一种基于挖掘机工作装置的仿真模型标定方法及试验装置与流程

1.本发明涉及一种基于挖掘机工作装置的仿真模型标定方法及试验装置，属于液压挖掘机仿真测试技术领域。


背景技术：

2.液压挖掘机工作装置是实现挖掘、破碎等动作的执行机构，也是液压挖掘机重要的组成部分，在对其进行数值模拟过程中工作装置仿真模型的正确性决定其数值模拟的精度。
3.目前，对液压挖掘机工作装置仿真分析方法主要包括静力学分析、多体动力学研究以及疲劳寿命预测等，而工作装置仿真计算模型的正确性直接决定了仿真计算结果的精度。现有技术在很多方面存在局限性，一方面，现有仿真分析方法未对工作装置仿真模型精度进行标定，缺乏相关仿真模型标定方法来标定挖掘机工作装置的仿真模型，只是通过理论计算得到工作装置的挖掘力，将挖掘力作为输入来进行仿真计算，将此时的应力水平作为实际工作过程中的应力水平，导致工作装置仿真计算结果不能反映实际工作情况，不能为工作装置的静强度、多体动力学研究以及疲劳寿命预测等数值计算提供高精度的仿真模型输入，使仿真计算精度大大降低。另一方面现有的挖掘机工作装置试验标定装置通用性差，只适用于特定吨位工作装置仿真模型标定试验的开展。


技术实现要素：

4.为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于挖掘机工作装置的仿真模型标定方法及试验装置，通过六个自由度的设置提高了试验装置的通用型，可用于不同吨位挖掘机械工作装置仿真模型的标定。
5.为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：
6.一种基于挖掘机工作装置的仿真模型标定方法，包括如下步骤：
7.基于挖掘机工作装置各部件的连接关系，创建挖掘机工作装置仿真模型；
8.通过施加边界条件1，在仿真模型中初步计算出挖掘机工作装置的高应力区域；
9.结合高应力位置选取试验测试点并粘贴应变片；
10.搭建挖掘机工作装置应变测试装置，采集测试点处在特定拉力下的应变数据作为测试值；
11.将工作装置应变试验测试的边界条件代入仿真模型，通过仿真计算得出挖掘机工作装置的模拟值；
12.计算得到相对误差，验证挖掘机工作装置仿真模型的正确性。
13.进一步地，前述边界条件1包括位移边界条件和力边界条件，位移边界条件：在动臂410根部销轴处施加位移约束，释放旋转自由度；力边界条件：基于实际操作环境，理论计算出的挖掘力。
14.进一步地，前述结合高应力位置选取试验测试点并粘贴应变片的步骤包括：
15.在高应力部位布置测试点；
16.测试点进行打磨、清洗处理，直至待贴表面整洁干净；
17.将应变片粘贴到测试点位置，同一部件应变片粘贴的方向要保持一致。
18.进一步地，前述采集测试点处在特定拉力下的应变数据作为测试值的步骤包括：
19.采集在实际加载过程中测试点应变花0
°
、45
°
、90
°
三个方向的应变数据，通过计算公式得到测试点等效应力的测试值。
20.进一步地，前述计算得到相对误差，验证挖掘机工作装置仿真模型正确性的方法包括：
21.计算相对误差，
22.若所有测试点相对误差若大于或等于10％，则判定工作装置仿真模型不正确，对创建的仿真模型进行修正；若相对误差小于10％，即认可挖掘机工作装置仿真模型的正确性。
23.一种基于挖掘机工作装置的仿真模型试验装置，包括挖掘机工作装置、拉力测试装置、基座组合和平移拉伸结构；挖掘机工作装置与基座组合铰接，基座组合控制挖掘机工作装置上下方向的自由度；拉力测试装置通过钢丝绳连接挖掘机工作装置，拉力测试装置控制挖掘机工作装置左右方向的自由度；平移拉伸结构连接拉力测试装置底端，平移拉伸结构控制挖掘机工作装置前后方向的自由度。
24.进一步地，前述基座组合包括基座、固定在地基上的支座、连接基座侧边的基座滑块、连接基座底面的基座油缸组；支座设有与基座滑块相配合的滑道；基座油缸组包括第一基座油缸、第二基座油缸、第三基座油缸，基座油缸组一端与基座底面铰接，另一端固定连接地基；第一基座油缸、第二基座油缸、第三基座油缸成正三角形分布。
25.进一步地，前述拉力测试装置包括第一液压油缸、滑座、与滑座相配合的滑轨，第一液压油缸一端铰接滑座，一端连接钢丝绳，钢丝绳上还设有拉力传感器。
