基于虛擬樣機技術(shù)的鑄造起重機動力學(xué)特性深度解析與仿真優(yōu)化一、引言1.1研究背景與意義在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)體系中，鑄造起重機扮演著舉足輕重的角色，是眾多關(guān)鍵工業(yè)環(huán)節(jié)不可或缺的核心裝備。在冶金行業(yè)，它承擔(dān)著吊運高溫鋼水、鐵水等液態(tài)金屬的重任，從轉(zhuǎn)爐裝料區(qū)間將鐵水精準裝入轉(zhuǎn)爐，到在精煉區(qū)間將鋼水罐吊運至精煉爐，每一個步驟都離不開鑄造起重機的穩(wěn)定運作，其高效性與可靠性直接影響著鋼鐵生產(chǎn)的效率與質(zhì)量。在重型機械制造領(lǐng)域，大型鑄件的搬運、組裝等工作也依賴鑄造起重機來完成，保障生產(chǎn)流程的順利推進。傳統(tǒng)的起重機設(shè)計方法存在一定的局限性，通常將動態(tài)問題簡化為靜態(tài)問題處理，采用動載系數(shù)來考慮動態(tài)載荷。這種方式雖然在一定程度上簡化了設(shè)計過程，但無法精確反映起重機在實際運行中的復(fù)雜工況和動態(tài)性能。例如，在起重機啟動、制動以及加速、減速過程中，其結(jié)構(gòu)所承受的沖擊振動和動載荷變化十分復(fù)雜，簡單的動載系數(shù)難以準確涵蓋這些動態(tài)因素，導(dǎo)致設(shè)計計算的結(jié)果與實際情況存在偏差，可能影響起重機的安全性和可靠性。虛擬樣機技術(shù)作為一種基于計算機仿真技術(shù)的新興手段，為鑄造起重機的動力學(xué)研究帶來了全新的變革。它打破了傳統(tǒng)設(shè)計的束縛，通過在虛擬環(huán)境中構(gòu)建與真實物理系統(tǒng)高度相似的數(shù)字化模型，能夠綜合考慮起重機在各種工況下所承受的重力、摩擦力、慣性力以及彈性變形等多種復(fù)雜因素。利用虛擬樣機技術(shù)，能夠模擬鑄造起重機在吊運液態(tài)金屬時，由于液態(tài)金屬的晃動而產(chǎn)生的額外動載荷對起重機結(jié)構(gòu)的影響；還能分析在不同速度、加速度條件下，起重機各部件的受力情況和運動狀態(tài)。通過這些精確的模擬和分析，可以深入了解起重機的動力學(xué)特性，提前發(fā)現(xiàn)潛在的設(shè)計缺陷和安全隱患。研究基于虛擬樣機技術(shù)的鑄造起重機動力學(xué)仿真具有重要的現(xiàn)實意義。從性能提升角度來看，通過仿真分析得到的結(jié)果，能夠為起重機的優(yōu)化設(shè)計提供科學(xué)依據(jù)，有助于改進起重機的結(jié)構(gòu)設(shè)計，提高其起升、運行等動作的平穩(wěn)性和效率，降低能耗。在安全保障方面，準確掌握起重機在各種工況下的動力學(xué)性能，能夠有效評估其安全性能，合理設(shè)置安全保護裝置，減少因設(shè)計不合理或工況復(fù)雜導(dǎo)致的安全事故，保障操作人員的生命安全和企業(yè)的財產(chǎn)安全。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀在虛擬樣機技術(shù)的發(fā)展進程中，國外起步較早，取得了豐碩的成果。早在20世紀80年代，美國、德國等工業(yè)發(fā)達國家就率先將虛擬樣機技術(shù)應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，在飛機設(shè)計過程中，利用虛擬樣機技術(shù)對飛機的氣動性能、結(jié)構(gòu)強度、飛行穩(wěn)定性等進行仿真分析，通過模擬飛機在不同飛行狀態(tài)下的受力和運動情況，提前發(fā)現(xiàn)設(shè)計中存在的問題并進行優(yōu)化，顯著縮短了飛機的研發(fā)周期，降低了研發(fā)成本。隨后，虛擬樣機技術(shù)逐漸拓展到汽車、機械制造等行業(yè)。德國的汽車制造商在新型汽車的研發(fā)中，運用虛擬樣機技術(shù)對汽車的動力系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、懸掛系統(tǒng)等進行聯(lián)合仿真，模擬汽車在各種路況下的行駛性能，優(yōu)化汽車的設(shè)計參數(shù)，提高了汽車的整體性能和安全性。國內(nèi)對虛擬樣機技術(shù)的研究起步相對較晚，但發(fā)展迅速。近年來，隨著計算機技術(shù)和仿真軟件的不斷發(fā)展，國內(nèi)眾多高校和科研機構(gòu)加大了對虛擬樣機技術(shù)的研究力度，并在多個領(lǐng)域取得了重要突破。在工程機械領(lǐng)域，通過虛擬樣機技術(shù)對裝載機、挖掘機等設(shè)備進行動力學(xué)仿真，深入分析設(shè)備在作業(yè)過程中的力學(xué)特性和運動規(guī)律，為設(shè)備的優(yōu)化設(shè)計提供了有力支持。在船舶制造領(lǐng)域，利用虛擬樣機技術(shù)對船舶的推進系統(tǒng)、操縱系統(tǒng)等進行仿真研究，提高了船舶的設(shè)計質(zhì)量和航行性能。在鑄造起重機動力學(xué)仿真方面，國外的研究側(cè)重于多體動力學(xué)理論在鑄造起重機建模與仿真中的應(yīng)用，借助先進的仿真軟件，如ADAMS、ANSYS等，對鑄造起重機的起升、運行、制動等工況進行精確模擬，分析起重機各部件的動力學(xué)響應(yīng)。通過建立考慮鋼絲繩彈性、結(jié)構(gòu)柔性以及各種非線性因素的復(fù)雜模型，深入研究起重機在復(fù)雜工況下的動態(tài)性能，為起重機的優(yōu)化設(shè)計提供理論依據(jù)。部分研究還關(guān)注鑄造起重機的疲勞壽命預(yù)測，結(jié)合動力學(xué)仿真結(jié)果和材料疲勞理論，評估起重機關(guān)鍵部件的疲勞壽命，為設(shè)備的維護和更新提供參考。國內(nèi)學(xué)者則針對鑄造起重機的具體結(jié)構(gòu)和工作特點，在動力學(xué)建模與仿真方面進行了大量研究。一方面，研究不同的建模方法，如剛?cè)峄旌辖?，以提高模型的準確性和計算效率；另一方面，深入分析各種因素對鑄造起重機動力學(xué)性能的影響，如溫度場對結(jié)構(gòu)熱應(yīng)力和變形的影響，以及不同吊運工藝對起重機動力學(xué)響應(yīng)的影響。此外，一些研究還將虛擬樣機技術(shù)與優(yōu)化算法相結(jié)合，以起重機的結(jié)構(gòu)參數(shù)、運行參數(shù)等為優(yōu)化變量，以動力學(xué)性能指標為優(yōu)化目標，對鑄造起重機進行多目標優(yōu)化設(shè)計。盡管國內(nèi)外在虛擬樣機技術(shù)及鑄造起重機動力學(xué)仿真方面取得了顯著進展，但仍存在一些不足之處。部分研究在建模過程中對一些復(fù)雜因素的考慮不夠全面，如鑄造起重機在高溫、高粉塵等惡劣環(huán)境下工作時，材料性能的變化以及環(huán)境因素對結(jié)構(gòu)動力學(xué)性能的影響；在多學(xué)科耦合方面的研究還不夠深入，鑄造起重機涉及機械、電氣、液壓等多個學(xué)科領(lǐng)域，各學(xué)科之間的相互作用和影響在動力學(xué)仿真中尚未得到充分體現(xiàn)。此外，目前的研究成果在實際工程應(yīng)用中的轉(zhuǎn)化還存在一定障礙，仿真結(jié)果與實際工況之間的匹配度有待進一步提高。本研究將針對這些問題展開深入探討，通過全面考慮各種復(fù)雜因素，建立更加精確的動力學(xué)模型，深入研究多學(xué)科耦合對鑄造起重機動力學(xué)性能的影響，并結(jié)合實際工程案例，驗證仿真結(jié)果的準確性和可靠性，為鑄造起重機的設(shè)計和優(yōu)化提供更加科學(xué)、有效的方法。1.3研究內(nèi)容與方法本研究的主要內(nèi)容是運用虛擬樣機技術(shù)，對鑄造起重機進行全面深入的動力學(xué)仿真分析。首先，詳細研究鑄造起重機的結(jié)構(gòu)特點和工作原理，為后續(xù)的建模和仿真奠定堅實基礎(chǔ)。鑄造起重機結(jié)構(gòu)復(fù)雜，包含橋架、小車、起升機構(gòu)、運行機構(gòu)等多個關(guān)鍵部分，各部分協(xié)同工作，實現(xiàn)重物的吊運。深入了解其工作原理，包括起升、下降、平移、回轉(zhuǎn)等動作的執(zhí)行過程，以及各機構(gòu)之間的動力傳遞和運動協(xié)調(diào)關(guān)系，有助于準確把握起重機在不同工況下的力學(xué)行為。在虛擬樣機模型建立方面，利用先進的三維建模軟件，如SolidWorks、Pro/E等，依據(jù)鑄造起重機的實際尺寸、結(jié)構(gòu)和零部件參數(shù)，構(gòu)建精確的三維實體模型。模型涵蓋起重機的所有關(guān)鍵部件，包括剛性結(jié)構(gòu)件和柔性部件，如鋼絲繩等，并充分考慮各部件之間的連接方式和運動副類型，如鉸接、滑動副、轉(zhuǎn)動副等，確保模型能夠真實反映起重機的實際結(jié)構(gòu)和運動特性。同時，對模型進行合理的簡化，去除對動力學(xué)性能影響較小的細節(jié)特征，在保證模型準確性的前提下，提高計算效率。動力學(xué)模型的建立是研究的核心內(nèi)容之一。綜合考慮鑄造起重機在運行過程中所受到的各種力，包括重力、慣性力、摩擦力、鋼絲繩的拉力以及由于結(jié)構(gòu)變形產(chǎn)生的彈性力等。針對不同的力，采用相應(yīng)的力學(xué)理論和計算方法進行準確描述。例如，運用牛頓第二定律計算慣性力，根據(jù)庫侖摩擦定律確定摩擦力，通過材料力學(xué)理論分析結(jié)構(gòu)的彈性變形和彈性力。此外，考慮到鑄造起重機在吊運液態(tài)金屬時，液態(tài)金屬的晃動會對起重機產(chǎn)生額外的動載荷，因此引入流體動力學(xué)理論，建立液態(tài)金屬晃動的數(shù)學(xué)模型，并將其與起重機的動力學(xué)模型進行耦合，以更全面地模擬起重機在實際工況下的受力情況。為了實現(xiàn)多學(xué)科領(lǐng)域的耦合，將機械系統(tǒng)與電氣系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)等進行協(xié)同仿真。