一种基于瞬态动力学的臂架系统有限元分析方法与流程

1.本发明涉及计算机辅助工程技术领域，尤其涉及一种基于瞬态动力学的臂架系统有限元分析方法。

背景技术：

2.在当今隧道工程领域，cae（计算机辅助工程）目前应用已得到广泛应用，成为隧道装备开发、解决问题，支持产品开发的一种有效工具，其中有限元在结构应力、变形、疲劳、拓扑减重、屈曲等方面可以获得较高的精度，能解决工程开发、降本多方面的问题。
3.目前对于隧道装备的臂架系统的有限元分析方法通常为静力学分析。但隧道臂架系统很多时候都是带载伸缩的，甚至会出现臂架系统水平全伸带负载的情况，很难全面反应臂架系统内各部套的受力情况，因此单纯的静力学分析很难满足需求，所以寻求一种新的有限元分析方法，是隧道装备开发很重要的一项工作；而瞬态动力学是一种时域分析，是分析结构在随时间变化的载荷作用下产生动力响应过程的一种技术。其输入数据是时间函数的载荷，而输出数据是随时间变化的位移或其他输出量，如应力、应变等。

技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明提供一种基于瞬态动力学的臂架系统有限元分析方法，旨在解决现有臂架系统的静力学分析方法适用性低，分析结果精准度低的技术问题。
5.为解决以上技术问题，本发明的技术方案为提供一种基于瞬态动力学的臂架系统有限元分析方法，包括：搭建三维臂架模型，并对所述三维臂架模型进行特征处理；对特征处理后的三维臂架模型进行网格划分，并施加边界条件，得到臂架有限元模型；采用接触算法对所述臂架有限元模型增加额外的压力自由度；基于臂架系统的运动状态，对所述臂架有限元模型进行顺序动作驱动设置；利用有限元求解器对所述臂架有限元模型进行求解计算，得到臂架系统的分析结果。
6.可选的，所述对所述三维臂架模型进行特征处理，包括：将所述三维臂架模型中不影响计算的小特征进行删除处理，包括但不限于删掉不影响计算的零件、处理剖口、圆角；对不需要进行受力分析的部件划分为刚性，对需要进行受力分析的部件划分为柔性，其中，划分为刚性的部件，不需要划分有限元网格。这样可以大大缩短有限元分析的计算时间。
7.可选的，所述搭建三维臂架模型，并对所述三维臂架模型进行特征处理之后，还包括：
对所述进行特征处理后的三维臂架模型进行模型分组，包括臂架支座组、基本臂组、二节臂组、三节臂组、前端工作装置组和油缸组。
8.可选的，所述对特征处理后的三维臂架模型进行网格划分，并施加边界条件，得到臂架有限元模型，包括：对特征处理后的三维臂架模型进行风险区域预估，对所述三维臂架模型进行网格划分，并将预估为风险区域的区域网格进行网格加密处理；对所述三维臂架模型施加边界条件，得到臂架有限元模型。
9.可选的，所述对所述三维臂架模型施加边界条件，包括：基本臂和二节臂间通过油缸进行铰接，且基本臂头部滑块与二节臂臂筒进行摩擦接触，二节臂尾部滑块与基本臂臂筒进行摩擦接触，二节臂和三节臂间通过油缸进行铰接，且二节臂头部滑块与三节臂臂筒进行摩擦接触，三节臂尾部滑块与二节臂臂筒进行摩擦接触；对臂架系统其余部件均通过铰接进行连接；给定臂架系统自重和负载，将臂架支座固定。
10.可选的，所述采用接触算法对所述臂架有限元模型增加额外的压力自由度，包括：采用法向拉格朗日法对臂架有限元模型中的臂架与滑块接触点增加额外的压力自由度，控制臂架与滑块接触面的穿透。
11.可选的，所述基于臂架系统的运动状态，对所述臂架有限元模型进行顺序动作驱动设置，包括：基于臂架系统的运动状态，确定油缸组中每一个油缸的运动状态；根据所述每一个油缸的运动状态，进行顺序动作驱动设置；其中，所述油缸的运动状态包括油缸的运动情况和运动先后顺序。
12.可选的，所述利用有限元求解器对所述臂架有限元模型进行求解计算，得到臂架系统的分析结果之后，还包括：对分析结果显示不符合要求的位置，进行设计修改和结构优化。
13.本发明提出一种基于瞬态动力学的臂架系统有限元分析方法，通过搭建三维臂架模型，并对所述三维臂架模型进行特征处理；对特征处理后的三维臂架模型进行网格划分，并施加边界条件，得到臂架有限元模型；采用接触算法对所述臂架有限元模型增加额外的压力自由度；基于臂架系统的运动状态，对所述臂架有限元模型进行顺序动作驱动设置；利用有限元求解器对所述臂架有限元模型进行求解计算，得到臂架系统的分析结果。通过采用瞬态力学的分析方法，代替传统的静力学分析来指导设计臂架系统，能够更准确的模拟隧道装备臂架系统在工作时，臂架系统内结构件应力实时显示。提高了有限元分析方法的适用性，还提高了分析结果的精准度。
