CN115795681A - 一种凿岩台车的联合仿真方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种凿岩台车的联合仿真方法，包括：采集凿岩台车在工作状态下的动态参数；基于动态参数，构建凿岩台车的三维模型，并将三维模型导入adams中构建得到凿岩台车的动力学模型；基于动态参数，在amesim建立凿岩台车中电液控制系统的仿真数据模型；在amesim中添加adams的库并创建联合仿真接口，在adams中创建GSE系统，实现amesim中电液控制系统的仿真数据模型与adams中凿岩台车的动力学模型之间数据互通，进行联合仿真定义得到机电液联合仿真模型。通过本发明提供的联合仿真方法实现输入与输出的双向传递并进行迭代仿真，确保仿真分析的精确性和便捷性。
Description
技术领域
本发明涉及工程机械技术领域，具体涉及一种凿岩台车的联合仿真方法。
背景技术
在钻进作业中，凿岩台车是一种应用于隧道开挖及地下工程开挖的工程机械设备，然而现有凿岩台车在施工过程中更主要依赖于操作人员的经验进行钻进破岩工作，在精确度与工作效率上难以有较大的提升。以强度校核为例，对凿岩机关键部件进行物理性能分析时，一般根据经验人为设定典型姿态，取油缸极限推拉力和凿岩机极限冲击反力进行静态结构强度仿真，然后取一定的安全系数进行评估。
静态结构强度仿真存在以下问题：不能准确的反应凿岩台车在工作过程中真实的受力状态以及无法确定评估状态为最恶劣的工况；这往往会导致预测结果与实际使用有较大的偏差，甚至造成校核失败。
已有的联合仿真方法的更多应用在电器、液压、电磁与静力学的仿真中，且均为单线式仿真模型搭建，不能够对输出结果进行监控与反馈，并且由于实际工程设备为柔性体，在液压系统(联合仿真输入条件)达到指定目标后，柔性体的变形会导致设备运行参数与预期目标存在较大误差，导致仿真精度不高。
综上所述，急需一种仿真精度高的凿岩台车机电液的联合仿真方法以解决现有技术中存在的问题。
发明内容
本发明目的在于提供一种凿岩台车的联合仿真方法，旨在解决现有技术误差大，仿真精度不高的问题，具体技术方案如下：
一种凿岩台车的联合仿真方法，包括：
S1：采集凿岩台车在工作状态下的动态参数；
S2：基于动态参数，构建凿岩台车的三维模型，并将三维模型导入adams中构建得到凿岩台车的动力学模型；
S3：基于动态参数，在amesim建立凿岩台车中电液控制系统的仿真数据模型；
S4：在amesim中添加adams的库并创建联合仿真接口，在adams中创建GSE系统，实现amesim中电液控制系统的仿真数据模型与adams中凿岩台车的动力学模型之间数据互通，进行联合仿真定义得到机电液联合仿真模型。
优选的，所述动态参数包括推力、位移、压力、应力、应变、加速度以及臂架俯仰角度。
优选的，所述步骤S2具体是：
S2-1：使用计算机辅助设计软件CREO构建凿岩台车的三维模型，并导入动力学软件adams中；
S2-2：根据凿岩台车的三维模型中各部件之间的约束关系，在adams中建立对应的连接关系，得到凿岩台车的动力学模型；
S2-3：基于动态参数、边界条件以及载荷标定动力学模型。
优选的，所述步骤S2-2还包括：在adams中利用线约束或点线约束模拟部件之间的相对滑动动作；利用Hypermesh将凿岩台车的三维模型划分网格，导出三维模型的mnf中性文件，替换adams中动力学模型对应的刚性部件，将刚性系统替换为柔性系统。
优选的，所述步骤S3具体是：根据凿岩台车整机运行原理、液压元件以及动力元件在amesim中建立凿岩台车的电液控制系统的原理模型，并创建得到对应的仿真数据模型，基于动态参数、边界条件以及载荷标定仿真数据模型。
优选的，所述仿真数据模型包括：驱动油缸、摆动马达、推进液压系统、推进梁铰接液压系统以及臂架举升系统。
优选的，所述步骤S4具体是：