26.进一步地，前述平移拉伸结构包括第一槽钢、滑块、第二槽钢、安装座、第二液压油缸、底板、第一油缸安装座、连接滑轨底面的第二油缸安装座，滑轨两端固定连接第一槽钢顶端，第一槽钢底端连接安装座，第二槽钢通过滑块连接第一槽钢内侧面，第二液压油缸缸体端与第一油缸安装座通过销轴连接，第二液压油缸杆体端与第二油缸安装座通过销轴连接，安装座和第一油缸安装座固定连接底板。
27.进一步地，前述滑轨上间隔设有定位孔，滑座设有与定位孔匹配的等距通孔。
28.本发明所达到的有益效果：
29.1.通过理论与测试技术相结合，完成挖掘机工作装置仿真模型的标定，提高工作装置仿真模型精度以及仿真技术的可靠性；
30.2.试验装置具有六个方向的自由度，通用性高，能够适用于不同吨位下的工作装置应变测试试验，此装置不仅可以用于工作装置仿真模型的标定，还可以具有相同作业特性结构件仿真模型的标定。
附图说明
31.图1为本发明的仿真模型标定方法流程图；
32.图2为本发明试验装置的动臂测试点分布示意图；
33.图3为本发明试验装置的斗杆测试点分布示意图；
34.图4为本发明试验装置的铲斗测试点分布示意图；
35.图5为本发明试验装置的平面图；
36.图6为本发明试验装置的局部向视图；
37.图7为发明试验装置基座油缸组分布示意图。
38.图中附图标记的含义：410
‑
动臂；417
‑
动臂前侧板；419
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动臂前叉；416
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动臂中侧板；415
‑
动臂后侧板；49
‑
动臂根部锻件；418
‑
动臂下封板；411
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第一测试点；412
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第二测试点；413
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第三测试点；414
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第四测试点；430
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斗杆；433
‑
斗杆前侧板；434
‑
斗杆中侧板；435
‑
斗杆后封板；436
‑
斗杆下封板；31
‑
第五测试点；432
‑
第六测试点；440
‑
铲斗；443
‑
斗杆耳板；442
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测试点7；91
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基座滑块；92
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支座；93
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螺栓；60
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第一基座油缸；61
‑
第二基座油缸；62
‑
第三基座油缸；400
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基座；500
‑
工作装置；501
‑
刚性杆；450
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钢丝绳；460
‑
拉力传感器；461
‑
第一液压油缸；462
‑
滑座；463
‑
定位销；464
‑
滑轨；465
‑
第一槽钢；466
‑
滑块；467
‑
第二槽钢；468
‑
安装座；470
‑
第二液压油缸；472
‑
底板；471
‑
第一油缸安装座；469
‑
第二油缸安装座。
具体实施方式