附图说明
14.为了更清楚地说明本技术实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图做简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他
附图。
15.图1是本发明一实施例提供的一种基于瞬态动力学的臂架系统有限元分析方法的步骤示意图；图2是本发明一实施例提供的一种基于瞬态动力学的臂架系统有限元分析方法的流程示意图；图3是本发明一实施例提供的臂架总成结构示意图；图4是本发明一实施例提供的臂架油缸结构示意图；图5是本发明一实施例提供的吊篮抓手总成结构部分示意图；图6是本发明一实施例提供的吊篮抓手总成结构另一部分示意图；图7是本发明一实施例提供的凿岩机机构总成部分结构示意图；图8是本发明一实施例提供的凿岩机机构总成另一部分结构示意图。
16.附图标记说明：1-转台、2-基本节臂、3-二节臂总成、4-三节臂总成、5-凿岩机构总成、6-吊篮抓手总成、7-辅助臂俯仰油缸筒、8-辅助臂俯仰油缸活塞、9-二节臂伸缩油缸筒、10-二节臂伸缩油缸活塞杆、11-三节臂伸缩活塞杆、12-三节臂伸缩油缸筒、13-平衡油缸活塞、14-平衡油缸筒、15-竖梁、16-前后俯仰油缸筒、17-前后俯仰油缸活塞、18-吊篮、19-主抓手、20-主抓手左右调节油缸、21-主抓手左右调节活塞、22-抓手调节油缸筒、23-抓手调节油缸活塞、24-抓手、25-第一回转减速器、26-左连接机构总成、27-第二回转减速器、28-下推进梁座总成、29-下推进梁、30-上推进梁、31-凿岩机、32-钻杆组件、33-第一推进油缸活塞、34-第一推进油缸筒、35-第二推进油缸筒、36-第二推进油缸活塞。
具体实施方式
17.为了使本领域技术人员更好的理解本发明实施例，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
18.目前对于隧道装备的臂架系统的有限元分析方法通常为静力学分析，但隧道臂架系统很多时候都是带载伸缩的，甚至会出现臂架系统水平全伸带负载的情况，很难全面反应臂架系统内各部套的受力情况，因此单纯的静力学分析很难满足需求，所以寻求一种新的有限元分析方法，是隧道装备开发很重要的一项工作。
19.有鉴于此，本发明提出采用瞬态动力学的分析方法，代替传统的静力学分析来指导设计臂架系统，能够更精准的模拟隧道装备臂架系统在工作时，臂架系统内结构件应力实时显示，具体为提供一种基于瞬态动力学的臂架系统有限元分析方法。
20.在进行实施例说明之前，需要先对臂架系统的工作原理进行说明，即转台连接车架上的转向台控制整个臂架的左右旋转，并且固定基本节臂和俯仰油缸筒，整个臂架的上下移动通过俯仰油缸组的运动实现，基本节臂与二节臂的运动是通过一组伸缩油缸进行控制的，二节臂与三节臂的运动是通过内部的另一组伸缩油缸进行控制的。在抬升过程中抓手吊篮需要和地面保持平行，平衡油缸推动转台连接总成转动维持整个抓手吊篮角度，抓手位置的调节通过前后俯仰油缸和左右平衡油缸控制，凿岩机通过第一和第二推进油缸控
制。
21.有限元分析(fea)是一种预测结构的偏移与其它应力影响的过程，有限元建模(fem)将这个结构分割成单元网格以形成实际结构的模型，每个单元具有简单形态(如正方形或三角形)。这样有限元程序就有了可写出在刚度矩阵结构中控制方程方面的信息。每个单元上的未知量就是在节点上的位移，这个点就是单元的连接点。有限元程序将这些单个单元的刚度矩阵组合起来以形成整个模型的总刚度矩阵，并给予已知力和边界条件来求解该刚度矩阵以得出未知位移，从节点上位移的变化就可以计算出每个单元中的应力。
22.参照图1，是本发明一实施例提供的一种基于瞬态动力学的臂架系统有限元分析方法的步骤示意图。
23.s11、搭建三维臂架模型，并对三维臂架模型进行特征处理。