S4-1：在amesim中添加adams的库；
S4-2：在amesim中创建联合仿真接口；在adams中创建GSE系统；amesim与adams之间通过建立的联合仿真接口以及GSE系统实现数据互通；
S4-3：通过adams中的adamsArray功能，将动力学模型中某一动态参数定义为adams的输出和amesim的输入；并将仿真数据模型中某一动态参数定义为adams的输入和amesim的输出；完成联合仿真定义，得到机电液联合仿真模型。
优选的，所述GSE系统的计算时长、amesim的分析步时长以及adams的分析步时长三者相同。
应用本发明的技术方案，具有以下有益效果：
(1)本发明提供的联合仿真方法针对有技术误差大，仿真精度不高的问题，基于工作状态下采集的凿岩台车的动态参数分别在adams构建凿岩台车的三维模型以及在amesim中构建电液控制系统的仿真数据模型，并通过建立联合仿真接口以及GSE系统实现amesim中电液控制系统的仿真数据模型与adams中凿岩台车的动力学模型之间数据互通，从而实现输入与输出的双向传递并进行迭代仿真，确保仿真分析的精确性和便捷性。
(2)本发明中还在amesim中电液控制系统的仿真数据模型与adams中凿岩台车的动力学模型构建的过程中，通过动态参数、边界条件以及载荷分别标定仿真数据模型与动力学模型，进一步减小了后续机电液联合仿真模型的输出值与凿岩台车实际动态参数之间的误差，保证了机电液联合仿真模型的精确度。
(3)本发明中不同软件之间的数据互为输入，实现了仿真数据在不同领域软件中的双向传递功能，能够以最高的效率实现目标函数的最优解，与实际工程相结合，实现参数化控制，大大提高工作效率。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明优选实施例1中联合仿真方法的流程示意图；
图2是本发明优选实施例1中凿岩台车的三维模型模型图；
图3是图2中臂架的结构示意图；
其中，1-电脉冲凿岩机，2-臂架，2.1-第一臂架，2.2-第二臂架，2.3-第三臂架，2.4-第一液压缸，2.5-第二液压缸，2.6-第三液压缸，2.7-第四液压缸，2.8-臂架固定支座，3-车体。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将对本发明进行更全面的描述，并给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
实施例1：
参见图1，一种凿岩台车的联合仿真方法，包括：
S1：采集凿岩台车在工作状态下的动态参数，具体是：
S1-1：将凿岩台车的臂架2自然降落到地面或支架上，减少重力对臂架2应力应变的影响，布置好传感器后对传感器数值进行调零，与仿真模型进行对标，减少测量误差；
S1-2：测量凿岩台车在给定工作状态下的臂架俯仰角度，在油缸上加装位移传感器以及压力传感器，实时输出相应俯仰角状态下臂架的移动距离与油缸压力；
S1-3：通过应力采集设备(例如DH5902N采集系统)对凿岩台车臂架关键部件进行应变数据采集，例如：第一臂架与第一液压缸连接处、第二臂架与第一液压缸连接处、第三臂架与第二液压缸连接处、第三臂架与第四液压缸连接处、第三臂架顶部位置，实时存储采集到的应力、应变数据；
S1-4：在第一臂架底端底部中心、第一臂架前端底部中心、第二臂架底部中心布置加速度传感器，用于记录关键点振动信号，为后期动力学模型标定提供实测数据；
S2：基于动态参数，构建凿岩台车的三维模型，并将三维模型导入adams中构建得到凿岩台车的动力学模型，具体是：
