CN111898302A - 一种含间隙液压支架刚柔耦合动力学可视化仿真方法 - Google Patents

一种含间隙液压支架刚柔耦合动力学可视化仿真方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于动力学可视化仿真运动领域，涉及一种含间隙液压支架刚柔耦合动力学可视化仿真方法。S1根据一种型号的液压支架总装图纸，建立该型号支顶掩护式液压支架的三维模型图导入到ADAMS中；S2在ADAMS中添加除了含间隙关节相应的运动副的约束，实现运动关节连接关系；S3考虑前、后连杆与顶梁和底座之间存在间隙，完成含间隙关节的建模；S4将连杆做柔性化处理；S5设置立柱二级油缸和平衡千斤顶移动副的驱动函数；S6仿真模拟及后处理获得支架高度随水平偏移的变化结果图。本发明基于数字孪生技术，利用数字化样机，实现了支顶掩护式液压支架顶梁前端运动状态的模拟，为支顶掩护式液压支架压架实验研究提供硬件基础。

Description

一种含间隙液压支架刚柔耦合动力学可视化仿真方法
技术领域
本发明属于动力学可视化仿真运动领域，涉及一种含间隙液压支架刚柔耦合动力学可视化仿真方法。
背景技术
数字孪生指将现实世界中的物理模型映射为数字世界中的虚拟模型，虚拟模型和物理模型可以进行双向的数据交互以及信息融合，迭代优化，进而改善真实的物理系统性能。数字孪生技术作为新的数字化关键技术已应用到了与工业4.0相关的智能制造领域。通过将物理实体或流程转化为准实时的数字化镜像，实现对生产全流程的模拟分析。液压支架是现代化煤矿综采装备的关键装备之一。随着采煤层深度和厚度的增加，以及节能环保绿色理念的提出，对液压支架的设计和工作要求也越来越高。许多传统的设计方法使用“设计-试制-试验-改进”的基于物理样机的设计研发模式，这种设计研发模式的缺点是周期长、成本高，而计算机技术的发展为大型复杂结构件的仿真提供了有效的软硬件平台。通过建立基于数字孪生技术数字化样机代替真实的物理样机，进行数字化样机分析可以指导物理样机的设计工作，同时能够进一步为细化数字化样机提供建模参考，反映环境对性能的影响；并利用建立起来的数字化样机进行分析，来测试物理样机在使用中的性能，并对其校验，将结果反馈到设计阶段。
发明内容
本发明提供了一种含间隙液压支架刚柔耦合动力学可视化仿真方法，本发明考虑液压支架部分构件柔性和部分构件间间隙，用于模拟含间隙支顶掩护式液压支架刚柔耦合动力学仿真的过程中支架高度随水平偏移的运动轨迹。
一种含间隙液压支架刚柔耦合动力学可视化仿真方法，包括以下步骤：
S1，根据一种型号的液压支架总装图纸，建立该型号支顶掩护式液压支架的三维模型图，并将其保存为.x_t格式并导入到ADAMS软件中；
S2，在ADAMS中添加除了含间隙关节相应的运动副的约束，实现运动关节连接关系；
S3，考虑前、后连杆与顶梁和底座之间存在间隙，添加“接触”，接触刚度根据式(1)和(2)设置，力指数设置为1.5，穿透深度设置为0.01，阻尼系数设置为刚度系数的百分之一；考虑运动副间的摩擦，将摩擦力类型设置为库伦摩擦，静动摩擦系数可以根据材料类型查表获得。通过以上操作将构件间的几何约束转化为力约束，完成含间隙关节的建模；
Figure BDA0002618188510000021
Figure BDA0002618188510000022
式中，Ri，σi和Ei分别表示构件i的半径、泊松比和弹性模量。
S4，在ANSYS中将前后连杆做柔性化处理，划分网格的数目大于10000，并将其导入到ADAMS，并将柔性化处理好的前后连杆替换已建好模型中前后连杆的刚性体。
S5，设置立柱二级油缸和平衡千斤顶移动副的驱动函数；
S6，仿真模拟及后处理获得支架高度随水平偏移的变化结果图。
本发明的有益效果：
本发明提供了一种含间隙液压支架刚柔耦合动力学可视化仿真方法，本发明考虑液压支架部分构件柔性和部分构件间间隙，用于模拟含间隙支顶掩护式液压支架刚柔耦合动力学仿真的过程中支架高度随水平偏移的运动轨迹。
附图说明
图1为基于数字孪生技术含间隙支顶掩护式液压支架刚柔耦合可视化仿真示意图。
图2为基于数字孪生技术含间隙支顶掩护式液压支架刚柔耦合可视化仿真机构运动简图。
图3为基于数字孪生技术含间隙支顶掩护式液压支架刚柔耦合可视化仿真流程图。
图4为本发明实施例的仿真结果图。
图中：1为顶梁；2为底座；3为立柱；4为掩护梁；5前连杆；6后连杆；7平衡油缸。
具体实施方式
以下结合附图1-4所示，通过详细说明一个较佳的具体实施例，对本发明做进一步阐述。
本发明考虑液压支架部分构件柔性和部分构件间间隙，用于模拟含间隙支顶掩护式液压支架刚柔耦合动力学仿真的过程中支架高度随水平偏移的运动轨迹，具体提供一种基于数字孪生技术含间隙支顶掩护式液压支架刚柔耦合动力学可视化仿真方法。首先，根据一种型号的液压支架总装图纸，建立液压支架的三维模型总装图，并将其保存为.x_t格式并导入到ADAMS中。其次，在ADAMS中添加除了含间隙关节相应的运动副的约束，实现运动关节连接关系。由于前、后连杆与顶梁和底座之间存在间隙，并且间隙值较大，在此添加“接触”，将几何约束转化为力约束，完成含间隙关节的建模，在此基础上，考虑前、后连杆的柔性，将连杆做柔性化处理。添加立柱和平衡油缸驱动函数，最后通过仿真及后处理得到支架高度随水平偏移的变化结果图，其特征在于，包括以下步骤：
为实现基于数字孪生技术含间隙支顶掩护式液压支架刚柔耦合动力学可视化仿真，本发明包含如下步骤：
S1，根据一种型号的液压支架总装图纸，建立该型号支顶掩护式液压支架的三维模型图，如图1所示，并将其保存为.x_t格式并导入到ADAMS中；
S2，在ADAMS中添加除了含间隙关节相应的运动副的约束，实现运动关节连接关系，如下表1所示；
表1 ADAMS中零件间的约束关系
Figure BDA0002618188510000041
S3，考虑前、后连杆与顶梁和底座之间存在间隙，添加“接触”，将几何约束转化为力约束，完成含间隙关节的建模；
S4，考虑前、后连杆的柔性，将连杆做柔性化处理；
S5，设置立柱二级油缸和平衡千斤顶移动副的驱动函数；
S6，仿真模拟及后处理获得支架高度随水平偏移的变化结果图。
附：ADAMS仿真结果
1.仿真思路
(1)移动：设定仿真驱动，立柱二级液压油缸含有两个移动副，每一级的移动副添加1个驱动，这样该型号液压支架对称放置的两个立柱二级液压油缸总共含有4个驱动，其中4个驱动两两对称。平衡油缸只有一个移动副，设置1个驱动。总共设置5个油缸移动副驱动，满足该型号液压支架2自由度要求，通过调试驱动函数，可以实现顶梁平行于地面的升降支架仿真动作。
(2)间隙铰建模：考虑前、后连杆与顶梁和底座之间存在间隙，添加“接触”，刚度设置为1E+06，力指数设置为1.5，阻尼设置为10，穿透深度设置为0.01,；考虑运动副间的摩擦，将摩擦力类型设置为库伦摩擦，静摩擦系数设置为0.3，动摩擦系数设置为0.1。通过以上操作将构件间的几何约束转化为力约束，完成含间隙关节的建模；
(3)前、后连杆柔性化：在ANSYS中将前后连杆做柔性化处理，并将其导入到ADAMS，并将柔性化处理好的前后连杆替换已建好模型中前后连杆的刚性体。
2.仿真控制变量
(1)基于数字孪生技术支顶掩护式液压支架顶梁的初始位置
(2)基于数字孪生技术支顶掩护式液压支架立柱的驱动函数
(3)基于数字孪生技术支顶掩护式液压支架平衡油缸的驱动函数
3.支架抬升仿真
(1)初始条件设置
1)输入：立柱主动，平衡油缸主动，顶梁从动。因立柱为二级液压油缸，所以需要添加两级液压驱动；立柱一级液压油缸的驱动函数为STEP(time,0,0,1,800)，即0到1s从0mm运动到800mm；立柱二级液压油缸的驱动函数为STEP(time,0,0,1,450)，即0到1s从0mm运动到450mm；平衡油缸的驱动函数为STEP(time,0,0,1,170)，即0到1s从0mm运动到170mm。运动副间的摩擦类型为库伦摩擦，动摩擦系数为0.3，静摩擦系数为0.5。
2)输出：基于数字孪生技术含间隙支顶掩护式液压支架刚柔耦合顶梁高度随着水平偏移的变化曲线。
(2)仿真结果
仿真曲线如图4所示
结果分析：顶梁质心运动轨迹呈明显的双扭线形状变化，且呈双向摆动，但在支架升降的绝大部分范围内，支架相对于顶板有向前运动的趋势，也就是支架项煤壁运动，顶板对支架的摩擦力指向采空区这就使顶梁前端的顶板始终处于很好的挤压状态。

