一种挖掘机工作装置动力学模型建模和参数快速更新方法与流程

1.本发明属于工程机械领域，具体涉及一种挖掘机工作装置动力学模型建模和参数快速更新方法。


背景技术：

2.使用动力学分析软件作为研究机构零部件之间运动关系的方法，为工程设计人员提供一种便捷的、低成本评估机构运动性能的手段，其广泛应用于航空、航天、土木、机械等诸多领域。在以往的挖掘机工作装置动力学分析工作中，工程设计人员通常需要进行大量的前后处理设置，并要求具备一定的仿真分析经验，一般的挖掘机工作装置动力学仿真分析工作模式存在如下三个缺陷：
3.1、建模过程缺陷：导入建模软件创建模型，需要进行模型简化处理。在不同工况下模型初始姿态不同，非参数化模型姿态调整比较麻烦。非参数化模型不能进行尺寸参数更新，不能进行优化仿真分析。
4.2、分析精度缺陷：简化后的模型基于密度计算的重量重心与实际存在偏差，影响分析精度。导入的模型相交的圆孔可能不共轴，创建旋转运动副会强制移动模型，造成初始位置偏差，影响分析精度。
5.3、分析效率缺陷：工作装置运动学仿真优化分析，每一轮优化都需要重新导入模型、创建运动副、约束加载、求解计算、结果设置提取，导致建模过程重复且耗时，分析占用资源多且效率低，不便于结构多轮次优化。