S2-1：使用计算机辅助设计软件CREO构建凿岩台车的三维模型，参见图2和图3，凿岩台车包括电脉冲凿岩机1、臂架2以及车体3，所述臂架2包括包括第一臂架2.1、第二臂架2.2、第三臂架2.3、第一液压缸2.4、第二液压缸2.5、第三液压缸2.6、第四液压缸2.7、臂架固定支座2.8；具体的，所述臂架固定支座2.8设置在车体3上，所述第三臂架2.3与臂架固定支座2.8铰接，所述第三臂架2.3与臂架固定支座2.8之间还并列设置有第三液压缸2.6和第四液压缸2.7；第三液压缸2.6和第四液压缸2.7组合实现第三臂架2.3绕臂架固定支座2.8任意旋转；第二臂架2.2与第三臂架2.3铰接，第二臂架2.2与第三臂架2.3之间还设置有第二液压缸2.5，第二液压缸2.5能够推动第二臂架2.2绕第三臂架2.3旋转；第一臂架2.1与第二臂架2.2铰接，第一臂架2.1与第二臂架2.2之间还设置有第一液压缸2.4，第一液压缸2.4能够推动第一臂架2.1绕第二臂架2.2转动；所述电脉冲凿岩机1设置在第一臂架2.1上。
将建立好的三维模型导入到动力学软件adams中；
S2-2：根据凿岩台车的三维模型中各部件之间的约束关系，在adams中建立对应的连接关系，例如臂架固定支座与第三臂架之间采用铰接，然后赋予相对应的材料或者转动惯量；得到凿岩台车的动力学模型；
通常来讲，adams自身系统建立的动力学模型为刚性系统，对三维模型的精度要求极高；而凿岩台车系统复杂，各部件相对运动关系较多，极容易出现过约束的问题，导致模型计算不收敛；因此在adams中利用线约束来模拟液压缸之间的相对滑动(而一般情况下采用滑移副模拟液压缸的相对滑动)，释放除线约束以外的其余自由度，能够有效解决由于刚性系统过约束导致的计算不收敛的问题；同时，因实际系统为非刚性系统，各部件在实际工况下会产生相应的形变，为解决上述问题，利用Hypermesh将凿岩台车的三维模型划分好网格，导出三维模型的mnf中性文件替换adams中动力学模型的刚性部件，将刚性系统替换为柔性系统，允许模型存在形变，在解决过约束问题的基础上，进一步确保动力学模型的准确性。
S2-3：结合动态参数、边界条件以及载荷标定动力学模型精度，例如仿真值与实测值存在误差，则修改动力学模型中材料参数，所述材料参数包括弹性模量、泊松比以及密度，使其与实测值吻合，完成模型标定，获得目标凿岩台车的动力学模型。
S3：基于动态参数，在amesim建立电液控制系统的仿真数据模型，具体是：
参见图2和图3，根据凿岩台车整机运行原理、液压元件以及动力元件在amesim中建立凿岩台车的电液控制系统的原理模型，并创建得到对应的仿真数据模型，所述仿真数据模型包括：驱动油缸、摆动马达、推进液压系统、推进梁铰接液压系统以及臂架举升系统(所述驱动油缸、摆动马达、推进液压系统、推进梁铰接液压系统以及臂架举升系统的具体结构，请参照现有技术)；基于同几何尺寸的凿岩台车的实际掘进历史动态参数(油缸推力以及位移)、仿真数据模型的边界条件以及载荷(加速度)，对于推进液压系统及推进梁铰接液压系统，进行闭环式关系仿真，修正对应液压控制阀、执行机构及系统模型参数；采用PID算法控制其马达转速、油缸推力以及位移关系，完成电液控制系统的对标工作。
S4：在amesim中添加adams的库并创建联合仿真接口，在adams中创建GSE系统，实现amesim中电液控制系统的仿真数据模型与adams中凿岩台车的动力学模型之间数据互通，得到机电液联合仿真模型，具体是：
S4-1：在amesim中添加adams的库，设置完成后，amesim的元件截面会出现adams的图标；
S4-2：在amesim中创建联合仿真接口；在adams中创建GSE系统；amesim通过建立的联合仿真接口以及GSE系统将数据(例如油缸压力)输出至adams；adams同样通过建立的联合仿真接口以及GSE系统将数据(例如油缸位移)输出至amesim；在amesim中摆放好所需要的元件，包括动力元件例如泵、电机，执行元件例如油缸、马达，控制器例如液压阀，其中，控制器的位移包括两部分，一部分是预设的位移S0，另一部分则是adams通过建立的联合仿真接口以及GSE系统传递而来的油缸位移S，控制器对比预设位移S0与油缸位移S，通过PID算法控制amesim中仿真数据模型的液压阀的开度大小，控制油缸压力的大小；油缸压力通过建立的联合仿真接口以及GSE系统输出至adams；更具体的，所述GSE系统的计算时长、amesim的分析步时长以及adams的分析步时长三者相同，GES系统采用Discrete仿真方式。