在電氣系統(tǒng)方面，考慮電機的啟動、制動過程中的電流變化、轉(zhuǎn)矩輸出以及電機與控制系統(tǒng)之間的相互作用。通過建立電機的等效電路模型和控制算法模型，將其與機械系統(tǒng)模型進行連接，實現(xiàn)機電耦合仿真，分析電氣系統(tǒng)對起重機動力學(xué)性能的影響。在液壓系統(tǒng)方面，針對采用液壓驅(qū)動的起重機部件，如液壓油缸、液壓馬達等，建立液壓系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，考慮液壓油的流量、壓力變化以及液壓元件的動態(tài)特性，將液壓系統(tǒng)模型與機械系統(tǒng)模型進行耦合，研究液壓系統(tǒng)在起重機運行過程中的工作狀態(tài)和對動力學(xué)性能的影響。在完成模型建立后，對鑄造起重機的多種典型工況進行動力學(xué)仿真分析，包括起升、下降、運行、制動以及吊運液態(tài)金屬等工況。在起升工況仿真中，重點關(guān)注起升過程中鋼絲繩的拉力變化、起升機構(gòu)的轉(zhuǎn)矩輸出以及橋架和小車的振動響應(yīng)；下降工況則分析下降速度的控制、制動過程中的沖擊力以及各部件的受力情況。運行工況主要研究起重機在水平移動過程中的穩(wěn)定性、車輪與軌道之間的接觸力以及運行機構(gòu)的動力學(xué)性能；制動工況著重分析制動過程中的制動距離、制動力分布以及結(jié)構(gòu)的動態(tài)響應(yīng)。在吊運液態(tài)金屬工況下，深入研究液態(tài)金屬的晃動規(guī)律、對起重機產(chǎn)生的動載荷以及起重機的動力學(xué)響應(yīng)，分析不同吊運工藝參數(shù)（如吊運速度、加速度、吊運高度等）對起重機動力學(xué)性能的影響。本研究采用多種方法相結(jié)合，以確保研究的科學(xué)性和準確性。在模型建立階段，采用基于實際物理參數(shù)的建模方法，通過查閱鑄造起重機的設(shè)計圖紙、技術(shù)文檔以及相關(guān)標準規(guī)范，獲取準確的結(jié)構(gòu)尺寸、材料屬性、零部件參數(shù)等信息，為建立精確的虛擬樣機模型和動力學(xué)模型提供依據(jù)。在動力學(xué)分析過程中，運用多體動力學(xué)理論和有限元分析方法。多體動力學(xué)理論用于描述起重機各部件之間的相對運動和力的傳遞關(guān)系，通過建立多體系統(tǒng)的運動方程，求解起重機在各種工況下的動力學(xué)響應(yīng)；有限元分析方法則用于分析起重機結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變分布，通過將起重機結(jié)構(gòu)離散為有限個單元，利用數(shù)值計算方法求解結(jié)構(gòu)在載荷作用下的力學(xué)性能，二者相結(jié)合，能夠全面深入地研究鑄造起重機的動力學(xué)特性。在仿真計算過程中，選用專業(yè)的多體動力學(xué)仿真軟件ADAMS和有限元分析軟件ANSYS。ADAMS具有強大的多體動力學(xué)建模和仿真功能，能夠方便地定義各種運動副、約束和載荷，準確求解多體系統(tǒng)的動力學(xué)方程；ANSYS在結(jié)構(gòu)分析、熱分析、流體分析等方面具有卓越的性能，能夠?qū)ζ鹬貦C的結(jié)構(gòu)進行精確的力學(xué)分析和多物理場耦合分析。通過將ADAMS和ANSYS進行聯(lián)合仿真，充分發(fā)揮二者的優(yōu)勢，實現(xiàn)對鑄造起重機動力學(xué)性能的全面、深入研究。此外，為了驗證仿真結(jié)果的準確性，將仿真結(jié)果與實際試驗數(shù)據(jù)或現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)進行對比分析。在條件允許的情況下，進行鑄造起重機的物理樣機試驗，測量起重機在各種工況下的動力學(xué)參數(shù)，如力、位移、速度、加速度等，并與仿真結(jié)果進行比較。若二者存在差異，深入分析原因，對模型進行修正和優(yōu)化，提高模型的準確性和可靠性。二、虛擬樣機技術(shù)與鑄造起重機概述2.1虛擬樣機技術(shù)原理與發(fā)展2.1.1技術(shù)原理剖析虛擬樣機技術(shù)是一門融合多學(xué)科領(lǐng)域知識與先進計算機技術(shù)的綜合性技術(shù)，其核心在于通過集成機械、電子、控制、動力學(xué)等多領(lǐng)域技術(shù)，構(gòu)建高度逼真的數(shù)字化模型，以此模擬真實物理系統(tǒng)的行為和性能。該技術(shù)以系統(tǒng)工程理論為指導(dǎo)，打破了傳統(tǒng)學(xué)科之間的界限，實現(xiàn)了多領(lǐng)域知識的有機融合與協(xié)同工作。在建模環(huán)節(jié)，運用計算機輔助設(shè)計（CAD）軟件，如SolidWorks、Pro/E等，依據(jù)實際物理系統(tǒng)的尺寸、形狀、結(jié)構(gòu)和材料屬性等參數(shù)，精確構(gòu)建三維實體模型。這些模型不僅能夠直觀展示系統(tǒng)的外觀和幾何形狀，還能詳細描述各部件之間的裝配關(guān)系和連接方式。對于鑄造起重機而言，利用CAD軟件建立的虛擬樣機模型，能夠清晰呈現(xiàn)橋架、小車、起升機構(gòu)、運行機構(gòu)等各個部件的結(jié)構(gòu)特點和相互位置關(guān)系，為后續(xù)的動力學(xué)分析和仿真提供了堅實的幾何基礎(chǔ)。仿真環(huán)節(jié)是虛擬樣機技術(shù)的關(guān)鍵所在，借助多體動力學(xué)理論和數(shù)值計算方法，對虛擬樣機模型進行動力學(xué)分析和仿真計算。多體動力學(xué)理論用于描述系統(tǒng)中各個剛體之間的相對運動和力的傳遞關(guān)系，通過建立多體系統(tǒng)的運動方程，求解系統(tǒng)在各種載荷作用下的動力學(xué)響應(yīng)，如位移、速度、加速度、力和力矩等。在鑄造起重機的動力學(xué)仿真中，運用多體動力學(xué)理論，可以準確分析起重機在起升、下降、運行、制動等不同工況下，各部件的運動狀態(tài)和受力情況，為評估起重機的性能和優(yōu)化設(shè)計提供重要依據(jù)。數(shù)據(jù)交互在虛擬樣機技術(shù)中起到了橋梁和紐帶的作用，實現(xiàn)了不同軟件之間的數(shù)據(jù)共享和協(xié)同工作。在虛擬樣機的開發(fā)過程中，往往需要使用多種軟件工具，如CAD軟件用于建模、多體動力學(xué)仿真軟件（如ADAMS）用于動力學(xué)分析、有限元分析軟件（如ANSYS）用于結(jié)構(gòu)分析等。通過數(shù)據(jù)交互技術(shù)，能夠?qū)AD模型中的幾何信息準確傳遞到動力學(xué)仿真軟件和有限元分析軟件中，同時將仿真分析得到的結(jié)果反饋回CAD模型，實現(xiàn)對模型的優(yōu)化和改進。例如，在鑄造起重機的虛擬樣機開發(fā)中，將SolidWorks建立的三維模型導(dǎo)入ADAMS中進行動力學(xué)仿真，再將仿真結(jié)果中的應(yīng)力、應(yīng)變等數(shù)據(jù)導(dǎo)入ANSYS中進行結(jié)構(gòu)強度分析，根據(jù)分析結(jié)果對SolidWorks模型進行優(yōu)化，從而實現(xiàn)了多軟件之間的協(xié)同工作和數(shù)據(jù)的高效流轉(zhuǎn)。2.1.2發(fā)展歷程與趨勢虛擬樣機技術(shù)的發(fā)展歷程可追溯到20世紀80年代，隨著計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展，人們開始嘗試運用計算機建模和仿真技術(shù)來模擬實際系統(tǒng)的性能和行為。在這一時期，虛擬樣機技術(shù)主要應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，用于飛機、火箭等復(fù)雜系統(tǒng)的設(shè)計和驗證。由于航空航天產(chǎn)品對性能和可靠性要求極高，傳統(tǒng)的設(shè)計方法難以滿足需求，虛擬樣機技術(shù)的出現(xiàn)為解決這些問題提供了新的途徑。通過在虛擬環(huán)境中對飛行器進行各種工況的仿真分析，能夠提前發(fā)現(xiàn)設(shè)計中存在的問題并進行優(yōu)化，大大提高了產(chǎn)品的設(shè)計質(zhì)量和可靠性，同時縮短了研發(fā)周期，降低了研發(fā)成本。進入20世紀90年代，隨著計算機硬件性能的不斷提升和軟件技術(shù)的日益成熟，虛擬樣機技術(shù)逐漸從航空航天領(lǐng)域拓展到汽車、機械、電子等其他行業(yè)。在汽車行業(yè)，虛擬樣機技術(shù)被廣泛應(yīng)用于汽車的整體設(shè)計和零部件的性能分析。通過建立汽車的虛擬樣機模型，能夠?qū)ζ嚨膭恿π?、?jīng)濟性、操縱穩(wěn)定性、舒適性等性能進行全面的仿真分析，優(yōu)化汽車的設(shè)計參數(shù)，提高汽車的整體性能。在機械行業(yè)，虛擬樣機技術(shù)用于機床、機器人等機械設(shè)備的動態(tài)性能分析和優(yōu)化設(shè)計，能夠有效提高機械設(shè)備的工作效率和精度，降低設(shè)備的振動和噪聲。在電子行業(yè)，虛擬樣機技術(shù)用于電路板、電子元器件的設(shè)計和可靠性分析，能夠提前發(fā)現(xiàn)電子系統(tǒng)中的潛在問題，提高電子產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性。進入21世紀，虛擬樣機技術(shù)得到了更加廣泛的應(yīng)用和深入的發(fā)展，呈現(xiàn)出以下幾個顯著的趨勢：多學(xué)科深度融合：現(xiàn)代產(chǎn)品的設(shè)計和開發(fā)涉及多個學(xué)科領(lǐng)域的知識，如機械、電子、控制、流體、熱力學(xué)等。未來，虛擬樣機技術(shù)將更加注重多學(xué)科之間的深度融合，實現(xiàn)不同學(xué)科模型的無縫集成和協(xié)同仿真。