结果转化为可快速、方便读取的系统参数，本发明采用了最小二乘法对大量的变形数据进行多项式拟合。最小二乘法拟合保证了拟合精度，变形数据为详细计算的各臂架、臂节节点变形位移及转角。臂架模型显示时，改变臂架模型的各个骨骼的位置向量及方向矩阵，使臂架变形到与计算模型一致，通过数据模型的实时计算来驱动仿真模型实时显示。

然后运用开源三维引擎OGRE作为渲染系统，实现组合臂架高精度虚拟显示。现有技术中刚体模型与本发明方法仿真系统中臂架变形模型(实际仿真模型)对比图如图7所示。从图7中可以看出，依据本发明方法建立的模型能更好的显示臂架变形的精度。

本发明通过大变形方法计算得到臂架变形量数据，然后将数据传递至吊装仿真系统(和上面说的三维系统是一个系统)，并驱动三维几何模型运动，使臂架骨骼会根据变形量数据进行运动，保证臂架变形的精确、高效显示。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种起重机组合臂架三维高精度虚拟显示方法，其特征是，包括以下步骤：

步骤S1，计算起重机组合臂架变形量；

步骤S2，对组合臂架建立三维几何模型；

步骤S3，基于几何模型建立骨骼模型，并将几何模型绑定骨骼模型以保证几何模型随骨骼运动；

步骤S4，将组合臂架变形量数据传递给骨骼模型，以驱动骨骼模型带动几何模型实现组合臂架挠曲显示。

2.根据权利要求1所述的一种起重机组合臂架三维高精度虚拟显示方法，其特征是，步骤S1中，采用非线性大变形计算方法来计算变形量。

3.根据权利要求1所述的一种起重机组合臂架三维高精度虚拟显示方法，其特征是，步骤S1中，采用线性解析法来计算变形量。

4.根据权利要求1所述的一种起重机组合臂架三维高精度虚拟显示方法，其特征是，骨骼模型中各节骨骼大小与臂架外壁大小相同。

5.根据权利要求4所述的一种起重机组合臂架三维高精度虚拟显示方法，其特征是，骨骼模型中骨骼分布为每节吊臂12~14个骨骼。

6.根据权利要求1所述的一种起重机组合臂架三维高精度虚拟显示方法，其特征是，步骤S4中，采用了最小二乘法对变形量数据进行多项式拟合，传递至骨骼模型。