技术实现要素：

6.为了解决上述技术问题，本发明提供一种挖掘机工作装置动力学模型建模和参数快速更新方法，其提供了挖掘机工作装置在动力学软件中采用参数化方式创建动力学模型，以及脚本驱动参数快速更新技术，从而可对同一类挖掘机工作装置创建一套规范的参数化动力学仿真模型。
7.为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
8.一种挖掘机工作装置动力学模型建模和参数快速更新方法，包括如下步骤：
9.步骤1、针对挖掘机工作装置测量每个部件尺寸，收集典型工况运动数据；
10.步骤2、基于部件尺寸创建参数化的动力学模型，并根据部件之间的连接关系创建运动副；
11.步骤3、基于典型工况运动规则对模型施加驱动，并进行包括铰点力、位移、速度在内的结果参数的结果输出设置；
12.步骤4、基于动力学模型快速更新原理,即动力学软件支持后台执行脚本，可以快速完成参数更新(包含尺寸参数、重量重心、驱动函数等等)，模型重新求解，仿真结果更新。
13.进一步地，所述步骤1具体包括：
14.挖掘机工作装置部件尺寸测量，用于动力学参数化部件的创建；分别测量动臂、斗
杆、铲斗三个部件上铰点坐标；每个部件上铰点分为部件与部件之间的铰点、油缸与部件之间的铰点两种；
15.挖掘机工作装置部件重量重心提取，用于动力学模型中部件重心位置与重量的创建；参数化的动力学模型不体现部件的具体外形，使用重量重心体现重力特性；
16.收集挖掘机典型工况运动规则，用于动力学模型不同工况驱动设置；分别收集包括挖掘机铲斗挖掘、动臂挖掘、满载卸土在内的典型工况时域内油缸行程。
17.进一步地，所述步骤2具体包括：
18.创建参数化的动力学模型，用于代替实际的工作装置模型；选择动臂与平台铰点作为基准点，每个部件铰点坐标以铰点之间的尺寸关系(距离、夹角)进行定义，便于部件铰点之间关联，进行参数动态更新。将每个部件创建的点通过线连接起来，体现部件轮廓。然后根据实际测量值设置每个部件的重量重心；
19.根据部件之间连接关系创建运动副，用于表达部件之间的运动关系；在动臂与斗杆、斗杆与铲斗铰点位置创建旋转运动副；在动臂油缸与动臂、斗杆油缸与斗杆、铲斗油缸与铲斗铰点位置创建旋转运动副；在动臂、斗杆、铲斗油缸的缸体与活塞铰点之间创建滑移运动副。
20.进一步地，所述步骤3具体包括：
21.基于典型工况运动规则对动力学模型施加驱动，用于模拟工作装置在不同工况运动轨迹；分别对动臂油缸、铲斗油缸、铲斗油缸创建的滑移运动副施加时域内的行程轨迹；
22.运动学仿真后处理，设置铰点力、位移、速度、加速度在时域内结果输出，用于结果分析。
23.进一步地，所述步骤4具体包括：
24.利用步骤2和步骤3创建的参数化的动力学模型，基于动力学模型快速更新原理,即动力学软件支持通过后台执行脚本，可以快速完成参数更新(包含尺寸参数、重量重心、驱动函数等等)，模型重新求解，仿真结果更新。
25.有益效果：
26.本发明可对同一类挖掘机工作装置创建一套规范的参数化动力学仿真模型。针对不同挖掘机工作装置可以通过更新相关参数(尺寸参数、重量重心参数、工况参数)完成仿真分析。同时根据设计要求可以通过多轮仿真分析进行参数优化处理。本发明实现了挖掘机工作装置动力学仿真模型建模规范化标准化，提高了工作装置动力学仿真的精度和效率，同时能够实现优化分析。
附图说明
27.图1本发明的一种挖掘机工作装置动力学模型建模和参数快速更新方法总体流程图。
具体实施方式
28.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、完整的描述，显然，所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的所有其
他实施例，都属于本发明的保护范围。
29.根据本发明的实施例，本发明的挖掘机工作装置动力学模型建模和参数快速更新方法，参见图1，包括如下步骤：
30.步骤1、针对某一种挖掘机工作装置测量每个部件尺寸，收集典型工况运动数据，具体包括：
31.挖掘机工作装置部件尺寸测量，用于动力学参数化部件的创建。分别测量动臂、斗杆、铲斗三个部件上铰点坐标。在三维模型软件中，将工作装置调整到初始姿态，测量每一个铰点中心点坐标。每个部件上铰点分为部件与部件之间的铰点、油缸与部件之间的铰点两种。
32.挖掘机工作装置部件重量重心提取，用于动力学模型中部件重心位置与重量的创建。在三维软件中工作装置初始姿态条件下，通过设置部件材料密度，获取部件重量大小和重心位置坐标值。动力学模型不体现具体外形，使用重量重心体现重力特性。
33.收集挖掘机典型工况运动规则，用于动力学模型不同工况驱动设置。分别收集挖掘机铲斗挖掘、动臂挖掘、满载卸土等典型工况时域内油缸行程。一种为理论数据，基于理想状态定义各个油缸行程。一种为测试数据，基于试验测量油缸行程与油缸受力数据。理论数据用于设计阶段工作装置模型结构优化。测试数据用于验证阶段工作装置模型是否达标。
34.步骤2、基于部件尺寸在动力学软件中创建参数化模型，并根据部件之间的连接关系创建运动副，具体包括；
35.在动力学软件中创建参数化模型，用于代替实际的工作装置模型。以动臂为例创建参数化模型。选择动臂与平台铰点作为基准点，每个部件铰点坐标以铰点之间的尺寸关系(距离、夹角)进行定义，便于部件铰点之间关联，进行参数动态更新。将每个部件各个点根据部件外形轮廓连接起来完成模型创建。然后根据重心位置与基准点的尺寸关系(例如距离、角度等)创建重心点，并对重心点赋予重量完成参数化模型的创建。关于铰点坐标定义的方法如下油缸铰点为例：
[0036][0037]
根据部件之间连接关系创建运动副，用于表达部件之间的运动关系。部件之间通过销轴连接，所以平台与动臂、动臂与斗杆、斗杆与铲斗之间创建旋转运动副。同理，部件与油缸之间也是销轴连接，所以动臂油缸、斗杆油缸、铲斗油缸两端与其他部件之间创建旋转运动副。油缸内部缸体与缸径之间滑移运动，所以三个油缸内部缸体与缸径之间创建滑移运动副。为了模拟铲斗齿尖受力，对铲斗齿尖位置创建拉伸弹簧。
[0038]
步骤3、基于典型工况运动规则对模型施加驱动，并进行铰点力、位移、速度等结果参数的结果输出设置，具体如下：
[0039]
基于典型工况运动规则在对模型施加驱动，用于模拟工作装置在不同工况运动轨迹。
[0040]
分别对动臂油缸、铲斗油缸、铲斗油缸创建的滑移运动副施加时域内的行程轨迹。行程轨迹可以是理论也可以是实际测量值。理论值驱动用于测量油缸压力是否达到设计值以及油缸设计参数的选择。实际值驱动用于测量挖掘机工作装置挖掘力以及工作效率。
[0041]
运动学仿真后处理，设置铰点力、位移、速度、加速度在时域内结果输出，用于结果分析。油缸铰点相对位移可以获取油缸最大行程。油缸铰点相对速度可以获取油缸效率。油缸铰点受力可以获取油缸的最大工作力。
[0042]
步骤4、基于模型快速更新原理对挖掘机工作装置参数化动力学模型进行参数更新、求解计算以及结果更新显示，具体如下：
[0043]
利用步骤2和步骤3创建的参数化的动力学模型，基于动力学模型快速更新原理,即动力学软件支持后台执行脚本，可以快速完成参数更新(包含尺寸参数、重量重心、驱动函数等等)，模型重新求解，仿真结果更新。
[0044]
可以通过参数快速更新完成新机型工作装置的动力学仿真。同一类挖掘机工作装置，测量部件尺寸、重量重心、工况数据等。编辑执行动力学更新脚本，驱动动力学软件打开参数化动力学模型、更新相关参数、重新仿真求解以及结果更新，完成新工作装置动力学模型的创建。
[0045]
可以通过参数快速更新完成工作装置的参数优化。对于挖掘机工作装置铰点位置优化，设置铰点尺寸范围和递增值，进行多轮参数更新，通过结果对比找到最优位置。对于挖掘机工作装置油缸参数优化，调整驱动函数，进行多轮参数更新，通过结果对比找到油缸最合理的选配方案。
[0046]
现有技术中，由于针对同一类挖掘机工作装置动力学仿真分析，需要重新导入模型、运动副创建、约束驱动、求解设置、后处理设置结果提取等过程，大量的重复性工作耗时、费力，精度无法保证等问题。本发明基于动力学模型参数化建模技术和模型参数快速更新原理进行了挖掘机工作装置动力学模型建模和参数快速更新方法的技术开发。同一类挖掘机工作装置只需要创建一次参数化动力学模型，便可通过参数快速更新完成创建。提高了分析效率和精度以及建模规范化和标准化。同时可以对挖掘机工作装置参数化动力学模型进行多次参数快速更新，为模型尺寸和铰点位置以及其他参数的优化提供了可能。
[0047]
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，且应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。