基于柔性多体动力学的混凝土泵车臂架系统的建模与仿真

论文摘要

随着我国经济建设步伐的加快,国内商品混凝土行业和建筑机械业务的快速发展,施工规模以及施工范围的不断扩大,市场对混凝土机械的需求呈猛增势态,带动了混凝土输送机械的高速发展,混凝土泵车的市场空间也得到了进一步扩大。目前混凝土泵车已经成为现代建筑企业中不可缺少的建筑机械,对泵车臂架系统自动控制的研究,可以有效的提高施工质量和泵车的工作效率。泵车的臂架是冗余自由度、强非线性、刚柔耦合的多体系统,它涉及了多体动力学以及控制、运动学逆问题、流体力学等方面的问题。因此,对于泵车臂架系统的研究具有重要的理论价值和实际的工程意义。本文以混凝土泵车的臂架系统为研究对象,主要研究多体动力学尤其是柔性多体动力学理论在混凝土泵车浇筑自动化领域的应用,重点是进行理论性的分析。对混凝土泵车臂架系统的运动以及控制、仿真方面作了细致的研究工作,具体的研究内容包括以下几个方面：(1)把混凝土泵车臂架系统看作一个开环的运动链,由一系列连杆通过转动副串联、而成。开链一端固定在基座上,另一端自由,从而完成泵车的浇筑动作。基于多刚体动力学的理论,对臂架和液压缸的运动分别进行分析,结合分析力学的相关理论,建立臂架系统的多刚体动力学方程,求解方程中的相关参数并仿真,研究刚性臂杆转动角度的变化对臂架末端轨迹的影响。(2)随着浇筑范围的扩大,臂架朝着轻质长臂杆的方向发展,很有必要考虑柔性变形对臂架运动轨迹的影响。基于柔性多体系统动力学的相关理论,假设各臂杆均为等截面欧拉梁,采用形函数的方式描述臂杆上任意点的弹性变形,运用递推列式和拉格朗日方程以及虚功原理,建立臂架系统的柔性多体动力学方程,对方程采用向后扩展的微分求解器求解并仿真,研究柔性变形对泵车臂架末端轨迹的影响。并与刚性臂杆的结论进行对比,分析两种建模方法的优缺点。(3)对泵车浇筑自动化进行研究。采用轨迹规划和最优控制相结合的方法对臂架系统的末端轨迹进行运动学逆问题的研究,得到臂架末端达到预期浇筑点时的最优路线,作为PD控制方法的控制率期望值,结合前面建立的臂架系统动力学方程,分别建立泵车刚性臂架系统的控制动力学方程和柔性臂架系统的控制动力学方程。采用数值迭代的算法对方程求解并仿真,分析臂架系统PD控制的精度和末端轨迹的变化。此方法是基于系统的精确数学模型,把PD控制率直接加到液压阀上,控制臂杆液压缸的驱动力,对每个臂杆的液压系统进行独立的闭环控制,最后形成臂架以及液压系统整体的开环控制,研究控制的精度和控制的实时性,即建立泵车臂架系统的完备动力学方程。(4)分析了泵车输料管中混凝土砂浆的流动对泵车臂架的振动影响,由于混凝土砂浆不是单一流质,可以简化为固液两相流问题。通过对输料管道和浆体单元进行受力分析,建立输料管道的运动微分方程,结合固液两相流的质量、流量和压强的相关公式,建立了混凝土砂浆在输料管道中流动的固液两相流动方程。(5)采用ADAMS软件分别建立泵车臂架系统的刚性仿真模型和柔性仿真模型,刚性模型的建立简化了部分结构,各臂杆以及液压缸部分均采用铰接的方式连接。柔性模型是在刚性模型的基础上建立的,通过离散各臂杆为有限个单元,而各臂杆的连接处和液压缸部分还保留其刚性特性。给定各臂杆的转动角度与前面数值计算的期望角度相同,仿真分析研究臂架的运动情况、末端轨迹的变化以及柔性变形对各臂杆转角变化的影响,检验前面对臂架系统建模控制求解的正确性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题的选题背景
• 1.2 课题研究的意义及其对经济建设的影响
• 1.3 混凝土泵车的结构
• 1.4 国内外研究现状
• 1.4.1 国内外混凝土泵车发展概况及存在问题
• 1.4.2 国内外混凝土泵车主要研究方向及现状
• 1.4.3 多体系统动力学的国内外研究现状
• 1.4.4 机械臂以及柔性机械臂的研究现状
• 1.5 论文创新之处及主要内容
• 1.5.1 论文的创新点
• 1.5.2 论文的主要内容
• 第二章 基于多刚体动力学的臂架系统的建模与求解
• 2.1 多刚体动力学概述
• 2.2 臂架系统的运动分析
• 2.2.1 臂杆的运动分析
• 2.2.2 液压驱动系统的研究
• 2.2.3 驱动力的求解
• 2.3 混凝土泵车臂架系统刚性运动方程的建立和求解
• 2.3.1 运动方程的建立
• 2.3.2 微分代数方程求解器MEBDFDAE简介
• 2.3.3 臂架系统多体动力学方程的求解
• 2.4 本章小结
• 第三章 基于柔性多体动力学的泵车臂架系统的建模与求解
• 3.1 柔性多体动力学
• 3.1.1 柔性多体系统动力学概述
• 3.1.2 柔性多体系统动力学的建模方法
• 3.2 柔性臂架系统的运动分析
• 3.2.1 柔性臂杆的运动分析
• 3.2.2 液压驱动部分的运动分析
• 3.3 泵车臂架系统的柔性多体动力学方程求解
• 3.3.1 臂架柔性多体动力学方程的推导
• 3.3.2 泵车臂架柔性多体动力学方程的求解
• 3.4 本章小结
• 第四章 泵车臂架系统运动学逆问题的研究及PD控制
• 4.1 系统运动学逆问题概述
• 4.2 泵车臂架末端轨迹的控制
• 4.2.1 臂架末端的轨迹规划
• 4.2.2 臂架系统的PD控制
• 4.2.3 末端轨迹期望值的求解
• 4.3 刚性臂架末端轨迹的PD控制
• 4.3.1 刚性臂架的液压驱动系统与臂架系统的关系
• 4.3.2 刚性臂架PD控制模型的建立
• 4.3.3 刚性臂架PD控制的求解
• 4.4 柔性臂架末端轨迹的PD控制
• 4.5 本章小结
• 第五章 混凝土砂浆在输料管道中的固液两相流问题的研究
• 5.1 输料管结构
• 5.2 输料管中流体的运动微分方程
• 5.3 混凝土砂浆固液两相流模型的建立
• 5.3.1 管道中流体的固液两相流概述
• 5.3.2 固液两相流的计算
• 5.4 浆体混凝土在管道中运动微分方程的建立
• 5.4.1 混凝土砂浆的流动特性
• 5.4.2 建立混凝土砂浆在输料管道中的固液两相流动方程
• 5.5 本章小结
• 第六章 混凝土泵车臂架系统的ADAMS仿真
• 6.1 ADAMS软件
• 6.2 臂架系统刚性模型的仿真
• 6.3 臂架系统柔性模型的仿真
• 6.4 本章小结
• 第七章 结论和展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录A 作者简介
• 附录B 攻读博士期间发表的学术论文
• 附录C 攻读博士期间发表的著作
• 附录D 攻读博士期间从事的科研工作