S4-3：通过adams中的adamsArray功能，将位移变量S定义为adams的输出以及amesim的输入，此时的adamsArray类型为U(inputs)；同样通过adamsArray功能将仿真数据模型的油缸力定义为adams的输入和amesim的输出，此时adamsArray类型为Y(Outputs)；adams求解设置中读取amesim中仿真数据模型的文件(.dll文件)，完成联合仿真定义，得到机电液联合仿真模型。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种凿岩台车的联合仿真方法，其特征在于，包括：
S1：采集凿岩台车在工作状态下的动态参数；
S2：基于动态参数，构建凿岩台车的三维模型，并将三维模型导入adams中构建得到凿岩台车的动力学模型；
S3：基于动态参数，在amesim建立凿岩台车中电液控制系统的仿真数据模型；
S4：在amesim中添加adams的库并创建联合仿真接口，在adams中创建GSE系统，实现amesim中电液控制系统的仿真数据模型与adams中凿岩台车的动力学模型之间数据互通，进行联合仿真定义得到机电液联合仿真模型。
2.根据权利要求1所述的联合仿真方法，其特征在于，所述动态参数包括推力、位移、压力、应力、应变、加速度以及臂架俯仰角度。
3.根据权利要求1所述的联合仿真方法，其特征在于，所述步骤S2具体是：
S2-1：使用计算机辅助设计软件CREO构建凿岩台车的三维模型，并导入动力学软件adams中；
S2-2：根据凿岩台车的三维模型中各部件之间的约束关系，在adams中建立对应的连接关系，得到凿岩台车的动力学模型；
S2-3：基于动态参数、边界条件以及载荷标定动力学模型。
4.根据权利要求3所述的联合仿真方法，其特征在于，所述步骤S2-2还包括：在adams中利用线约束或点线约束模拟部件之间的相对滑动动作；利用Hypermesh将凿岩台车的三维模型划分网格，导出三维模型的mnf中性文件，替换adams中动力学模型对应的刚性部件，将刚性系统替换为柔性系统。
5.根据权利要求1所述的联合仿真方法，其特征在于，所述步骤S3具体是：根据凿岩台车整机运行原理、液压元件以及动力元件在amesim中建立凿岩台车的电液控制系统的原理模型，并创建得到对应的仿真数据模型，基于动态参数、边界条件以及载荷标定仿真数据模型。
6.根据权利要求5所述的联合仿真方法，其特征在于，所述仿真数据模型包括：驱动油缸、摆动马达、推进液压系统、推进梁铰接液压系统以及臂架举升系统。
7.根据权利要求1所述的联合仿真方法，其特征在于，所述步骤S4具体是：
S4-1：在amesim中添加adams的库；
S4-2：在amesim中创建联合仿真接口；在adams中创建GSE系统；amesim与adams之间通过建立的联合仿真接口以及GSE系统实现数据互通；
S4-3：通过adams中的adamsArray功能，将动力学模型中某一动态参数定义为adams的输出和amesim的输入；并将仿真数据模型中某一动态参数定义为adams的输入和amesim的输出；完成联合仿真定义，得到机电液联合仿真模型。
8.根据权利要求7所述的联合仿真方法，其特征在于，所述GSE系统的计算时长、amesim的分析步时长以及adams的分析步时长三者相同。
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