通過建立多學(xué)科耦合的虛擬樣機模型，能夠更加準確地模擬產(chǎn)品在實際工作中的復(fù)雜物理現(xiàn)象和性能表現(xiàn)，為產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計提供更加強有力的支持。例如，在航空發(fā)動機的設(shè)計中，將機械結(jié)構(gòu)、熱管理、燃燒過程、氣動性能等多個學(xué)科的模型進行耦合，能夠全面分析發(fā)動機在不同工況下的性能和可靠性，優(yōu)化發(fā)動機的設(shè)計方案，提高發(fā)動機的性能和效率。智能化與自動化：隨著人工智能、機器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)等技術(shù)的快速發(fā)展，虛擬樣機技術(shù)將朝著智能化和自動化的方向發(fā)展。通過引入人工智能算法和機器學(xué)習(xí)模型，虛擬樣機能夠自動進行參數(shù)優(yōu)化、模型驗證、故障診斷等工作，提高虛擬樣機的分析效率和準確性。例如，利用機器學(xué)習(xí)算法對大量的仿真數(shù)據(jù)進行學(xué)習(xí)和分析，建立虛擬樣機的性能預(yù)測模型，能夠快速預(yù)測產(chǎn)品在不同工況下的性能指標，為產(chǎn)品的設(shè)計和優(yōu)化提供參考。同時，自動化技術(shù)的應(yīng)用將實現(xiàn)虛擬樣機的自動建模、自動仿真和自動分析，減少人工干預(yù)，提高工作效率和質(zhì)量。與虛擬現(xiàn)實、增強現(xiàn)實技術(shù)融合：虛擬現(xiàn)實（VR）和增強現(xiàn)實（AR）技術(shù)能夠為用戶提供沉浸式的體驗和直觀的交互方式。未來，虛擬樣機技術(shù)將與VR、AR技術(shù)緊密融合，為設(shè)計師和工程師提供更加直觀、真實的設(shè)計和分析環(huán)境。通過VR技術(shù)，用戶可以身臨其境地觀察虛擬樣機的運行狀態(tài)，進行虛擬裝配和調(diào)試，感受產(chǎn)品的實際操作體驗；通過AR技術(shù)，能夠?qū)⑻摂M樣機與現(xiàn)實環(huán)境相結(jié)合，實現(xiàn)虛實交互，為產(chǎn)品的展示、培訓(xùn)和維護提供新的手段。例如，在汽車制造中，利用VR技術(shù)讓設(shè)計師在虛擬環(huán)境中對汽車進行內(nèi)飾設(shè)計和人機工程學(xué)分析，提高設(shè)計的準確性和用戶體驗；利用AR技術(shù)為汽車維修人員提供實時的維修指導(dǎo)和故障診斷信息，提高維修效率和質(zhì)量。應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展：隨著虛擬樣機技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⑦M一步拓展到更多新興領(lǐng)域，如新能源、生物醫(yī)學(xué)、智能交通等。在新能源領(lǐng)域，虛擬樣機技術(shù)可用于風(fēng)力發(fā)電、太陽能發(fā)電等新能源設(shè)備的設(shè)計和優(yōu)化，提高新能源設(shè)備的性能和可靠性；在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，虛擬樣機技術(shù)可用于醫(yī)療器械的研發(fā)和手術(shù)模擬，為醫(yī)學(xué)研究和臨床治療提供支持；在智能交通領(lǐng)域，虛擬樣機技術(shù)可用于自動駕駛汽車的開發(fā)和交通系統(tǒng)的仿真分析，提高交通系統(tǒng)的安全性和效率。二、虛擬樣機技術(shù)與鑄造起重機概述2.2鑄造起重機結(jié)構(gòu)與工作特點2.2.1結(jié)構(gòu)組成詳解鑄造起重機主要由橋架、小車、起升機構(gòu)、運行機構(gòu)等部分構(gòu)成，各部分協(xié)同工作，共同完成重物吊運任務(wù)。橋架作為起重機的主體支撐結(jié)構(gòu)，通常采用箱型梁結(jié)構(gòu)，由主梁、端梁等部件組成。主梁是橋架的關(guān)鍵承載部件，承受著小車、起升機構(gòu)以及吊運重物的重量，其結(jié)構(gòu)設(shè)計和材料選擇直接影響起重機的承載能力和穩(wěn)定性。端梁則連接主梁，使橋架形成一個穩(wěn)定的框架結(jié)構(gòu)，并支撐起重機在軌道上運行。例如，在某大型鑄造起重機中，主梁采用Q345B鋼材制造，具有良好的強度和韌性，能夠承受高達數(shù)百噸的載荷；端梁通過高強度螺栓與主梁連接，確保連接的可靠性和穩(wěn)定性。小車安裝在橋架的軌道上，可沿橋架橫向移動，主要由小車架、起升機構(gòu)、運行機構(gòu)等組成。小車架是小車的承載主體，將起升機構(gòu)和運行機構(gòu)連接在一起，并傳遞各種力和運動。起升機構(gòu)安裝在小車架上，負責(zé)實現(xiàn)重物的升降運動，包括電動機、減速器、卷筒、鋼絲繩、吊鉤等部件。電動機提供動力，通過減速器降低轉(zhuǎn)速并增大扭矩，帶動卷筒旋轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)鋼絲繩的收放，完成重物的起升和下降。例如，在起升機構(gòu)中，采用YZR系列冶金及起重三相異步電動機，具有較高的過載能力和可靠性，能夠滿足鑄造起重機頻繁啟停和重載作業(yè)的要求；減速器采用硬齒面減速器，傳動效率高，使用壽命長；鋼絲繩選用線接觸優(yōu)質(zhì)鋼芯鋼絲繩，安全系數(shù)高，能夠確保起升過程的安全可靠。運行機構(gòu)安裝在小車架的底部，負責(zé)實現(xiàn)小車的橫向移動，包括電動機、減速器、車輪等部件。電動機通過減速器驅(qū)動車輪旋轉(zhuǎn)，使小車在橋架的軌道上平穩(wěn)運行。運行機構(gòu)的設(shè)計需要考慮小車的運行速度、加速度、制動性能等因素，以確保小車能夠準確地?？吭谥付ㄎ恢?，并實現(xiàn)快速、平穩(wěn)的移動。起升機構(gòu)是鑄造起重機實現(xiàn)重物升降的核心部件，除了上述的電動機、減速器、卷筒、鋼絲繩、吊鉤等主要部件外，還包括制動器、限位器、超載限制器等安全保護裝置。制動器用于控制起升機構(gòu)的制動，確保重物在起升、下降和停止時的安全。限位器用于限制起升高度和下降深度，防止吊鉤超出極限位置，造成安全事故。超載限制器用于監(jiān)測起升重量，當(dāng)起升重量超過額定值時，自動切斷電源，防止起重機超載運行。例如，在某鑄造起重機的起升機構(gòu)中，采用電磁盤式制動器，制動可靠，響應(yīng)速度快；設(shè)置了重錘式和旋轉(zhuǎn)式雙重限位器，分別控制不同的斷路裝置，確保起升高度的安全控制；配備了高精度的超載限制器，能夠?qū)崟r監(jiān)測起升重量，并在超載時及時發(fā)出警報并采取制動措施。運行機構(gòu)分為大車運行機構(gòu)和小車運行機構(gòu)，分別負責(zé)起重機的縱向移動和橫向移動。大車運行機構(gòu)安裝在橋架的端梁上，通過車輪在軌道上滾動，實現(xiàn)起重機的縱向移動，包括電動機、減速器、傳動軸、車輪等部件。小車運行機構(gòu)安裝在小車架上，通過車輪在橋架的軌道上滾動，實現(xiàn)小車的橫向移動，同樣包括電動機、減速器、傳動軸、車輪等部件。運行機構(gòu)的設(shè)計需要考慮運行阻力、驅(qū)動力、制動性能、平穩(wěn)性等因素，以確保起重機能夠在不同的工況下安全、高效地運行。例如，在大車運行機構(gòu)中，采用四角驅(qū)動形式，提高了起重機的驅(qū)動力和運行穩(wěn)定性；車輪采用優(yōu)質(zhì)鋼材制造，表面經(jīng)過熱處理，具有較高的硬度和耐磨性；設(shè)置了可靠的制動裝置，能夠在緊急情況下迅速制動，確保起重機的安全。2.2.2工作特點與動力學(xué)問題鑄造起重機在工作過程中具有頻繁啟停、重載作業(yè)、工作環(huán)境惡劣等特點，這些特點導(dǎo)致其在運行過程中會產(chǎn)生復(fù)雜的動力學(xué)問題。頻繁啟停是鑄造起重機的常見工作狀態(tài)，在起升、下降、運行等操作過程中，需要頻繁地啟動和停止。在啟動瞬間，起重機各部件會受到較大的慣性力作用，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生沖擊和振動。例如，起升機構(gòu)啟動時，電動機的轉(zhuǎn)矩突然增加，使卷筒加速旋轉(zhuǎn)，鋼絲繩受到突然的拉力，會引起吊鉤和重物的振動；小車和大車啟動時，車輪與軌道之間的摩擦力會發(fā)生突變，導(dǎo)致車身產(chǎn)生晃動。在制動過程中，由于慣性作用，起重機各部件會繼續(xù)向前運動，而制動器的制動力會使運動部件迅速減速，從而產(chǎn)生較大的沖擊力和振動。頻繁的啟停還會使起重機的機械部件承受交變載荷，容易導(dǎo)致疲勞損壞。鑄造起重機通常需要吊運高溫鋼水、鐵水等液態(tài)金屬或大型鑄件，起重量較大，屬于重載作業(yè)。在重載情況下，起重機的結(jié)構(gòu)部件承受著巨大的載荷，如主梁、端梁、小車架等會產(chǎn)生較大的彎曲應(yīng)力和剪切應(yīng)力。同時，起升機構(gòu)的電動機、減速器、卷筒等部件也需要承受較大的轉(zhuǎn)矩和力，容易導(dǎo)致部件的磨損和損壞。重載作業(yè)還會使起重機的運行阻力增加，對運行機構(gòu)的驅(qū)動力和制動性能提出了更高的要求。例如，在吊運高溫鋼水時，鋼水包的重量加上鋼水的重量可達數(shù)百噸，這就要求起重機的結(jié)構(gòu)具有足夠的強度和剛度，以承受如此巨大的載荷；起升機構(gòu)的電動機需要具備較高的功率和過載能力，以確保能夠順利地提升重物。鑄造起重機大多工作在冶金、鑄造等工廠的生產(chǎn)車間，工作環(huán)境惡劣，存在高溫、高粉塵、強電磁干擾等不利因素。高溫環(huán)境會使起重機的金屬結(jié)構(gòu)件產(chǎn)生熱變形，影響結(jié)構(gòu)的尺寸精度和力學(xué)性能。例如，主梁在高溫作用下會發(fā)生向上拱起或向下?lián)锨淖冃?，?dǎo)致小車運行不平穩(wěn)，甚至出現(xiàn)卡軌現(xiàn)象；高粉塵環(huán)境會使起重機的運動部件磨損加劇，如車輪、軌道、軸承等，同時還會影響電氣設(shè)備的正常運行，降低設(shè)備的可靠性。