39.下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
40.结合图1的流程图可知，本实施例的标定方法包括以下步骤：
41.步骤110，创建挖掘机工作装置仿真模型；
42.如图2所示，挖掘机工作装置500包括动臂410、液压油缸、斗杆430、连杆组件、铲斗440，在创建动臂410、斗杆430、连杆组件、铲斗440仿真模型时采用六面体实体单元，在板与板之间的对接焊缝和角焊缝处单元局部细化，通过梁单元模拟液压油缸的力学特性，通过梁单元和刚性单元进行模拟销轴的连接作用，在处理工作装置各部件连接关系时，动臂410和斗杆430，液压油缸组和动臂410，斗杆430和连杆组件，以及铲斗440与连杆组件通过销轴连接，完善挖掘机工作装置各部件连接关系处理后，完成挖掘机工作装置仿真模型的整体创建。
43.步骤120，对仿真模型设置边界条件1；
44.这里所设置的边界条件1包括位移边界条件和力边界条件，位移边界条件指的是在动臂410根部销轴处施加位移约束，释放旋转自由度；力边界条件为基于实际操作环境，理论计算出的挖掘力，而理论计算出的挖掘力与实际过程中的挖掘力有差距，这里，先用理论挖掘力对挖掘机工作装置进行初次仿真计算。
45.步骤130，确定挖掘机工作装置高应力部位；
46.根据初次仿真计算结果的应力分布图，确定挖掘机工作装置高应力部位，结合图2，动臂410高应力部位分布：动臂前侧板417与动臂前叉419以及动臂下封板418焊缝交接处、动臂中侧板416与动臂前侧板417以及下封板418焊缝交接处、动臂中侧板416与动臂后侧板415以及动臂下封板418焊缝交接处、动臂后侧板415与动臂下封板418以及动臂根部锻件49对接焊缝处。结合图3，斗杆430高应力部位分布：斗杆前侧板433与斗杆中侧板434以及斗杆下封板436对接焊缝交接处、斗杆中侧板430与斗杆后封板435以及斗杆下封板436对接
焊缝交接处。结合图4，铲斗440高应力部位分布在斗杆耳板443销轴孔附近。
47.步骤140、150，选取测试点和粘贴应变片；
48.接着，结合图2，在步骤130的基础上选取测试点：在高应力部位布置测试点，动臂410的测试点为第一测试点411、第二测试点412、第三测试点413、第四测试点414。结合图3，斗杆430的测试点为第五测试点431、第六测试点432。结合图4，铲斗440的测试点为第七测试点442，在所述粘贴应变片前需要对所选取的测试点进行打磨、清洗处理，直至待贴表面整洁干净，待表面处理完毕后，将应变片粘贴到测试点位置。
49.所述挖掘机工作装置同一部件应变片粘贴的方向要保持一致。
50.步骤170，连接工作装置应变试验装置，进行试验；
51.结合图5、图6、图7，工作装置的铲斗440连接拉力测试装置，工作装置的动臂410连接基座组合，在实际测试过程中，在工作装置500摆好挖掘姿态后，通过第一液压油缸461拉钢丝绳450，来使工作装置500产生弹性变形，稳定5s后记录应变采集数据，此时记录拉力传感器460的数值，重复测试三次，取平均值。
52.步骤180，得到测试值；
53.然后，经过数据采集得到在实际加载过程中测试点应变花0
°
、45
°
、90
°
三个方向的应变数据，通过计算公式得到测试点等效应力的测试值。
54.步骤210、190，在挖掘机工作装置仿真模型中施加边界条件2，得到模拟值；
55.边界条件2与工作装置应变试验测试边界条件一一对应，基于步骤170中记录的拉力传感器460数值，在同样位置施加同方向的等值力；同边界条件1一样，在动臂410根部销轴处施加同样的位移约束。经过计算得到边界条件2下的仿真计算结果，根据仿真结果分别提取出第一测试点至第七测试点三个方向的应变数据和等效应力的模拟值。
56.步骤220，计算相对误差，验证挖掘机工作装置仿真模型的正确性；
57.具体地，
58.若所有测试点相对误差若大于或等于10％，此时认为工作装置仿真模型不正确，需要返回步骤110，对挖掘机工作装置仿真模型进行修正，重复流程直至误差小于10％。若相对误差小于10％，即可认为挖掘机工作装置仿真模型的正确性。