24.在进行臂架系统有限元分析之前，需要先搭建三维臂架模型，并对三维臂架模型进行特征处理，具体为，将三维臂架模型导入为spaceclaim（三维实体直接建模软件）可识别的格式，利用该软件对三维臂架模型进行特征处理，包括但不限于删掉不影响计算的零件、处理剖口等小特征，去掉非关键位置的小孔和槽，用圆孔代替螺纹孔，用直角代替圆角及倒角等，目的是为了更好的提高计算速度和精度，进而将处理好的三维臂架模型转出ansys dm可识别的格式，并将三维模型依次对三维臂架模型进行分组，包括臂架支座组、基本臂组、二节臂组、三节臂组、前端工作装置组和油缸组。
25.对不需要进行受力分析的部件变成rigid（刚性），对需要进行受力分析的部件变成flexible（柔性），划分为rigid（刚性）的部件，本发明重点在于分析臂架受力的情况，故将臂架支座组、前端工作装置组及油缸组变成rigid（刚性），基本臂组、二节臂组、三节臂组变成flexible（柔性），rigid（刚性）部件不需要划分有限元网格，这样可以大大缩短有限元分析的计算时间。
26.s12、对特征处理后的三维臂架模型进行网格划分，并施加边界条件，得到臂架有限元模型。
27.三维臂架模型在经过特征处理之后需要进行网格划分以及边界条件的添加才能得到臂架有限元模型，具体为，利用ansys workbench软件中的meshing模块划分臂架有限元网格，而在进行网格划分之前需要对风险区域进行预估，即设计关注的重点区域，在这些区域尽量采用高阶六面体网格填充，加密，以满足分析需求。
28.在边界条件上，需要将基本臂和二节臂间通过油缸进行铰接，且基本臂头部滑块与二节臂臂筒进行摩擦接触，二节臂尾部滑块与基本臂臂筒进行摩擦接触，二节臂和三节臂间通过油缸进行铰接，且二节臂头部滑块与三节臂臂筒进行摩擦接触，三节臂尾部滑块与二节臂臂筒进行摩擦接触，其余部件均通过铰接进行连接，在给定负载和臂架系统自重，将臂架支座固定。
29.s13、采用接触算法对臂架有限元模型增加额外的压力自由度。
30.为了阻止臂架与滑块接触表面相互穿透，在相互接触点需建立一定的规则，即接触算法。ansys采用的是接触约束算法，它提供了五种接触约束算法：罚函数法pure penalty，广义拉格朗日augmented lagrange,法向拉格朗日法normal lagrange，多点约束方程mpc，梁约束法beam，本实施例由于滑块和臂架之间为滑动摩擦，臂架会对滑块有一个正向压力，为防止穿透，采用法向拉格朗日法，法向拉格朗日法：增加额外的压力自由度，通
过该自由度控制接触面无穿透或者微小穿透，其公式为ft=切向接触力，kt=切向刚度，xt=切向滑移量，ft=kt
×
xt。
31.s14、基于臂架系统的运动状态，对臂架有限元模型进行顺序动作驱动设置。
32.进行上述步骤之后，还需要进行顺序动力学处理，确定每一个油缸的运动情况，以及运动的先后顺序，设定油缸动作顺序动作驱动设置，具体设置情况根据各油缸按照时间函数进行顺序动作驱动而设置。
33.s15、利用有限元求解器对臂架有限元模型进行求解计算，得到臂架系统的分析结果。
34.利用有限元求解器进行求解计算，最终得到一个随着臂架系统运动，实时显示各臂架系统部件应力的动态云图，可以方便快速的观察到臂架系统在运动时，其每一个结构的受力情况。
35.需要说明的是，在得到臂架系统的分析结果之后，还需要进行结果评价以及优化设计，具体为，对臂架系统在运动时的强度、臂架接触面特性结果，不满足设计要求的，需优化结构强度使其满足设计需求。
36.本实施例提供的一种基于瞬态动力学的臂架系统有限元分析方法通过搭建三维臂架模型，并对所述三维臂架模型进行特征处理；对特征处理后的三维臂架模型进行网格划分，并施加边界条件，得到臂架有限元模型；采用接触算法对所述臂架有限元模型增加额外的压力自由度；基于臂架系统的运动状态，对所述臂架有限元模型进行顺序动作驱动设置；利用有限元求解器对所述臂架有限元模型进行求解计算，得到臂架系统的分析结果。通过采用瞬态力学的分析方法，代替传统的静力学分析来指导设计臂架系统，能够更准确的模拟隧道装备臂架系统在工作时，臂架系统内结构件应力实时显示。提高了有限元分析方法的适用性，还提高了分析结果的精准度。
37.进一步的，参照图2，是本技术一实施例提供的种基于瞬态动力学的臂架系统有限元分析方法的流程示意图。