強電磁干擾會對起重機的控制系統(tǒng)和傳感器產(chǎn)生影響，導(dǎo)致控制信號失真，傳感器測量不準確，影響起重機的安全運行。由于鑄造起重機的上述工作特點，在運行過程中會產(chǎn)生多種動力學(xué)問題，如振動、沖擊、疲勞等。振動是鑄造起重機常見的動力學(xué)問題之一，在起升、下降、運行等過程中，由于各種激勵源的作用，如電動機的振動、車輪與軌道的不平順、起升過程中重物的晃動等，會使起重機產(chǎn)生振動。振動不僅會影響起重機的工作性能和穩(wěn)定性，還會使操作人員感到不適，長期振動還會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)部件的疲勞損壞。沖擊是指在起重機啟動、制動、加速、減速以及吊運過程中，由于各種突然的力的作用，如慣性力、沖擊力等，使起重機結(jié)構(gòu)部件受到瞬間的較大載荷。沖擊會使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生應(yīng)力集中，降低結(jié)構(gòu)的疲勞壽命，嚴重時甚至?xí)?dǎo)致結(jié)構(gòu)部件的損壞。疲勞是由于起重機在頻繁啟停和重載作業(yè)過程中，結(jié)構(gòu)部件承受交變載荷，經(jīng)過一定次數(shù)的循環(huán)后，材料會發(fā)生疲勞損傷，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)部件的強度降低，最終發(fā)生疲勞斷裂。疲勞是影響鑄造起重機使用壽命和安全性的重要因素之一，需要在設(shè)計和使用過程中加以重視。三、鑄造起重機虛擬樣機模型構(gòu)建3.1建模軟件與工具選擇在構(gòu)建鑄造起重機虛擬樣機模型時，需綜合運用多種軟件工具，以實現(xiàn)精確建模與全面分析。其中，CAD（計算機輔助設(shè)計）軟件主要負責(zé)創(chuàng)建起重機的三維幾何模型，為后續(xù)的動力學(xué)分析提供基礎(chǔ)。SolidWorks是一款廣泛應(yīng)用的CAD軟件，它具備強大的參數(shù)化建模功能，能夠通過定義參數(shù)和尺寸關(guān)系，快速創(chuàng)建各種復(fù)雜的三維模型。在鑄造起重機建模中，利用SolidWorks的草圖繪制、特征建模等工具，可以精確地構(gòu)建橋架、小車、起升機構(gòu)等部件的三維模型。通過草圖繪制功能，根據(jù)設(shè)計圖紙準確繪制出各部件的二維輪廓，再利用拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃描等特征建模工具，將二維輪廓轉(zhuǎn)化為三維實體模型。SolidWorks還具有良好的裝配功能，能夠方便地定義各部件之間的裝配關(guān)系和約束條件，確保模型的結(jié)構(gòu)完整性和準確性。例如，在裝配橋架和小車時，可以通過定義配合關(guān)系，如重合、同心、平行等，將小車準確地安裝在橋架的軌道上，實現(xiàn)二者之間的相對運動。Pro/E也是一款優(yōu)秀的CAD軟件，它以其基于特征的參數(shù)化設(shè)計理念而著稱。在Pro/E中，模型的創(chuàng)建是基于一系列的特征操作，如拉伸特征、旋轉(zhuǎn)特征、孔特征等，每個特征都包含了豐富的參數(shù)信息。通過修改這些參數(shù)，可以快速地對模型進行修改和優(yōu)化。在鑄造起重機的設(shè)計中，若需要對橋架的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，只需在Pro/E中修改相關(guān)的參數(shù)，如主梁的截面尺寸、厚度等，就可以自動更新模型，大大提高了設(shè)計效率。Pro/E還支持自頂向下的設(shè)計方法，能夠從整體設(shè)計出發(fā)，逐步細化到各個零部件的設(shè)計，保證了設(shè)計的一致性和協(xié)同性。CAE（計算機輔助工程）軟件則主要用于對鑄造起重機模型進行動力學(xué)分析和仿真計算。ANSYS是一款功能強大的CAE軟件，在結(jié)構(gòu)分析、熱分析、流體分析等多個領(lǐng)域都具有卓越的性能。在鑄造起重機動力學(xué)仿真中，ANSYS的結(jié)構(gòu)分析模塊可以對起重機的橋架、小車等結(jié)構(gòu)部件進行靜力學(xué)分析和動力學(xué)分析，計算結(jié)構(gòu)在各種載荷作用下的應(yīng)力、應(yīng)變和位移分布。通過建立有限元模型，將結(jié)構(gòu)離散為有限個單元，利用數(shù)值計算方法求解結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)。在對橋架進行靜力學(xué)分析時，將橋架劃分為若干個單元，施加相應(yīng)的載荷和約束條件，如重力、起升載荷、軌道約束等，通過求解有限元方程，可以得到橋架在這些載荷作用下的應(yīng)力和應(yīng)變分布，評估橋架的強度和剛度是否滿足要求。ANSYS還具有強大的后處理功能，能夠以直觀的圖形方式展示分析結(jié)果，方便用戶進行結(jié)果分析和評估。ADAMS是專業(yè)的多體動力學(xué)仿真軟件，在多體系統(tǒng)動力學(xué)建模和仿真方面具有獨特的優(yōu)勢。它能夠方便地定義各種運動副、約束和載荷，準確求解多體系統(tǒng)的動力學(xué)方程。在鑄造起重機的虛擬樣機模型中，利用ADAMS可以定義起升機構(gòu)、運行機構(gòu)等各部件之間的運動副，如轉(zhuǎn)動副、移動副、鉸接等，準確描述各部件之間的相對運動關(guān)系。通過施加各種載荷，如重力、慣性力、摩擦力、鋼絲繩拉力等，模擬起重機在不同工況下的動力學(xué)行為。例如，在模擬起升工況時，在ADAMS中定義起升機構(gòu)的運動參數(shù)，如起升速度、加速度等，施加鋼絲繩的拉力和重物的重力，通過求解動力學(xué)方程，可以得到起升過程中各部件的位移、速度、加速度以及受力情況，為分析起重機的起升性能提供依據(jù)。ADAMS還可以與其他軟件進行聯(lián)合仿真，如與ANSYS聯(lián)合，實現(xiàn)對鑄造起重機剛?cè)狁詈舷到y(tǒng)的動力學(xué)分析。在實際建模過程中，通常會將CAD軟件與CAE軟件相結(jié)合，發(fā)揮各自的優(yōu)勢。先利用CAD軟件創(chuàng)建鑄造起重機的三維幾何模型，然后將模型導(dǎo)入到CAE軟件中進行動力學(xué)分析和仿真計算。例如，將SolidWorks創(chuàng)建的鑄造起重機三維模型通過特定的接口格式（如IGES、STEP等）導(dǎo)入到ANSYS中，進行結(jié)構(gòu)分析；將模型導(dǎo)入到ADAMS中，進行多體動力學(xué)分析。這種結(jié)合方式能夠充分利用CAD軟件的建模優(yōu)勢和CAE軟件的分析優(yōu)勢，提高虛擬樣機模型的構(gòu)建效率和分析精度。3.2三維實體模型建立3.2.1零件建模流程運用CAD軟件進行鑄造起重機零件建模時，需遵循嚴謹?shù)牧鞒?，以確保模型的準確性和完整性。以SolidWorks軟件為例，首先進入草圖繪制環(huán)境，根據(jù)鑄造起重機的設(shè)計圖紙，仔細繪制各零件的二維草圖。在繪制橋架主梁的草圖時，需精確確定主梁的截面形狀（如箱型截面）、尺寸（包括長度、寬度、高度、板厚等）以及各部分的相對位置關(guān)系。通過使用SolidWorks的繪圖工具，如直線、圓、矩形、樣條曲線等，按照設(shè)計尺寸準確繪制草圖輪廓。在繪制過程中，充分利用軟件的幾何約束和尺寸約束功能，如水平約束、垂直約束、相切約束、相等約束等，確保草圖的幾何形狀和尺寸精度。例如，對于主梁截面的矩形輪廓，通過添加水平和垂直約束，保證四條邊相互垂直；利用相等約束，確保對邊長度相等，從而準確繪制出符合設(shè)計要求的主梁截面草圖。完成草圖繪制后，進入特征添加階段，通過拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃描、放樣等特征操作，將二維草圖轉(zhuǎn)化為三維實體模型。對于橋架主梁，由于其通常為箱型結(jié)構(gòu)，可采用拉伸特征將主梁截面草圖沿長度方向拉伸，形成主梁的三維實體。在拉伸過程中，設(shè)置拉伸的深度或長度參數(shù)，使其與設(shè)計圖紙中的主梁長度一致。對于一些具有復(fù)雜形狀的零件，如起升機構(gòu)的卷筒，可采用旋轉(zhuǎn)特征創(chuàng)建。首先繪制卷筒的軸向截面草圖，包括卷筒的內(nèi)徑、外徑、長度以及兩端的法蘭形狀等，然后以草圖中的旋轉(zhuǎn)中心線為軸，通過旋轉(zhuǎn)操作生成卷筒的三維實體模型。對于一些具有變截面形狀的零件，如起重機的吊鉤，可采用放樣特征創(chuàng)建。在吊鉤的不同位置繪制多個截面草圖，通過放樣操作將這些截面連接起來，形成吊鉤的三維實體模型，能夠準確地體現(xiàn)吊鉤的復(fù)雜形狀。在完成基本特征創(chuàng)建后，對模型進行細節(jié)處理，以完善模型的結(jié)構(gòu)和功能。添加各種細節(jié)特征，如圓角、倒角、孔、螺紋等。在主梁的棱邊處添加圓角，可有效減小應(yīng)力集中，提高結(jié)構(gòu)的強度和疲勞壽命；在零件的邊緣添加倒角，便于零件的裝配和操作。對于需要安裝螺栓、銷軸等連接件的部位，添加相應(yīng)的孔特征，并根據(jù)連接件的尺寸和標準，設(shè)置孔的直徑、深度、螺紋規(guī)格等參數(shù)。在創(chuàng)建孔特征時，可利用SolidWorks的孔向?qū)Чδ?，快速準確地創(chuàng)建各種類型的孔，如直孔、沉頭孔、埋頭孔等，并可自動生成螺紋線，提高建模效率。對模型進行檢查和修正，確保模型的質(zhì)量和準確性。檢查模型的幾何形狀是否符合設(shè)計要求，尺寸是否準確無誤，各特征之間的連接是否合理。利用SolidWorks的測量工具，檢查模型的關(guān)鍵尺寸，如長度、直徑、角度等，與設(shè)計圖紙進行對比，如有偏差，及時進行修正。檢查模型的拓撲結(jié)構(gòu)，確保模型沒有自相交、重疊或縫隙等問題，保證模型的完整性和正確性。3.2.2裝配模型搭建將各零件模型按實際裝配關(guān)系組合成整機裝配模型是構(gòu)建鑄造起重機虛擬樣機的重要環(huán)節(jié)。