Claims (2)

1.一种含间隙液压支架刚柔耦合动力学可视化仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，根据一种型号的液压支架总装图纸，建立该型号支顶掩护式液压支架的三维模型图，并将其保存为.x_t格式并导入到ADAMS中；
S2，在ADAMS中添加除了含间隙关节相应的运动副的约束，实现运动关节连接关系；
S3，考虑前、后连杆与顶梁和底座之间存在间隙，接触刚度根据式(1)和(2)设置，力指数设置为1.5，穿透深度设置为0.01，阻尼系数设置为刚度系数的百分之一；考虑运动副间的摩擦，将摩擦力类型设置为库伦摩擦，静动摩擦系数可以根据材料类型查表获得；通过以上操作将构件间的几何约束转化为力约束，完成含间隙关节的建模；
Figure FDA0002618188500000011
Figure FDA0002618188500000012
式中，Ri，σi和Ei分别表示构件i的半径、泊松比和弹性模量；
S4，在ANSYS中将前后连杆做柔性化处理，划分网格的数目大于10000，并将其导入到ADAMS，并将柔性化处理好的前后连杆替换已建好模型中前后连杆的刚性体；
S5，设置立柱二级油缸和平衡千斤顶移动副的驱动函数；
S6，仿真模拟及后处理获得支架高度随水平偏移的变化结果图。
2.如权利要求1所述的一种含间隙液压支架刚柔耦合动力学可视化仿真方法，其特征在于，步骤S5中，对立柱设定，立柱二级液压油缸含有两个移动副，每一级的移动副添加1个驱动，这样该型号液压支架对称放置的两个立柱二级液压油缸总共含有4个驱动，其中4个驱动两两对称。
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