【10】 第35卷 第7期 2013-07(上)基于ADAMS/Cable的起重机钢丝绳的仿真分析Simulation analysis for the wire rope of the crane based on ADAMS/Cable张营章，张顺心，崔少杰，孙春福ZHANG Ying-zhang, ZHANG Shun-xin, CUI Shao-jie, SUN Chun-fu（河北工业大学 机械学院，天津 300130）摘 要：针对钢丝绳在起重机工作过程中的重要性，本文基于ADAMS/Cable模块建立了包含钢丝绳、滑轮和卷筒的多体系统动力学模型，运用ADAMS/Solver仿真控制语言文件进行外部求解，对钢丝绳进行了动力学仿真分析。仿真分析表明：本文的建模与仿真方法比传统方法更加简洁、准确，仿真速度更加迅速，为进一步分析起重机的振动稳定性、安全性以及疲劳特性奠定了基础，对工程实际应用具有重要参考价值。关键词：起重机；钢丝绳；ADAMS；建模；动力学仿真；轴套力中文分类号：TP391.9 文献标识码：A 文章编号：1009-0134(2013)07(上)-0010-03Doi:10.3969/j.issn.1009-0134.2013.07(上).04收稿日期：2013-01-23基金项目：河北省科学技术厅支撑计划项目（11205193D）作者简介：张营章（1987 -），男，河北晋州人，硕士研究生，研究方向为工程机械。0 引言随着现代工业的发展，起重机的工作速度和起重力矩逐渐加大，结构趋于大型化。钢丝绳应用于各种起重机上，具有支持大变形和大位移、能够承受多种交变载荷以及在各种恶劣环境中工作等优点。在起重机起吊时，由于钢丝绳的作用，重物摆动的幅度会受到起重机卷扬的速度和加速度的影响。在起重机的起动和制动阶段，尤其是突然制动或受到其他冲击时，钢丝绳和重物会产生很大振动，从而在起重机的支架上产生很大的交变载荷。国内外的专家、学者利用多体系统动力学软件ADAMS对钢丝绳建模采用不同方法进行了研究，取得了一定的研究成果，但各自存在着不同的优缺点。文献[1]采用关联副或齿轮副来模拟钢丝绳的建模，此方法能够获得较为理想的仿真速度，但是不能实现钢丝绳的缠绕，且容易造成冗余约束；文献[2,3]基于ADAMS软件建模环境提出用轴套力结合批处理宏命令进行建模的方法，这种方法应用的比较成熟，在实际仿真中一直在采用。但此方法改变滑轮的形状或者间距就必须重新进行建模，难以保证参数化建模和优化设计，仿真速度也不理想。本文采用ADAMS/Cable模块对钢丝绳、滑轮和卷筒进行建模和仿真，重点对起吊的过渡阶段进行动力学分析，为起重机的整体仿真分析提供理论依据。同时，在提高仿真速度上做了一些尝试。1 起重机部件力学模型以动臂塔式起重机（如图1所示）为例，工作原理是动臂实现起重机的俯仰，卷筒、滑轮、钢丝绳实现重物的起吊。钢丝绳直径为16mm，钢丝绳横截面积为200.96mm2。假设重物载荷为10,000KG，悬挂高度为70m，起重臂长48m。本文主要研究从0到4s加速起动，在4s到26s平稳上升一段距离，最后在26s到30s进行减速制动的整个吊装过程中的钢丝绳动态响应。图1 起重机模型2 钢丝绳的仿真模型构建2.1 ADAMS/Cable模块简介Cable是ADAMS的插件式模块，其主要功能就是满足用户对绳索类物体的快速建模与仿真，具有Anchor（锚固）、Pully（滑轮）、Roller

第35卷 第7期 2013-07(上) 【11】（卷筒）建模功能，直接输入参数即可快速生成Cable、Belt等模型，实现全参数化建模，即可快速实现模型更新，大大简化了建模过程。能够方便地模拟出绳索的晃荡姿态，并且还可以对绳索和滑轮的接触力效果进行模拟，仿真结果更加准确。模拟对象包括各种钢丝绳、传送带等传动装置。2.2 建模原理与参数确定Cable模块的建模原理运用了轴套力进行柔性连接的有限元离散化思想，把ADAMS二次开发的宏命令集成到了Cable模块中，可快速实现对钢丝绳、滑轮和卷筒全参数化建模。把钢丝绳离散成若干个小圆球，利用广义力进行柔性连接。广义力可以定义刚度、阻尼和六个方向的分力，直接和轴套力的计算方程相匹配，而且还可通过ADAMS函数对非线性轴套力进行表达，描述钢丝绳的非线性问题，更加符合实际工况。轴套力的计算方程如式（1）： (1) 式中：F为钢丝绳之间的受力列阵，K、C分别为系统的刚度矩阵、阻尼矩阵，X、分别为位移、速度列阵，F0为初始受力列阵。钢丝绳和滑轮、卷筒之间的相互作用力用接触力来进行约束。接触力是基于碰撞函数的接触算法(IMPACT-Function-based contact)，Contact K是根据材料属性来确定的。若要精确确定钢丝绳的刚度，可使用有限元软件的方法进行求解。根据钢丝绳由几股缠绕建立详细的有限元模型，在钢丝绳两端加载位移S，提取出其支反力F，由F/S确定钢丝绳的精确刚度值。ADAMS/Cable模块封装了离散球与滑轮、卷筒的接触算法，根据材料接触碰撞参数推荐表设定各项参数，接触参数设置如表1所示。所涉及到的参数需要针对实际工况进行调试，即试算。此外，求解器参数需要更改默认值，在静平衡求解和动力学求解时，参数设置如表2所示。