工程机械臂系统结构动力学分析

工程机械臂系统结构动力学分析

张雷

安徽省矿业机电装备有限责任公司235000

摘要

“十三五”以来，我国的机械制造业迅猛发展，自主创新能力不断提升，对国民经济的发展有这深远的意义。工程机械的作业环境恶劣，结构复杂，吨位大，技术是发展的关键。工程机械臂架是大型机械设计的关键，其合理性直接影响到机械的作业精准性。目前的技术下，各种工程机械臂灵活、高效，但复杂的工作环境很大程度上制约了其工作性能。因此，本研究对提升工程机械臂系统有着重大的意义。

关键词：工程机械臂，多体动力学，等效单元，动态优化

一、理论概述

（一）多体动力学

多体动力学包括刚体系统动力学和柔体系统动力学。

图1多刚体系统与多柔体系统关系

（二）工程机械臂

工程机械臂架系统是工程机械设计的核心，优秀的设计对整个工作、生产都有极大的帮助。根据本人查阅的相关资料，目前的研究主要有以下几个方面：

（1）工作机械臂系统的动力学微分方程建模

该系统采用多体动力学的方法加墨，常用的方法有牛顿-欧拉方法、拉格朗日法等。

（2）动力学仿真

采用动力学分析软件进行仿真，求解数值。常用软件有：MATLAB、Adams、ANSYS。

（3）模态分析

机械结构的动态特征是通过振动模态参数判断的，包含了各阶频率、阻尼等。通过模态分析，得出各阶固有频率，对系统振型分析，得出优化结构设计。

（三）本研究对经济建设的意义

“十三五”以来，我国的机械制造业迅猛发展，自主创新能力不断提升，对国民经济的发展有这深远的意义。工程机械的作业环境恶劣，结构复杂，吨位大，技术是发展的关键。工程机械臂架是大型机械设计的关键，其合理性直接影响到机械的作业精准性。目前的技术下，各种工程机械臂灵活、高效，但复杂的工作环境很大程度上制约了其工作性能。因此，本研究对提升工程机械臂系统有着重大的意义。

其次，我国经济飞速反正，大型机械设备的租赁业务迅速萌芽，市场对工程机械的的需求急剧上升。市场大环境也为工程机械产品的革新提供了肥沃的土壤。

二、工程机械臂系统结构动力学分析

多体动力系统对大型机械设备的意义重大，多体系统中包含了多刚体系统和柔性多体系统。机械臂的建模方法主要有牛顿-欧拉方法、凯恩方法等。工程机械臂动力学建模的等效有限元方法，是指用等效单元替代系统部件，从而代替真实运动系统。它可以大大减少人力分析工作。

（一）等效单元

将机构划分为多个单元，用集中质量和惯量表示。在任意外力作用下，有相同的运动状态。如果满足以上条件，广义惯量阵与原义无差别，则可以保证等效集中质量。构造单元的质量阵，其实并未真实分布，称为伪质量阵。

（二）伪质量矩阵

对系统分析时，采用齐次坐标描述。

三、工程机械臂结构动态优化设计

随着计算机技术的不断发展，机械CAD/CAE在结构动力优化设计中的应用越来越广泛。工程实际应用中，机械结构经常会产生损伤，所以静态强度结构优化设计远远达不到现有的需求。动态优化设计主要涉及到计算机技术、优化算法、动态设计等。优化是指避免过度震动，提高结构稳定性。根据实际要求，结合相对应模型，将各种设计方案融入到优化方案中。

工程机械臂工作是，频繁进行各种运动，使机械臂精度降低，达不到原负载能力。改进其动态性能，可以增加工作的稳定性。实际工程中，采用有限元法，设计变量，寻求最优解，提升动态性能。

图3结构变量化动态设计

参考文献

[1]工程机械臂系统结构动力学及特性研究[J].孙敦元.中小企业管理与科技(下旬刊).2017(01)

[2]考虑助力器动力学的舵系统结构非线性颤振特性分析[J].许行之,高亚奎,章卫国.西北工业大学学报.2015(03)