38.在本实施例中，建立三维臂架模型，并对该三维臂架模型进行特征处理之后，对处理后的三维臂架模型进行分组，具体的，如图3所示，臂架总成包括：转台1、基本节臂2、二节臂总成3、三节臂总成4、凿岩机构总成5、吊篮抓手总成6。转台1作为臂架支座组；基本节臂2为基本臂组；二节臂总成3作为二节臂组；三节臂总成4作为三节臂组；凿岩机构总成5以及吊篮抓手总成6均作为前端工作装置组，具体的油缸组如图4所示，包括辅助臂俯仰油缸筒7、辅助臂俯仰油缸活塞8、二节臂伸缩油缸筒9、二节臂伸缩油缸活塞杆10、三节臂伸缩活塞杆11、三节臂伸缩油缸缸筒12。
39.其中，如图5、图6所示，吊篮抓手总成6包括：平衡油缸活塞13、平衡油缸筒14、竖梁15、前后俯仰油缸筒16、前后俯仰油缸活塞17、吊篮18、主抓手19、主抓手左右调节油缸20、主抓手左右调节活塞21、抓手调节油缸筒22、抓手调节油缸活塞23、抓手24。
40.如图7、图8所示，凿岩机构总成5包括：第一回转减速器25、左连接机构总成26、第二回转减速器27、下推进梁座总成28、下推进梁29、上推进梁30、凿岩机31、钻杆组件32、第一推进油缸活塞33、第一推进油缸筒34、第二推进油缸筒35、第二推进油缸活塞36；进一步的，基于上述臂架系统工作原理，可以得到如图7所示的吊篮抓手工作状态示意图以及如图8所示的凿岩机工作状态示意图。由此，在进行顺序动作驱动设置时，根据
时间函数进行设置，具体为：（1）进行抓手工作时，执行如下动作驱动设置：步骤1：辅助臂俯仰油缸的开始时间设置为0，结束时间设置为30s，进行动作为回缩317mm，其step函数为step(time,0,0,30,-0.317)；步骤2：辅助臂俯仰油缸的开始时间设置为30s，结束时间设置为60s，进行动作为伸长317mm，其step函数为step(time,30,0,60,0.317)；步骤3：二节臂伸缩油缸的开始时间设置为60s，结束时间设置为119s，进行动作为伸长2350mm, 其step函数为step(time,60,0,119,2.350)；步骤4：三节臂伸缩油缸的开始时间设置为119s，结束时间设置为178s，进行动作为伸长2350mm，其step函数为step(time,119,0,178,2.350)；步骤5：抓手俯仰油缸的开始时间设置为0，结束时间设置为30s，进行动作为伸长110mm，其step函数为step(time,0,0,30,0.11)；步骤6：抓手俯仰油缸的开始时间设置为30s，结束时间设置为60s，进行动作为回缩110mm，其step函数为step(time,30,0,60,-0.11)。
41.（2）进行凿岩机工作时，执行如下动作驱动设置：步骤1：二节臂伸缩油缸的开始时间设置为0，结束时间设置为40s，进行动作为伸长2350mm，其step函数为step(time,0,0,40,2.350)；步骤2：三节臂伸缩油缸的开始时间设置为40s，结束时间设置为80s, 进行动作为伸长2350mm, 其step函数为step(time,40,0,80,2.350);步骤3：推进油缸1的开始时间设置为80s，结束时间设置为120s, 进行动作为伸长500mm, 其step函数为step(time,80,0,120,0.500);步骤4：推进油缸2的开始时间设置为120s，结束时间设置为160s，进行动作为伸长200mm，其step函数为step(time,120,0,160,0.200)。
42.需要说明的是，进行抓手工作时的辅助臂俯仰油缸进行动作的起始时间与抓手俯仰油缸进行动作的起始时间是一样的，也就是说在这个时间段内，辅助臂俯仰油缸的动作会与抓手俯仰油缸的动作依据连接关系或是工作原理会产生联动，即同一个时间段内，两个不同的动作油缸同时驱动做出动作。
43.此外，抓手工作与凿岩机工作是分开工作的，各自拥有一套动作设置，其工作顺序为先抓手，后凿岩。
44.在进行了顺序动作驱动设置之后，输出的有限元模型计算结果便能够得到一个随着臂架系统运动，实时显示各臂架系统部件应力的动态云图，通过该动态云图能够更准确的模拟隧道装备臂架系统在工作时，臂架系统内结构件应力实时显示，并基于分析结果来对臂架系统进行指导设计。