在SolidWorks中，首先創(chuàng)建一個新的裝配體文件，然后依次導(dǎo)入已創(chuàng)建好的各零件模型。在導(dǎo)入橋架主梁模型時，可將其作為裝配體的基礎(chǔ)零件，固定在裝配體的坐標系中，為后續(xù)其他零件的裝配提供基準。按照實際裝配順序，逐個導(dǎo)入其他零件，如端梁、小車、起升機構(gòu)、運行機構(gòu)等，并通過添加裝配約束，確定各零件之間的相對位置和運動關(guān)系。在裝配端梁與主梁時，利用SolidWorks的配合約束功能，添加“重合”約束，使端梁的連接面與主梁的對應(yīng)連接面重合，確保兩者在平面位置上的準確對接；添加“同軸心”約束，使端梁與主梁連接部位的螺栓孔軸線重合，便于后續(xù)螺栓連接的模擬。通過這些約束的添加，端梁被準確地裝配到主梁上，形成穩(wěn)定的橋架結(jié)構(gòu)。對于小車與橋架的裝配，添加“重合”約束，使小車車輪的軌道面與橋架上的軌道面重合，確保小車能夠在橋架上平穩(wěn)運行；添加“平行”約束，使小車的運動方向與橋架的縱向方向平行，保證小車運行的準確性。同時，根據(jù)實際情況，設(shè)置小車與橋架之間的運動副，如滑動副，以模擬小車在橋架上的橫向移動。在裝配起升機構(gòu)時，將起升機構(gòu)的各個零件，如電動機、減速器、卷筒、鋼絲繩、吊鉤等，依次裝配到小車上。在裝配電動機與減速器時，添加“同軸心”約束，使電動機的輸出軸與減速器的輸入軸同軸，確保動力的有效傳遞；添加“重合”約束，使電動機與減速器的安裝面貼合，保證兩者的連接穩(wěn)定性。對于卷筒與減速器的裝配，同樣添加“同軸心”約束，使卷筒的軸線與減速器的輸出軸同軸，并通過鍵連接或其他合適的方式，確保卷筒能夠跟隨減速器的輸出軸同步旋轉(zhuǎn)。在裝配鋼絲繩和吊鉤時，根據(jù)實際的纏繞方式和連接關(guān)系，創(chuàng)建相應(yīng)的約束和運動副。利用“相切”約束，使鋼絲繩與卷筒表面相切，模擬鋼絲繩在卷筒上的纏繞；利用“鉸接”運動副，連接吊鉤與鋼絲繩的下端，模擬吊鉤的自由擺動。在裝配運行機構(gòu)時，將大車運行機構(gòu)和小車運行機構(gòu)分別裝配到橋架和小車上。對于大車運行機構(gòu)，添加“重合”約束，使車輪的踏面與軌道表面重合，添加“同軸心”約束，使車輪的軸線與軌道的中心線平行，確保大車能夠在軌道上平穩(wěn)運行。同時，設(shè)置大車運行機構(gòu)與橋架之間的運動副，如轉(zhuǎn)動副，以模擬車輪的轉(zhuǎn)動和大車的縱向移動。對于小車運行機構(gòu)，類似地添加相應(yīng)的裝配約束和運動副，確保小車運行機構(gòu)能夠正常工作，實現(xiàn)小車在橋架上的橫向移動。在完成所有零件的裝配和約束設(shè)置后，對裝配模型進行檢查和驗證。檢查各零件之間的裝配關(guān)系是否正確，運動副的設(shè)置是否合理，模型是否能夠按照預(yù)期的方式進行運動。利用SolidWorks的運動仿真功能，對裝配模型進行簡單的運動模擬，檢查模型在運動過程中是否存在干涉、碰撞等問題。如有問題，及時調(diào)整裝配約束和運動副的設(shè)置，確保裝配模型的準確性和可靠性。3.3動力學(xué)模型建立3.3.1質(zhì)量屬性定義在鑄造起重機動力學(xué)模型中，精確的質(zhì)量屬性定義是基礎(chǔ)且關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，其直接關(guān)系到動力學(xué)仿真結(jié)果的準確性和可靠性。依據(jù)鑄造起重機的實際設(shè)計圖紙和技術(shù)參數(shù)，對模型中的各部件進行詳細的質(zhì)量屬性定義。對于橋架主梁，通過查閱設(shè)計資料，獲取其長度、寬度、高度、板厚以及材料密度等參數(shù)，利用公式m=\rhoV（其中m為質(zhì)量，\rho為材料密度，V為體積）計算出主梁的質(zhì)量。假設(shè)主梁采用Q345B鋼材，密度為7850kg/m^3，其長度為20m，寬度為1.2m，高度為1m，板厚為0.05m，通過計算體積V=(20\times1.2\times1-(20-0.05\times2)\times(1.2-0.05\times2)\times(1-0.05\times2))，可得主梁質(zhì)量約為11750kg。運用類似的方法，計算出端梁、小車架等其他剛性結(jié)構(gòu)件的質(zhì)量。質(zhì)心位置的確定對于分析部件的動力學(xué)行為至關(guān)重要，利用SolidWorks軟件的質(zhì)量屬性分析工具，可準確計算各部件的質(zhì)心坐標。在軟件中，導(dǎo)入部件的三維模型，通過選擇質(zhì)量屬性計算功能，軟件會根據(jù)模型的幾何形狀和材料分布，自動計算出質(zhì)心在三維坐標系中的位置。對于形狀規(guī)則的部件，如長方體形狀的端梁，質(zhì)心位于其幾何中心；對于形狀復(fù)雜的部件，如小車架，由于其包含各種加強筋、安裝座等結(jié)構(gòu)，質(zhì)心位置需通過軟件精確計算得出。假設(shè)小車架的質(zhì)心坐標在模型坐標系中為(x_0,y_0,z_0)，這一坐標信息將在后續(xù)的動力學(xué)分析中用于確定部件的運動和受力情況。轉(zhuǎn)動慣量是描述物體轉(zhuǎn)動慣性的物理量，對于鑄造起重機的動力學(xué)分析同樣不可或缺。對于簡單形狀的部件，如圓柱體、長方體等，可根據(jù)理論公式計算轉(zhuǎn)動慣量。對于圓柱體繞其軸線的轉(zhuǎn)動慣量，公式為I=\frac{1}{2}mr^2（其中I為轉(zhuǎn)動慣量，m為質(zhì)量，r為半徑）；對于長方體繞某一軸的轉(zhuǎn)動慣量，可根據(jù)平行軸定理和正交軸定理進行計算。對于復(fù)雜形狀的部件，利用ADAMS軟件的轉(zhuǎn)動慣量計算功能，將部件模型導(dǎo)入ADAMS中，通過設(shè)置相關(guān)參數(shù)，軟件可基于模型的幾何形狀和質(zhì)量分布，準確計算出繞不同軸的轉(zhuǎn)動慣量。例如，在計算起升機構(gòu)中卷筒的轉(zhuǎn)動慣量時，考慮卷筒的筒體、輪轂、軸等部分的質(zhì)量和尺寸，利用ADAMS計算得到其繞中心軸的轉(zhuǎn)動慣量，為后續(xù)分析起升機構(gòu)的轉(zhuǎn)動動力學(xué)特性提供依據(jù)。3.3.2約束與載荷施加明確各部件間的約束關(guān)系是建立準確動力學(xué)模型的關(guān)鍵步驟，不同的約束類型決定了部件之間的相對運動方式和力的傳遞路徑。對于橋架與軌道之間的連接，采用固定約束，限制橋架在垂直方向和水平方向的移動以及繞三個坐標軸的轉(zhuǎn)動。在ADAMS軟件中，通過選擇橋架與軌道的接觸部位，定義固定約束，使橋架能夠穩(wěn)定地放置在軌道上，模擬其實際工作中的支撐情況。小車與橋架軌道之間設(shè)置滑動副約束，允許小車在橋架的軌道上沿橫向自由滑動，同時限制其在垂直方向和其他方向的移動以及轉(zhuǎn)動。在設(shè)置滑動副約束時，需準確指定小車車輪與橋架軌道的接觸點和方向，確保約束的準確性。通過滑動副約束，能夠真實地模擬小車在橋架上的運行過程，為分析小車的動力學(xué)性能提供基礎(chǔ)。起升機構(gòu)的卷筒與鋼絲繩之間通過纏繞約束連接，模擬鋼絲繩在卷筒上的纏繞和釋放過程。在建立纏繞約束時，需考慮鋼絲繩的直徑、卷筒的直徑和螺旋槽的形狀等因素，準確設(shè)置纏繞的起始位置、方向和圈數(shù)。通過這種約束方式，能夠準確模擬起升過程中鋼絲繩的運動和受力情況，分析起升機構(gòu)的動力學(xué)特性。例如，在模擬起升過程時，隨著卷筒的轉(zhuǎn)動，鋼絲繩在纏繞約束的作用下，按照設(shè)定的方式在卷筒上纏繞或釋放，實現(xiàn)重物的升降運動。根據(jù)鑄造起重機的實際工作工況，合理施加重力、起升載荷、慣性力等載荷，以模擬其在不同工作狀態(tài)下的受力情況。重力是起重機各部件始終承受的載荷，在ADAMS軟件中，通過設(shè)置重力加速度矢量，使模型中的所有部件受到重力作用。假設(shè)重力加速度為9.8m/s^2，方向垂直向下，在軟件中輸入相應(yīng)的矢量信息，即可對整個模型施加重力。起升載荷是起重機工作時的主要載荷之一，其大小等于吊運重物的重力。在模擬起升工況時，根據(jù)吊運重物的實際質(zhì)量，計算起升載荷的大小，并將其施加在吊鉤上。例如，當(dāng)?shù)踹\質(zhì)量為50t的鋼水包時，起升載荷為50\times1000\times9.8N=490000N，通過在ADAMS中設(shè)置力的大小和作用點，將該起升載荷準確施加在吊鉤上，模擬起升過程中吊鉤和起升機構(gòu)所承受的拉力。在起重機啟動和制動過程中，會產(chǎn)生慣性力，其大小與部件的質(zhì)量和加速度有關(guān)。根據(jù)牛頓第二定律F=ma（其中F為慣性力，m為質(zhì)量，a為加速度），計算各部件在啟動和制動時的慣性力。在模擬啟動工況時，假設(shè)起升機構(gòu)的加速度為0.5m/s^2，起升機構(gòu)中質(zhì)量為1000kg的部件所受的慣性力為1000\times0.5N=500N。在ADAMS軟件中，通過設(shè)置加速度參數(shù)，軟件會根據(jù)部件的質(zhì)量自動計算并施加慣性力。同時，考慮到起重機在運行過程中，由于軌道不平順、風(fēng)力等因素的影響，會產(chǎn)生額外的動載荷，在仿真中可通過添加相應(yīng)的力函數(shù)或激勵來模擬這些動載荷。例如，通過在模型中添加一個隨時間變化的力函數(shù)，模擬軌道不平順引起的沖擊力，使仿真結(jié)果更接近實際工況。3.3.3柔性體處理在鑄造起重機的動力學(xué)分析中，一些部件的柔性對整體動力學(xué)性能有著不可忽視的影響，需采用合適的方法將其處理為柔性體并導(dǎo)入動力學(xué)模型。鋼絲繩作為起升機構(gòu)中的關(guān)鍵部件，具有明顯的柔性特征。在實際工作中，鋼絲繩的彈性變形會影響起升過程的平穩(wěn)性和動力學(xué)響應(yīng)。采用有限元方法對鋼絲繩進行建模，利用ANSYS軟件，將鋼絲繩離散為有限個單元，考慮鋼絲繩的材料特性（如彈性模量、泊松比等）和結(jié)構(gòu)特點（如股數(shù)、絲數(shù)、捻距等），建立精確的鋼絲繩有限元模型。