基于ADAMS的刚柔耦合高方平筛动力学仿真

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1、基于ADAMS的刚柔耦合高方平筛动力学仿真李辉（郑州科技学院，河南郑州450064）摘要：以高方平筛为研究对象，运用Pro/E软件建立其实体模型，将模型导入到多刚体动力学仿真分析软件MSC.ADAMS中，建立刚柔耦合的高方平筛虚拟样机模型，对其进行动力学仿真分析，获得其位移及运动轨迹等信息，为高方平筛的设计、改进提供了一种新设计方法，为新产品的开发提供理论依据。关键词：高方平筛；刚柔耦合；玻璃钢杆；动力学仿真；中图分类号：TS211.3文献标识码：A40前言高方平筛是制粉生产中的主要设备之一，其主要用于面粉的分级和提取作业，具有运行平稳、功耗小、

2、筛理面积大和效率高等特点，因而被广泛应用于化工、医药、制酒、粮油、食品等行业中。由于高方平筛结构复杂，非线性因素较多，很难得出与实际相符且较为精确的动力学结果，因此，现阶段国内高方平筛的设计主要是基于仿制国外产品和试验中的经验[1]。朱维斗等[2]对某种型号的高方平筛进行了实验应力分析；顾尧臣[3]运用有限元方法对高方平筛3个瞬时工况进行了静态的应力分析；胡继云等[4,5]对简化为两自由度振动的高方平筛模型的启动和停车过程进行了动力学分析；李爱花等[6]对高方平筛进行了有限元动力学分析。上述研究工作一般都忽略了吊杆在水平方向对筛体的作用力，没有关

3、于筛体和吊杆之间耦合的理论建模，非线性因素较多，很难得出与实际相符且较为精确的振动特性。本文利用机械三维CAD软件Pro/E，基于虚拟样机仿真分析软件ADAMS建立高方平筛虚拟样机，以实际工况为参考，通过虚拟试验和测试，得到各种试验数据，帮助设计者在产品开发阶段发现问题并解决问题，进而提出改进的方法，为高方平筛的设计、改进提供了一种新设计设计方法，为新产品的开发提供理论依据。1柔性体系统动力学方程ADAMS中的柔性体是用离散化的若干个单元的有限个结点自由度来表示物体的无限多个自由度的[6]。这些单元结点的弹性变形可近似地用少量模态的线性组合来表示

4、。如果定义为弹性体上任一点在总体坐标系中的坐标，其可表示为：式中：—局部坐标系在总体坐标系中的位置；—局部坐标系在总体坐标系中的欧拉角；—第j阶模态振型；—各坐标中的矢量表达；—模态振型向量。根据第二类拉格朗日方程柔性体系统的动力学方程为：上式可化为：式中：和—柔性体的刚度阵和阻尼阵；4—重力；—约束方程的拉各朗日乘子；—广义力矩阵；—柔性体质量矩阵；—外力矩阵。2ADAMS柔性体的建立在ADAMS中，有3种建立柔性体的方法。第一种是利用ADAMS中柔性梁连接，将一个构件离散成许多段刚性构件，这些离散后的刚性构件之间采用柔性梁连接，但这种方法只限

5、于简单构件时才可以使用，其优点是可满足物体的非线性变形特性；第二种方法是利用其他有限元分析软件将构件离散成细小的网格，再进行模态计算，然后将计算的模态保存为模态中性文件MNF（ModalNeutralFile），直接读取到ADAMS中建立柔性体；第三种方法是利用ADAMS/AutoFlex模块，直接在ADAMS/View中建立柔性体的MNF文件，然后再用柔性体替代原来的刚性体。第二种及第三种方法均不能模拟非线性特性。3刚柔耦合模型的建立由于筛体刚度远大于吊杆的刚度，因此可将筛体系统视为刚体，而将吊杆视为可变形的弹性体，柔性吊杆与刚性筛体组成刚柔耦

6、合的动力学系统。3.1高方平筛筛体模型的建立在ADAMS/View中提供的建模工具可以创建刚性构件，但是造型功能相对较弱，操作不便。而Pro/E作为专业的三维造型机械设计自动化软件，功能强大，易学易用，能使机械工程师快速按照设计思想绘制草图及生成实体模型。3.2Pro/E模型与Adams模型转换采用基于特征的实体建模技术，首先，以Pro/E为技术平台，依次完成了各个零部件的设计和整体装配模型；而后，利用Pro/E与ADAMS之间的专门接口程序Mechanism/Pro生成刚体并加一些约束和标记；最后，通过Mechanism/Pro程序将模型导人到

7、ADAMS软件中。3.3Adams中建立刚柔耦合模型通过建立柔性体、添加复杂的约束、力等，可得到图1所示的高方平筛刚柔耦合虚拟样机模型。由于吊杆结构比较简单，这里采用前面介绍的柔性体建立的第一种方法即利用ADAMS中柔性梁连接建立弹性杆[7,8]，参数分别为：长度l=2m，密度ρ=1870.328(kg/m3)，弹性模量E=24(Gpa)，泊松比μ=0.3。高方平筛虚拟样机如图1所示，筛体通过相对于质心对称的四组玻璃钢吊杆吊挂固定在基础上，下端和横梁固定。筛体和偏重块通过旋转副连接，在其上加载驱动，筛体由偏重块产生的离心惯性力激振。图1高方平筛刚

8、柔耦合虚拟样机模型4仿真结果及分析以FSFG6×24型高方平筛为研究对象，其有六个筛仓，筛箱框架尺寸为740mm×740mm，筛体质量m