基于虚拟样机的门式启闭机动力学仿真研究

论文摘要

门式起重机是水利水电工程中不可缺少的大型设备之一,在水电站用于开启和关闭闸门的门式起重机称为门式启闭机。门式启闭机是典型的非标准设备,不同水电站对门式启闭机的要求都不同,因此每个新建水电站的门式启闭机都需要设计,设计任务繁重;而且随着门式启闭机的起重量和起升高度越来越大,对其动态特性的要求也越来越高,对设计方法和手段提出更高的要求。本文以广西省百龙滩水电站的250吨门式启闭机为研究对象,运用虚拟样机技术对其作业过程中的典型工况进行动力学仿真,探索动态设计理念在大型起重机械上应用的技术路线和实现方法,具有普遍的实用意义和工程应用背景。本文探索了门式启闭机动力学虚拟样机的建模方法。根据刚性体、柔性体和钢丝绳的特点,分别给出了不同的建模方法。启闭机门架作为柔性体从ANSYS软件导入ADAMS;大车系统、小车系统、副起升机构、闸门和吊具等作为刚性体从Pro/E软件导入ADAMS;钢丝绳则用弹簧阻尼器连接节段的圆柱体进行模拟。最终在ADAMS中进行装配,建立了完整的门式启闭机的虚拟样机。根据门式启闭机的作业特征,分析了其动态特性,并运用拉格朗日方程建立了系统的运动微分方程,推导出离地起升、小车运行、大车运行工况在起动和制动时的动载荷。本文对门式启闭机作业时的离地起升、小车运行和大车运行三个典型工况进行了动力学仿真,得到了整机的位移时间历程、动应力、动变形以及各连接件之间的作用力等,较真实地反映了门式启闭机在作业过程中的动态特性。总之,门式启闭机虚拟样机的动力学仿真研究,是先进的设计、分析、仿真技术应用于门式启闭机设计中的初步尝试,为设计高性能门式启闭机提供了有力的工具和实现方法,同时该方法还可以对门式启闭机进行虚拟实验,解决现场因砝码问题难以进行实验的状况。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题研究的背景和意义
• 1.2 国内外相关研究状况
• 1.2.1 国内外门式启闭机的研究现状
• 1.2.2 虚拟样机技术的应用和发展
• 1.2.3 虚拟样机技术在起重机领域的应用和发展
• 1.3 课题的研究内容
• 2 虚拟样机技术与ADAMS软件
• 2.1 虚拟样机技术
• 2.1.1 虚拟样机技术的定义
• 2.1.2 虚拟样机技术的特点
• 2.1.3 虚拟样机的相关技术
• 2.2 ADAMS软件
• 2.2.1 ADAMS介绍
• 2.2.2 ADAMS软件的主要模块
• 2.2.3 ADAMS的理论基础
• 2.3 本章小结
• 3 基于刚—柔耦合的门式启闭机虚拟样机建模技术
• 3.1 门式启闭机的机械结构
• 3.1.1 结构组成
• 3.1.2 主要参数
• 3.2 柔性体与刚性体的划分原则
• 3.3 柔性体建模技术
• 3.4 刚性体建模技术
• 3.4.1 ADAMS软件直接刚体建模
• 3.4.2 专业CAD建模软件建模后导入ADAMS
• 3.4.3 门式启闭机刚性体部件的生成
• 3.5 钢丝绳建模方法与技术
• 3.5.1 轴套力（Bushing）介绍
• 3.5.2 钢丝绳模型参数设置
• 3.5.3 钢丝绳模型的建立
• 3.5.4 门式启闭机中钢丝绳的建模
• 3.6 门式启闭机整机模型的建立
• 3.6.1 刚柔耦合系统生成时要注意的问题
• 3.6.2 添加约束副
• 3.7 本章小节
• 4 门式启闭机离地起升工况的动力学仿真
• 4.1 起重机的动力学特征
• 4.2 起重机机构的质量推算
• 4.3 离地起升工况动力学理论计算
• 4.3.1 离地起升起动工况理论计算
• 4.3.2 离地起升制动工况理论计算
• 4.3.3 离地起升工况理论分析结果
• 4.4 门式启闭机离地起升工况的仿真分析
• 4.4.1 离地起升工况模型的相关参数设置
• 4.4.2 离地起升工况的动力学仿真结果分析
• 4.5 本章小结
• 5 门式启闭机大车运行工况动力学仿真
• 5.1 大车运行工况动力学理论计算
• 5.1.1 大车运行起动工况理论计算
• 5.1.2 大车运行制动工况理论计算
• 5.1.3 大车运行工况理论分析结果
• 5.2 门式启闭机大车运行工况仿真分析
• 5.2.1 大车运行工况模型的相关参数设置
• 5.2.2 大车运行工况的动力学仿真结果分析
• 5.3 本章小结
• 6 门式启闭机小车运行工况的动力学仿真
• 6.1 小车运行工况动力学理论计算
• 6.1.1 小车运行起动工况理论计算
• 6.1.2 小车运行制动工况理论计算
• 6.1.3 小车运行工况理论分析结果
• 6.2 门式启闭机小车运行工况仿真分析
• 6.2.1 小车运行工况模型的相关参数设置
• 6.2.2 小车运行工况的动力学仿真结果分析
• 6.3 本章小结
• 结论和展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