通過對鋼絲繩進行模態(tài)分析，獲取其固有頻率和振型等模態(tài)參數(shù)，為后續(xù)的柔性體處理提供依據(jù)。在將鋼絲繩模型導(dǎo)入ADAMS軟件時，生成模態(tài)中性文件（MNF），該文件包含了鋼絲繩的模態(tài)信息和質(zhì)量矩陣等數(shù)據(jù)。在ADAMS中，通過導(dǎo)入MNF文件，將鋼絲繩模型作為柔性體引入動力學(xué)模型，實現(xiàn)對鋼絲繩柔性的模擬。在模擬起升過程時，鋼絲繩在起升載荷和自身重力的作用下會發(fā)生彈性變形，通過柔性體模型能夠準確地反映這種變形對起升機構(gòu)動力學(xué)性能的影響，如鋼絲繩的振動、吊鉤的晃動等。主梁作為起重機的主要承載結(jié)構(gòu)，在承受較大載荷時也會產(chǎn)生一定的彈性變形，其柔性對起重機的整體動力學(xué)性能有重要影響。利用ANSYS軟件對主梁進行有限元分析，建立主梁的有限元模型，劃分合適的單元類型和網(wǎng)格密度，確保模型能夠準確反映主梁的結(jié)構(gòu)特性。對主梁進行模態(tài)分析，得到主梁的固有頻率和振型，這些模態(tài)參數(shù)反映了主梁的動態(tài)特性。在將主梁模型處理為柔性體時，同樣生成模態(tài)中性文件，并將其導(dǎo)入ADAMS軟件。在ADAMS中，將柔性主梁模型與其他剛性部件模型進行裝配，建立完整的剛?cè)狁詈蟿恿W(xué)模型。在模擬起重機工作過程時，當(dāng)主梁承受起升載荷、小車自重以及自身重力等多種載荷時，柔性主梁模型能夠模擬其彈性變形，分析主梁的應(yīng)力、應(yīng)變分布以及對起重機整體動力學(xué)性能的影響。例如，在模擬起重機吊運重物過程中，由于主梁的柔性變形，小車的運行軌跡會發(fā)生微小變化，通過剛?cè)狁詈夏Ｐ湍軌驕蚀_捕捉這種變化，為評估起重機的工作性能提供更準確的依據(jù)。四、鑄造起重機動力學(xué)仿真分析4.1仿真工況設(shè)定4.1.1典型工作工況選擇鑄造起重機在實際作業(yè)中會經(jīng)歷多種復(fù)雜的工作工況，為全面深入地研究其動力學(xué)性能，選取起升、下降、小車運行、大車運行等典型工作工況作為仿真對象。起升工況是鑄造起重機最基本且關(guān)鍵的工作狀態(tài)之一，在此工況下，起重機需將重物從地面或較低位置提升至指定高度。例如在冶金生產(chǎn)中，將裝滿高溫鋼水的鋼水包從煉鋼爐旁提升至精煉爐或澆鑄位置，這一過程中，起升機構(gòu)需克服鋼水包和鋼水的重力，以及鋼絲繩的自重、摩擦力等阻力，實現(xiàn)平穩(wěn)起升。起升過程的動力學(xué)特性，如起升速度的變化、起升機構(gòu)的轉(zhuǎn)矩輸出、鋼絲繩的拉力變化以及橋架和小車的振動響應(yīng)等，對起重機的安全運行和工作效率有著重要影響。下降工況同樣是起重機工作的常見工況，當(dāng)重物完成吊運任務(wù)后，需通過下降操作將其放置到指定位置。在下降過程中，起重機需要精確控制下降速度，避免重物因下降過快而產(chǎn)生沖擊和晃動，影響吊運的安全性和準確性。同時，下降過程中的制動環(huán)節(jié)也至關(guān)重要，制動過程中產(chǎn)生的沖擊力和振動會對起重機的結(jié)構(gòu)和零部件造成一定的損傷，因此研究下降工況下起重機的動力學(xué)性能，對于優(yōu)化下降控制策略和制動系統(tǒng)設(shè)計具有重要意義。小車運行工況是指小車在橋架的軌道上沿橫向移動，實現(xiàn)重物在水平方向的位置調(diào)整。在實際工作中，小車需要頻繁地啟動、停止和變速，以滿足不同的吊運需求。小車運行過程中，車輪與軌道之間的接觸力、摩擦力，以及小車的加速度、減速度等參數(shù)會影響小車運行的平穩(wěn)性和定位精度。此外，小車運行時還會受到風(fēng)力、軌道不平順等因素的干擾，導(dǎo)致小車產(chǎn)生振動和晃動，因此研究小車運行工況下的動力學(xué)性能，有助于提高小車運行的穩(wěn)定性和可靠性。大車運行工況是指起重機的橋架沿軌道縱向移動，實現(xiàn)起重機在車間內(nèi)的整體位置移動。大車運行過程中，需要考慮起重機的啟動、制動、加速、減速等不同階段的動力學(xué)特性。在啟動階段，大車運行機構(gòu)需克服起重機自身的慣性力和運行阻力，使起重機平穩(wěn)啟動；在制動階段，需要合理控制制動力，確保起重機能夠準確停車，避免因制動過猛或過緩而導(dǎo)致的安全事故。同時，大車運行時還會受到軌道的約束和地面不平的影響，產(chǎn)生振動和沖擊，研究大車運行工況下的動力學(xué)性能，對于優(yōu)化大車運行機構(gòu)的設(shè)計和提高起重機的運行安全性具有重要作用。4.1.2工況參數(shù)設(shè)置針對不同的典型工作工況，準確確定運行速度、加速度、起升高度、載荷大小等關(guān)鍵參數(shù)，是進行動力學(xué)仿真分析的基礎(chǔ)。在起升工況中，運行速度的設(shè)置需綜合考慮生產(chǎn)效率和吊運安全性。一般來說，對于普通重物的起升，起升速度可設(shè)置在0.5-2m/s之間；對于吊運高溫鋼水等液態(tài)金屬的鑄造起重機，為確保吊運過程的平穩(wěn)性和安全性，起升速度通?？刂圃?.3-1m/s。加速度的大小會影響起升過程的沖擊和振動，一般起升加速度設(shè)置在0.1-0.3m/s2之間。起升高度根據(jù)實際工作需求而定，常見的鑄造起重機起升高度在10-30m之間。載荷大小則等于吊運重物的重力，如吊運50t的鋼水包，其載荷大小為50×1000×9.8N=490000N。下降工況的運行速度一般略低于起升速度，以保證下降過程的安全和穩(wěn)定，通常設(shè)置在0.3-1.5m/s之間。下降加速度需嚴格控制，避免因加速度過大導(dǎo)致重物下降過快，產(chǎn)生沖擊和晃動，一般下降加速度設(shè)置在0.05-0.2m/s2之間。制動時的減速度應(yīng)根據(jù)起重機的起重量、運行速度和制動距離等因素合理確定，一般在0.2-0.5m/s2之間。起升高度和載荷大小與起升工況相同。小車運行工況的運行速度根據(jù)車間的布局和工作要求而定，一般在0.5-3m/s之間。啟動和制動時的加速度和減速度一般在0.1-0.5m/s2之間。由于小車運行主要是在橋架上進行短距離的位置調(diào)整，其運行距離相對較短，一般在幾十米以內(nèi)。載荷大小主要考慮小車自身的重量以及吊運重物時對小車產(chǎn)生的附加載荷。大車運行工況的運行速度一般在1-5m/s之間。啟動和制動時的加速度和減速度一般在0.05-0.3m/s2之間。大車運行的距離根據(jù)車間的長度而定，一般在幾十米到上百米之間。載荷大小除了考慮起重機自身的重量外，還需考慮吊運重物時對大車產(chǎn)生的附加載荷，以及風(fēng)載、軌道不平順等因素引起的動載荷。在設(shè)置工況參數(shù)時，還需考慮各種工況之間的組合情況，如起升過程中同時進行小車運行或大車運行等復(fù)合工況。對于復(fù)合工況，需根據(jù)實際工作情況，合理設(shè)置各工況參數(shù)之間的時間順序和協(xié)同關(guān)系，以更真實地模擬鑄造起重機在實際作業(yè)中的工作狀態(tài)。4.2仿真結(jié)果分析4.2.1運動學(xué)參數(shù)分析通過對鑄造起重機起升、下降、小車運行、大車運行等典型工況的動力學(xué)仿真，得到了各部件的位移、速度、加速度隨時間變化的曲線。在起升工況下，起升高度隨時間的變化曲線呈現(xiàn)出典型的加速-勻速-減速的過程。在加速階段，起升高度隨時間的增加而迅速上升，加速度較大；在勻速階段，起升高度以穩(wěn)定的速度上升，加速度為零；在減速階段，起升高度上升速度逐漸減緩，加速度為負。例如，在某起升工況仿真中，起升加速度為0.2m/s?2，加速時間為5s，則在加速階段起升高度的變化量為x_1=\frac{1}{2}at^2=\frac{1}{2}??0.2??5^2=2.5m；勻速階段起升速度為1m/s，運行時間為10s，則起升高度變化量為x_2=vt=1??10=10m；減速階段加速度為-0.2m/s?2，減速時間為5s，起升高度變化量為x_3=vt+\frac{1}{2}at^2=1??5+\frac{1}{2}??(-0.2)??5^2=2.5m。整個起升過程的總起升高度為x=x_1+x_2+x_3=15m。通過對起升高度變化曲線的分析，可以評估起升過程的平穩(wěn)性和準確性，為起升機構(gòu)的控制和優(yōu)化提供依據(jù)。起升速度隨時間的變化曲線也呈現(xiàn)出類似的規(guī)律，在加速階段，起升速度從初始值逐漸增加到設(shè)定的勻速速度；在勻速階段，起升速度保持恒定；在減速階段，起升速度逐漸減小到零。起升速度的變化直接影響到起升過程的效率和安全性，若起升速度過快，可能導(dǎo)致重物晃動加劇，增加吊運風(fēng)險；若起升速度過慢，則會影響生產(chǎn)效率。通過對起升速度變化曲線的分析，可以確定合適的起升速度，以滿足生產(chǎn)需求和安全要求。例如，在實際應(yīng)用中，對于吊運高溫鋼水等液態(tài)金屬的鑄造起重機，起升速度通常控制在0.3-1m/s之間，以確保吊運過程的平穩(wěn)性和安全性。起升加速度隨時間的變化曲線在加速階段為正值，在勻速階段為零，在減速階段為負值。起升加速度的大小直接影響到起升過程的沖擊和振動，過大的加速度會導(dǎo)致起升機構(gòu)和重物受到較大的沖擊，影響設(shè)備的使用壽命和吊運的安全性。通過對起升加速度變化曲線的分析，可以優(yōu)化起升機構(gòu)的控制策略，減小加速度的峰值，降低沖擊和振動。例如，可以采用軟啟動和軟制動技術(shù)，使起升機構(gòu)在啟動和制動過程中加速度逐漸變化，避免突然的沖擊。在小車運行工況下，小車位移隨時間的變化曲線反映了小車在橋架軌道上的移動情況。小車位移隨時間呈線性增加，表明小車在勻速運行。小車運行速度隨時間的變化曲線保持恒定，說明小車運行速度穩(wěn)定。小車運行加速度隨時間的變化曲線在啟動和制動階段不為零，在勻速運行階段為零。通過對小車運行工況下運動學(xué)參數(shù)的分析，可以評估小車運行的平穩(wěn)性和定位精度。例如，在某小車運行工況仿真中，小車運行速度為1m/s，運行時間為20s，則小車位移為x=vt=1??20=20m。若小車在運行過程中出現(xiàn)速度波動或加速度異常，可能會導(dǎo)致小車運行不平穩(wěn)，影響吊運的準確性和安全性。