表1 接触参数Contact K(N/mm)Contact MuContact Vt(mm/s)1×1050.61002.3 ADAMS/Cable进行钢丝绳建模根据实际物理模型的设计参数在Cable模块中进行卷筒、滑轮、重物和锚固的建立。在卷筒和钢丝绳的连接点处建立一个小球，与卷筒用固定副锁死，之后在小球上建立一个anchor，小球充当哑状物作为卷筒和钢丝绳连接的纽带，按照逆时针的顺序依次实现重物、钢丝绳和卷筒之间的缠绕。在卷筒上以规定的转速要求施加一个旋转驱动，驱动函数为：step(time,0,0,4,-360d*1.2)+step(time,26,0,30,360d*1.2)，函数类型为velocity，仿真时间和步长分别为30s、100steps。建立的卷筒、钢丝绳、滑轮和重物系统模型图如图2所示。图2 钢丝绳系统模型3 仿真速度的研究文献[4]对提高钢丝绳的仿真速度做了一些尝试，验证导致钢丝绳仿真速度变慢的主要原因是接触力而不是轴套力。通过编制ADAMS/Solver脚本仿真命令配合使用距离传感器，对接触力间接的失效和激活，达到提高仿真速度的目的。但接触力失效和激活的距离不容易判断，当接触力非常多时，脚本仿真命令编写过于繁琐，不具备通用性。Cable模块同样存在仿真速度不理想的问题，通过使用ADAMS/Solver的模型语言（.adm）文件和仿真控制语言（.acf）文件进行外部求解的方法来进行仿真运算，实现了简洁、方便且快速的目的。3.1 输出模型文件（.adm）将完成的动力学模型文件导出模型文件表2 求解参数设置TlimitAlimitMaxitErrorImbalanceStabilitySolverIntegratorFormulationCorrectorERROR11d5000.10.10.1C++GSTIFFI3Modified0.05

【12】 第35卷 第7期 2013-07(上)（.adm）。3.2 生成命令文件（.acf）用文本编辑器编写ADAMS/Solver的命令文件。仿真脚本命令代码：Cable_1.admCable_TESTINTE/EQUILIBRIUM,TLIM=1,ALIM=1d，MAXIT=500，STAB=ERR=LMB=0.1SIMULATE/STATICINTE/EQUILIBRIUM,ERR=0.05SIMULATE/DYNAMIC, END=30, STEPS=1000STOP第一行为要调用的模型文件（.adm）名称，第二行为要生成的结果文件名称，中间几行为脚本仿真命令，最后一行必须以STOP命令结尾。仿真脚本命令首先进行一次静平衡仿真，检查模型是否正确、减少仿真时间，在进行动力学分析时直接进入稳定阶段仿真；再进行时间为30s的动力学仿真。3.3 运行求解利用Solver在dos环境下对仿真命令文件进行外部求解计算，与传统方法相比仿真速度明显加快，达到仿真预期结果。此方法同样适用于其他复杂模型的仿真计算，具有普遍适用性。3.4 结果分析在View中导入生成的结果文件，启动PostProcessor进行后处理，在Simulation列选择仿真运行结果Last_Run，图3～6分别为重物中心点的位移、速度、加速度和钢丝绳受力曲线。 根据仿真曲线，在稳定运行阶段，由于Cable模块考虑了钢丝绳的柔性，速度和加速度存在着近似周期性的振荡；在起升和制动阶段，速度稳步上升和下降，但是加速度存在着较大的非周期振荡。受力曲线和加速度曲线走势趋同，这将会对整个起重机系统产生较大冲击。在起重机实际设计过程中，根据实际工况，使速度和加速度有一个折中，既要考虑到起吊的效率，又要考虑到对整个动力学响应的影响。4 结束语通过利用ADAMS/Cable模块实现了对钢丝绳系统仿真模型的快速构建，并运用ADAMS/Solver的模型语言（.adm）文件和仿真控制语言（.acf）文件进行了外部求解，加快了仿真速度，达到了预期效果。对钢丝绳进行了动力学仿真，得出钢丝绳在过渡阶段和稳定运行的动力学响应，对于起重机的动力学载荷提取和强度校核至关重要。使用Cable模块对钢丝绳系统的建模和仿真方法与传统的方法相比，更加快速、准确，此方法适合解决各种复杂的滑轮组系统。本文以钢丝绳为主要研究对象的子模型为后续进行起重机整体仿真分析提供了依据，还需进一步研究。参考文献：[1] Andrew SE.Efficient Modeling of Extensible Cables and Pulley Systems in Adams [C]. In: Europe Adams Conference，London, 2002:1-10.9[2] 周炜,易建军,郑建荣.ADAMS软件中绳索类物体的一种建模方法[J].现代制造工程,2004(5):38-3.[3] 王得胜,孔德文,赵克利.机械式矿用挖掘机钢丝绳在MSC Adams中的建模方法[J].计算机辅助工程,2006, 15(Supp1):364-366.[4] 李爱平,蒋超平,刘雪梅.以ADAMS为平台的钢丝绳动张力仿真分析[J]现代制造工程,2010(1). 图3 重物中心点位移 图4 重物中心点速度 图5 重物中心点加速度 图6 钢丝绳受力