59.本发明提供了挖掘机工作装置仿真模型标定方法，创建挖掘机工作装置仿真模型；通过施加边界条件初步计算出挖掘机工作装置的高应力区域；结合高应力位置选取试验测试点并粘贴应变片；搭建挖掘机工作装置应变测试装置，采集测试点处在特定拉力下的应变数据作为测试值；在此测试边界条件下，通过仿真计算得出挖掘机工作装置的模拟值；计算得到相对误差；确定挖掘机工作装置仿真模型的正确性。
60.基于以上仿真模型标定方法，本发明还涉及一种挖掘机工作装置仿真模型试验装置。该装置包括：挖掘机工作装置500、拉力测试装置、基座组合和平移伸缩结构。工作装置500与基座400通过销轴连接，拉力测试装置通过钢丝绳450连接挖掘机工作装置500。刚性杆501一端和基座组合铰接，另一端连接挖掘机工作装置500上的动臂中侧板416；钢丝绳450两端分别与工作装置500的铲斗440和拉力测试装置。平移伸缩结构位于拉力测试装置底端。
61.如图5所示，基座组合包括基座滑块91、支座92、螺栓93、基座油缸组、基座400，基
座油缸组包括第一基座油缸60、第二基座油缸61、第三基座油缸62，第一基座油缸60、第二基座油缸61、第三基座油缸62一端与基座400底面通过销轴连接，第一基座油缸60、第二基座油缸61、第三基座油缸62的另一端与地基固定连接，结合图7可知，第一基座油缸60、第二基座油缸61、第三基座油缸62成正三角形分布；基座400与基座滑块91通过螺栓93连接，支座92固定在地基上，支座92上设有与基座滑块91相配合的滑道，基座滑块91可沿支座92上下滑动；挖掘机工作装置500、刚性杆501分别铰接在基座400上。
62.拉力测试装置包括拉力传感器460、第一液压油缸461、滑座462、定位销463、滑轨464，钢丝绳450两端分别与工作装置500的铲斗440、第一液压油缸461固定连接，拉力传感器460固定在钢丝绳450上；第一液压油缸461与滑座462通过销轴连接，滑座462可以在滑轨464上移动。
63.平移伸缩结构包括第一槽钢465、滑块466、第二槽钢467、安装座468、第二液压油缸470、底板472、第一油缸安装座471、第二油缸安装座469。滑轨464两端底面连接第一槽钢465，第二槽钢467通过滑块466连接第一槽钢465内侧面，安装座468顶端与第二槽钢467底端固定连接，安装座468底端与底板472固定连接，底板472固定在地基上；第二油缸安装座469固定在滑轨464中部底面上，第一油缸安装座471与底板472固定连接，第二液压油缸470缸体端与第一油缸安装座471通过销轴连接，第二液压油缸470杆体端与第二油缸安装座469通过销轴连接。
64.结合图5，通过第一基座油缸60、第二基座油缸61、第三基座油缸62来实现基座400的上下移动，此时基座400在支座92上上下滑动。滑座462可以在滑轨464上滑动来实现滑座462的左右移动，滑座462到达指定位置时通过定位销463来实现位置固定，具体如图6所示，滑轨464上每隔一段距离设有定位孔，滑座462上设有与定位孔等距的通孔，通过定位销463固定滑座462的位置；滑轨464截面为工字型，中间开有结构孔。第一槽钢465可以在第二槽钢467上通过第二液压油缸470实现前后运动。通过基座400和基座92的配合，能实现试验装置在上下方向的自由度，通过滑座462和滑轨464能实现试验装置左右方向的自由度，通过第二液压油缸470能实现试验装置前后方向的自由度。通过变换试验装置的位置来实现不同吨位工作装置仿真模型的标定试验。
65.测试过程中拉力传感器的数值以及应变测试数据通过数据采集系统读取并通过数据存储介质进行存储。挖掘机工作装置仿真模型试验装置能够满足不同吨位下工作装置仿真模型的标定与验证，具有很强的通用性。
66.本发明所提供的挖掘机工作装置仿真模型标定方法能够解决当前对于工作装置仿真模型无验证的难题，具有较强的创新性和实用性，本发明所提供的挖掘机工作装置仿真模型验证装置能够完成不同吨位下工作装置仿真模型的标定，通过试验标定能够提高挖掘机工作装置仿真模型精度，缩短产品研发周期，提高产品可靠性，为工作装置疲劳寿命研究、多体动力学、多物理场耦合等仿真提供高精度的模型输入。
67.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。