大車運行工況下的運動學(xué)參數(shù)分析與小車運行工況類似，大車位移隨時間的變化曲線反映了大車在軌道上的縱向移動情況，大車運行速度和加速度隨時間的變化曲線也呈現(xiàn)出相應(yīng)的規(guī)律。通過對大車運行工況下運動學(xué)參數(shù)的分析，可以評估大車運行的穩(wěn)定性和可靠性。例如，在某大車運行工況仿真中，大車運行速度為2m/s，啟動加速度為0.1m/s?2，啟動時間為10s，則啟動階段大車位移為x_1=\frac{1}{2}at^2=\frac{1}{2}??0.1??10^2=5m；勻速運行階段運行時間為30s，則位移為x_2=vt=2??30=60m；制動階段加速度為-0.2m/s?2，制動時間為5s，則位移為x_3=vt+\frac{1}{2}at^2=2??5+\frac{1}{2}??(-0.2)??5^2=7.5m。整個運行過程的總位移為x=x_1+x_2+x_3=72.5m。通過對這些運動學(xué)參數(shù)的分析，可以發(fā)現(xiàn)大車在啟動和制動階段的加速度是否合理，運行速度是否穩(wěn)定，以及是否存在異常的振動和沖擊，從而為大車運行機構(gòu)的優(yōu)化和控制提供參考。4.2.2動力學(xué)參數(shù)分析通過動力學(xué)仿真，對鑄造起重機各部件在不同工況下的受力、力矩、功率等動力學(xué)參數(shù)進行了深入研究。在起升工況下，起升鋼絲繩的拉力隨時間的變化曲線呈現(xiàn)出明顯的波動。在起升初期，由于需要克服重物的靜摩擦力和慣性力，鋼絲繩拉力迅速增大，達到一個峰值；隨著起升速度的穩(wěn)定，鋼絲繩拉力逐漸減小并趨于穩(wěn)定。在起升末期，當(dāng)重物接近目標位置需要減速時，鋼絲繩拉力又會有所增加。例如，在吊運50t鋼水包的起升工況仿真中，起升初期鋼絲繩拉力峰值達到550kN，穩(wěn)定起升階段拉力保持在500kN左右，減速階段拉力增加到520kN。通過對鋼絲繩拉力變化曲線的分析，可以確定鋼絲繩的安全系數(shù)，選擇合適的鋼絲繩規(guī)格，確保起升過程的安全可靠。同時，根據(jù)鋼絲繩拉力的變化情況，可以優(yōu)化起升機構(gòu)的控制策略，減小拉力的波動，降低對起升機構(gòu)和鋼絲繩的損傷。起升機構(gòu)電動機的輸出轉(zhuǎn)矩隨時間的變化曲線與鋼絲繩拉力的變化密切相關(guān)。在起升初期，由于需要提供較大的動力來克服各種阻力，電動機輸出轉(zhuǎn)矩較大；在穩(wěn)定起升階段，電動機輸出轉(zhuǎn)矩保持相對穩(wěn)定，以維持起升速度；在減速階段，電動機需要提供反向轉(zhuǎn)矩來實現(xiàn)制動，輸出轉(zhuǎn)矩變?yōu)樨撝怠＠?，在上述起升工況中，起升初期電動機輸出轉(zhuǎn)矩達到5000N?·m，穩(wěn)定起升階段保持在4000N?·m左右，減速階段反向轉(zhuǎn)矩為-1000N?·m。通過對電動機輸出轉(zhuǎn)矩的分析，可以評估電動機的選型是否合理，是否能夠滿足起升過程的動力需求。同時，根據(jù)電動機輸出轉(zhuǎn)矩的變化情況，可以優(yōu)化電動機的控制策略，提高能源利用效率，降低能耗。在小車運行工況下，小車車輪與軌道之間的接觸力隨時間的變化曲線反映了小車運行過程中的受力情況。在小車啟動和制動階段，由于加速度的變化，車輪與軌道之間的接觸力會發(fā)生較大的波動。在啟動時，車輪與軌道之間的摩擦力增大，以提供足夠的驅(qū)動力；在制動時，摩擦力反向，以實現(xiàn)制動。在勻速運行階段，車輪與軌道之間的接觸力相對穩(wěn)定。例如，在某小車運行工況仿真中，小車啟動時車輪與軌道之間的接觸力瞬間增大到10kN，勻速運行階段保持在5kN左右，制動時接觸力反向增大到-8kN。通過對車輪與軌道接觸力的分析，可以評估車輪和軌道的磨損情況，優(yōu)化車輪和軌道的設(shè)計，提高其使用壽命。同時，根據(jù)接觸力的變化情況，可以調(diào)整小車運行機構(gòu)的控制策略，減小啟動和制動時的沖擊，提高小車運行的平穩(wěn)性。大車運行工況下，大車車輪與軌道之間的接觸力以及大車運行機構(gòu)電動機的輸出功率等動力學(xué)參數(shù)也呈現(xiàn)出相應(yīng)的變化規(guī)律。在大車啟動和制動階段，車輪與軌道之間的接觸力會發(fā)生較大變化，電動機的輸出功率也會相應(yīng)改變。在勻速運行階段，這些參數(shù)相對穩(wěn)定。通過對大車運行工況下動力學(xué)參數(shù)的分析，可以評估大車運行機構(gòu)的性能和可靠性，為大車運行機構(gòu)的優(yōu)化和維護提供依據(jù)。例如，在某大車運行工況仿真中，大車啟動時電動機輸出功率瞬間增大到50kW，勻速運行階段保持在30kW左右，制動時功率逐漸減小到零。根據(jù)這些參數(shù)的變化情況，可以判斷大車運行機構(gòu)是否存在故障隱患，如車輪與軌道之間的異常磨損、電動機的過載等，及時采取相應(yīng)的措施進行處理，確保大車運行的安全可靠。通過對動力學(xué)參數(shù)的分析，還可以確定鑄造起重機在不同工況下的應(yīng)力集中區(qū)域和關(guān)鍵受力部件。在起升工況下，起升鋼絲繩、卷筒、吊鉤等部件是關(guān)鍵受力部件，容易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。在小車和大車運行工況下，車輪、軌道、運行機構(gòu)的傳動軸、減速器等部件是關(guān)鍵受力部件。對于這些關(guān)鍵受力部件和應(yīng)力集中區(qū)域，需要進行重點的強度校核和疲勞分析，采取相應(yīng)的措施提高其強度和疲勞壽命，如優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計、選擇合適的材料、進行表面處理等。例如，對于起升鋼絲繩，可以采用高強度的鋼絲繩材料，并進行合理的選型和安裝，確保其在工作過程中的安全性和可靠性；對于卷筒，可以優(yōu)化其結(jié)構(gòu)設(shè)計，增加壁厚或采用加強筋等措施，提高其強度和剛度，減少應(yīng)力集中現(xiàn)象的發(fā)生。4.2.3振動與沖擊特性分析對鑄造起重機在不同工況下的振動與沖擊特性進行分析，對于評估其結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和工作性能具有重要意義。在起升工況下，通過仿真得到的起升機構(gòu)振動幅值隨時間的變化曲線顯示，在起升初期，由于電動機的啟動和鋼絲繩的拉伸，起升機構(gòu)會產(chǎn)生較大的振動，振動幅值迅速增大；隨著起升速度的穩(wěn)定，振動幅值逐漸減小并趨于穩(wěn)定。在起升末期，當(dāng)重物接近目標位置需要減速時，由于制動過程的影響，振動幅值會再次增大。例如，在某起升工況仿真中，起升初期振動幅值達到5mm，穩(wěn)定起升階段振動幅值減小到1mm左右，減速階段振動幅值增大到3mm。通過對振動幅值變化曲線的分析，可以評估起升過程的平穩(wěn)性，若振動幅值過大，可能會導(dǎo)致起升機構(gòu)的零部件松動、磨損加劇，甚至影響到吊運的安全性。為了減小起升過程中的振動幅值，可以采取一系列的減振措施，如在起升機構(gòu)中安裝阻尼器、優(yōu)化電動機的啟動和制動方式、調(diào)整鋼絲繩的張力等。起升機構(gòu)的振動頻率是反映其振動特性的另一個重要參數(shù)，通過頻譜分析得到起升機構(gòu)的振動頻率分布情況。在起升工況下，起升機構(gòu)的振動頻率主要集中在幾個特定的頻段。其中，低頻段的振動主要是由于起升機構(gòu)的整體運動和結(jié)構(gòu)的低頻振動引起的；高頻段的振動則主要是由于電動機、減速器等旋轉(zhuǎn)部件的不平衡、齒輪嚙合等因素引起的。例如，在某起升機構(gòu)的頻譜分析中，發(fā)現(xiàn)振動頻率主要集中在10Hz以下的低頻段和100Hz-200Hz的高頻段。通過對振動頻率的分析，可以確定振動的來源，采取針對性的措施進行減振。對于低頻段的振動，可以通過優(yōu)化起升機構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計，增加結(jié)構(gòu)的剛度和阻尼，減小整體運動的影響；對于高頻段的振動，可以通過提高旋轉(zhuǎn)部件的制造精度和安裝精度，采用動平衡技術(shù)，減小不平衡力的影響。在小車運行工況下，小車的振動幅值和頻率也呈現(xiàn)出一定的變化規(guī)律。小車在啟動和制動階段，由于加速度的變化，會產(chǎn)生較大的沖擊和振動，振動幅值和頻率都會發(fā)生明顯的變化。在勻速運行階段，小車的振動相對較小。通過對小車振動特性的分析，可以評估小車運行的平穩(wěn)性和舒適性。例如，在某小車運行工況仿真中，小車啟動時振動幅值達到3mm，振動頻率主要集中在15Hz-25Hz的頻段；勻速運行階段振動幅值減小到1mm左右，振動頻率主要集中在5Hz-10Hz的頻段。根據(jù)小車振動特性的分析結(jié)果，可以采取相應(yīng)的措施來改善小車的運行性能，如優(yōu)化小車的懸掛系統(tǒng)、調(diào)整車輪的平衡、提高軌道的平整度等。在鑄造起重機的工作過程中，還會受到各種沖擊載荷的作用，如起升過程中重物的突然加載、小車和大車運行過程中的急停急啟等。這些沖擊載荷會對起重機的結(jié)構(gòu)和零部件產(chǎn)生較大的沖擊力，可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的損壞和零部件的疲勞失效。通過仿真分析得到?jīng)_擊載荷作用下的沖擊峰值和沖擊持續(xù)時間等參數(shù)。在起升過程中重物突然加載的情況下，沖擊峰值會在瞬間達到一個較高的值，隨后逐漸衰減。例如，在某起升過程中重物突然加載的仿真中，沖擊峰值達到100kN，沖擊持續(xù)時間約為0.1s。通過對沖擊峰值和沖擊持續(xù)時間的分析，可以評估沖擊載荷對起重機結(jié)構(gòu)和工作性能的影響程度。為了減小沖擊載荷的影響，可以采用緩沖裝置，如在起升機構(gòu)中安裝緩沖器、在小車和大車運行機構(gòu)中設(shè)置緩沖墊等，以吸收和減緩沖擊能量，降低沖擊峰值，延長沖擊持續(xù)時間，保護起重機的結(jié)構(gòu)和零部件。