45.需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者系统中还存在另外的相同要素。
46.以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对
本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

技术特征：

1.一种基于瞬态动力学的臂架系统有限元分析方法，其特征在于，包括：搭建三维臂架模型，并对所述三维臂架模型进行特征处理；对特征处理后的三维臂架模型进行网格划分，并施加边界条件，得到臂架有限元模型；采用接触算法对所述臂架有限元模型增加额外的压力自由度；基于臂架系统的运动状态，对所述臂架有限元模型进行顺序动作驱动设置；利用有限元求解器对所述臂架有限元模型进行求解计算，得到臂架系统的分析结果。2.根据权利要求1所述的一种基于瞬态动力学的臂架系统有限元分析方法，其特征在于，所述对所述三维臂架模型进行特征处理，包括：将所述三维臂架模型中不影响计算的小特征进行删除处理，包括但不限于删掉不影响计算的零件、处理剖口，去掉非关键位置的小孔和槽，用圆孔代替螺纹孔，用直角代替圆角及倒角；对不需要进行受力分析的部件划分为刚性，对需要进行受力分析的部件划分为柔性，其中，划分为刚性的部件，不需要划分有限元网格。3.根据权利要求1所述的一种基于瞬态动力学的臂架系统有限元分析方法，其特征在于，所述搭建三维臂架模型，并对所述三维臂架模型进行特征处理之后，还包括：对特征处理后的三维臂架模型进行模型分组，包括臂架支座组、基本臂组、二节臂组、三节臂组、前端工作装置组和油缸组。4.根据权利要求1所述的一种基于瞬态动力学的臂架系统有限元分析方法，其特征在于，所述对特征处理后的三维臂架模型进行网格划分，并施加边界条件，得到臂架有限元模型，包括：对特征处理后的三维臂架模型进行风险区域预估，对所述三维臂架模型进行网格划分，并将预估为风险区域的区域网格进行网格加密处理；对所述三维臂架模型施加边界条件，得到臂架有限元模型。5.根据权利要求4所述的一种基于瞬态动力学的臂架系统有限元分析方法，其特征在于，所述对所述三维臂架模型施加边界条件，包括：基本臂和二节臂间通过油缸进行铰接，且基本臂头部滑块与二节臂臂筒进行摩擦接触，二节臂尾部滑块与基本臂臂筒进行摩擦接触，二节臂和三节臂间通过油缸进行铰接，且二节臂头部滑块与三节臂臂筒进行摩擦接触，三节臂尾部滑块与二节臂臂筒进行摩擦接触；对臂架系统其余部件均通过铰接进行连接；给定臂架系统自重和负载，将臂架支座固定。6.根据权利要求1所述的一种基于瞬态动力学的臂架系统有限元分析方法，其特征在于，所述采用接触算法对所述臂架有限元模型增加额外的压力自由度，包括：采用法向拉格朗日法对臂架有限元模型中的臂架与滑块接触点增加额外的压力自由度，控制臂架与滑块接触面的穿透。7.根据权利要求3所述的一种基于瞬态动力学的臂架系统有限元分析方法，其特征在于，所述基于臂架系统的运动状态，对所述臂架有限元模型进行顺序动作驱动设置，包括：基于臂架系统的运动状态，确定油缸组中每一个油缸的运动状态；
根据所述每一个油缸的运动状态，进行顺序动作驱动设置；其中，所述油缸的运动状态包括油缸的运动情况和运动先后顺序。8.根据权利要求1所述的一种基于瞬态动力学的臂架系统有限元分析方法，其特征在于，所述利用有限元求解器对所述臂架有限元模型进行求解计算，得到臂架系统的分析结果之后，还包括：对分析结果不符合要求的位置，进行局部设计修改和结构优化。

技术总结

本发明公开一种基于瞬态动力学的臂架系统有限元分析方法，通过搭建三维臂架模型，并对所述三维臂架模型进行特征处理；对特征处理后的三维臂架模型进行网格划分，并施加边界条件，得到臂架有限元模型；采用接触算法对所述臂架有限元模型增加额外的压力自由度；基于臂架系统的运动状态，对所述臂架有限元模型进行顺序动作驱动设置；利用有限元求解器对所述臂架有限元模型进行求解计算，得到臂架系统的分析结果。通过采用瞬态力学的分析方法，代替传统的静力学分析来指导设计臂架系统，能够更准确的模拟隧道装备臂架系统在工作时，臂架系统内结构件应力实时显示。提高了有限元分析方法的适用性，还提高了分析结果的精准度。还提高了分析结果的精准度。还提高了分析结果的精准度。