五、案例分析5.1某廠鑄造起重機實例某廠作為鋼鐵生產(chǎn)領(lǐng)域的重要企業(yè)，其生產(chǎn)過程高度依賴鑄造起重機來完成液態(tài)金屬的吊運任務(wù)。該廠所使用的鑄造起重機主要用于將高溫鋼水從轉(zhuǎn)爐吊運至精煉爐，以及將精煉后的鋼水吊運至連鑄機進行澆鑄。該起重機的額定起重量為150t，跨度為30m，起升高度為18m。起升機構(gòu)采用雙電機驅(qū)動，配備有兩套獨立的減速器、卷筒和鋼絲繩系統(tǒng)，以確保起升過程的安全可靠。運行機構(gòu)采用四角驅(qū)動方式，由四臺電動機分別驅(qū)動四個車輪，保證起重機在運行過程中的平穩(wěn)性和驅(qū)動力。在實際工作中，該廠鑄造起重機需要滿足頻繁、高效吊運的要求。由于生產(chǎn)節(jié)奏緊湊，起重機每天需要進行大量的起升、下降、運行等操作，吊運次數(shù)可達數(shù)百次。在起升過程中，要求起重機能夠快速、平穩(wěn)地將鋼水包提升至指定高度，并且在提升過程中要避免鋼水的晃動和溢出；在下降過程中，需要精確控制下降速度，確保鋼水包能夠準確地放置在目標位置。運行過程中，起重機需要在車間內(nèi)快速移動，同時要保證運行的平穩(wěn)性和定位的準確性，以滿足生產(chǎn)線上不同工位的需求。然而，在長期的使用過程中，該廠鑄造起重機出現(xiàn)了一系列動力學(xué)問題。在起升過程中，經(jīng)常出現(xiàn)起升速度不穩(wěn)定的情況，有時會出現(xiàn)速度突然下降或上升的現(xiàn)象，這不僅影響了生產(chǎn)效率，還增加了鋼水晃動和溢出的風(fēng)險。通過對起升機構(gòu)的檢查和分析，發(fā)現(xiàn)電動機的輸出轉(zhuǎn)矩波動較大，可能是由于電動機的控制系統(tǒng)存在故障或參數(shù)設(shè)置不合理導(dǎo)致的。起升過程中鋼絲繩的振動也較為明顯，這會導(dǎo)致鋼絲繩的磨損加劇，降低鋼絲繩的使用壽命，甚至可能引發(fā)安全事故。經(jīng)過分析，鋼絲繩振動的原因可能是鋼絲繩的張力不均勻，或者是起升機構(gòu)的卷筒和滑輪存在不平衡問題。在運行過程中，起重機存在明顯的振動和噪聲問題。振動不僅會影響起重機的運行穩(wěn)定性和定位精度，還會使操作人員感到不適，長期振動還可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)部件的疲勞損壞。通過對運行機構(gòu)的檢查和測試，發(fā)現(xiàn)車輪與軌道之間的接觸不均勻，存在局部磨損和間隙過大的問題，這會導(dǎo)致車輪在運行過程中產(chǎn)生跳動，從而引起起重機的振動。運行機構(gòu)的傳動軸和減速器也存在一定的問題，如傳動軸的彎曲變形、減速器的齒輪磨損等，這些問題都會導(dǎo)致運行過程中的振動和噪聲增大。此外，鑄造起重機的結(jié)構(gòu)部件也出現(xiàn)了一些疲勞損壞的跡象。橋架的主梁和端梁在長期的重載作用下，出現(xiàn)了裂紋和變形的情況，這嚴重影響了起重機的結(jié)構(gòu)強度和安全性。經(jīng)過對結(jié)構(gòu)部件的受力分析和疲勞壽命計算，發(fā)現(xiàn)主梁和端梁的某些部位存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，在頻繁的交變載荷作用下，這些部位容易產(chǎn)生疲勞裂紋，隨著裂紋的擴展，最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)部件的損壞。針對這些動力學(xué)問題，該廠迫切需要采用虛擬樣機技術(shù)對鑄造起重機進行動力學(xué)仿真分析，找出問題的根源，并提出相應(yīng)的改進措施，以提高起重機的性能和安全性，保障生產(chǎn)的順利進行。5.2虛擬樣機建模與仿真實施5.2.1模型構(gòu)建過程利用SolidWorks軟件，依據(jù)該廠鑄造起重機的設(shè)計圖紙和實際尺寸，構(gòu)建三維實體模型。在零件建模階段，針對橋架主梁，通過精確繪制草圖，定義其箱型截面的尺寸，包括長度、寬度、高度以及板厚等參數(shù)，隨后利用拉伸特征，將草圖沿長度方向拉伸，生成主梁的三維實體。對于端梁，同樣通過草圖繪制和拉伸等操作，創(chuàng)建其三維模型，并確保與主梁的連接尺寸和位置準確無誤。小車架的建模則需考慮其復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，通過多次草圖繪制和特征操作，如拉伸、打孔、倒角等，構(gòu)建出具有安裝座、加強筋等結(jié)構(gòu)的小車架模型。在起升機構(gòu)的零件建模中，電動機、減速器、卷筒等部件的建模尤為關(guān)鍵。電動機模型根據(jù)其實際外形和尺寸，通過繪制多個視圖的草圖，并利用拉伸、旋轉(zhuǎn)等特征操作，構(gòu)建出電動機的外殼、轉(zhuǎn)子、定子等部分。減速器模型則需考慮其內(nèi)部的齒輪、軸等結(jié)構(gòu)，通過創(chuàng)建多個零件模型并進行裝配，模擬減速器的實際結(jié)構(gòu)。卷筒模型通過繪制軸向截面草圖，利用旋轉(zhuǎn)特征生成卷筒的實體，并添加鋼絲繩纏繞的螺旋槽特征。完成零件建模后，進行裝配模型的搭建。在SolidWorks的裝配環(huán)境中，首先導(dǎo)入橋架模型作為基礎(chǔ)部件，固定其位置。接著，依次導(dǎo)入端梁模型，通過添加“重合”“同軸心”等裝配約束，將端梁準確地安裝在橋架上，形成穩(wěn)定的橋架結(jié)構(gòu)。在裝配小車時，將小車架模型導(dǎo)入，并通過“重合”約束使小車車輪的軌道面與橋架上的軌道面貼合，添加“平行”約束確保小車的運動方向與橋架縱向一致，同時設(shè)置滑動副，模擬小車在橋架上的橫向移動。對于起升機構(gòu)的裝配，將電動機、減速器、卷筒等部件依次裝配到小車上。在裝配電動機與減速器時，添加“同軸心”約束使二者的軸同心，添加“重合”約束使安裝面貼合，確保動力的有效傳遞。將卷筒裝配到減速器的輸出軸上，同樣添加“同軸心”約束，并通過鍵連接或其他合適的方式，確保卷筒能夠跟隨減速器的輸出軸同步旋轉(zhuǎn)。在裝配鋼絲繩和吊鉤時，根據(jù)實際的纏繞方式和連接關(guān)系，創(chuàng)建相應(yīng)的約束和運動副。利用“相切”約束使鋼絲繩與卷筒表面相切，模擬鋼絲繩在卷筒上的纏繞；利用“鉸接”運動副連接吊鉤與鋼絲繩的下端，模擬吊鉤的自由擺動。將建好的三維實體模型導(dǎo)入ADAMS軟件，進行動力學(xué)模型的建立。根據(jù)起重機各部件的材料屬性和幾何尺寸，準確計算并定義各部件的質(zhì)量、質(zhì)心位置和轉(zhuǎn)動慣量。對于橋架主梁，根據(jù)其材料密度和體積，計算出質(zhì)量，并利用SolidWorks的質(zhì)量屬性分析工具，確定其質(zhì)心位置和繞不同軸的轉(zhuǎn)動慣量。在ADAMS中，通過設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)，將這些質(zhì)量屬性準確地賦予主梁模型。同樣的方法用于定義其他部件的質(zhì)量屬性。明確各部件間的約束關(guān)系，在ADAMS中添加相應(yīng)的約束和運動副。橋架與軌道之間采用固定約束，限制橋架在垂直方向和水平方向的移動以及繞三個坐標軸的轉(zhuǎn)動。小車與橋架軌道之間設(shè)置滑動副約束，允許小車在橋架的軌道上沿橫向自由滑動，同時限制其在垂直方向和其他方向的移動以及轉(zhuǎn)動。起升機構(gòu)的卷筒與鋼絲繩之間通過纏繞約束連接，模擬鋼絲繩在卷筒上的纏繞和釋放過程。在設(shè)置這些約束和運動副時，需準確指定其位置和方向，確保模型的運動符合實際情況。根據(jù)鑄造起重機的實際工作工況，在ADAMS中施加重力、起升載荷、慣性力等載荷。通過設(shè)置重力加速度矢量，使模型中的所有部件受到重力作用。在模擬起升工況時，根據(jù)吊運重物的實際質(zhì)量，計算起升載荷的大小，并將其施加在吊鉤上。在起重機啟動和制動過程中，根據(jù)牛頓第二定律計算各部件的慣性力，并在ADAMS中通過設(shè)置加速度參數(shù)，使軟件自動計算并施加慣性力?？紤]到起重機在運行過程中可能受到的其他因素影響，如軌道不平順、風(fēng)力等，通過添加相應(yīng)的力函數(shù)或激勵來模擬這些動載荷。5.2.2仿真工況與參數(shù)根據(jù)該廠鑄造起重機的實際工作情況，設(shè)定了多種仿真工況，包括起升、下降、小車運行、大車運行以及復(fù)合工況等。在起升工況中，設(shè)置起升速度為0.5m/s，起升加速度為0.1m/s2，起升高度為15m，吊運的鋼水包質(zhì)量為150t。在下降工況中，下降速度設(shè)置為0.4m/s，下降加速度為0.08m/s2，制動時的減速度為0.2m/s2，起升高度和吊運質(zhì)量與起升工況相同。小車運行工況中，運行速度設(shè)置為1m/s，啟動和制動時的加速度和減速度均為0.2m/s2，運行距離為20m。大車運行工況中，運行速度設(shè)置為2m/s，啟動加速度為0.1m/s2，制動減速度為0.15m/s2，運行距離為50m。在復(fù)合工況中，考慮起升過程中同時進行小車運行或大車運行的情況，設(shè)置起升速度為0.3m/s，起升加速度為0.05m/s2，小車運行速度為0.5m/s，大車運行速度為1m/s，其他參數(shù)根據(jù)實際工作情況合理設(shè)置。除了上述主要參數(shù)外，還考慮了一些其他因素對仿真結(jié)果的影響。在起升和下降工況中，考慮了鋼絲繩的彈性變形對起升和下降過程的影響，通過在模型中設(shè)置鋼絲繩的彈性參數(shù)來模擬這種影響。在小車和大車運行工況中，考慮了車輪與軌道之間的摩擦力和接觸變形對運行過程的影響，通過設(shè)置相應(yīng)的摩擦系數(shù)和接觸剛度參數(shù)來模擬這些因素。考慮到鑄造起重機工作環(huán)境中的溫度變化、風(fēng)力等因素對起重機結(jié)構(gòu)和運行性能的影響，在仿真中通過添加相應(yīng)的環(huán)境載荷和溫度載荷來模擬這些因素。5.3仿真結(jié)果與實際驗證5.3.1仿真結(jié)果展示通過對該廠鑄造起重機虛擬樣機模型進行動力學(xué)仿真，得到了豐富的運動學(xué)、動力學(xué)及振動沖擊等結(jié)果。在運動學(xué)方面，清晰呈現(xiàn)了