基于動態(tài)鏈接庫的潛孔錘虛擬樣機建模與仿真

基于動態(tài)鏈接庫的潛孔錘虛擬樣機建模與仿真

潛孔錘的虛擬樣機仿真有效井空鉆是一種高效的鉆孔鉆孔設備。廣泛應用于土木工程調整、能源開發(fā)、市政工程建設、民防等領域。然而由于潛孔錘的配氣過程比較復雜,而且設備常常在工況惡劣、地質情況復雜的環(huán)境下工作,導致氣動潛孔錘設備的開發(fā)與研制一直處于傳統(tǒng)的經(jīng)驗及實驗研發(fā)模式下進行,設計與制造周期長、成本高,一些產(chǎn)品嚴重老化、缺乏市場競爭力。目前對于潛孔錘設計的研究僅局限于對潛孔錘配氣過程及沖擊過程進行研究,系統(tǒng)性的研究尚未實現(xiàn)。傳統(tǒng)開發(fā)過程中物理樣機試驗的毀壞性會非常嚴重,試驗中很難在相互作用的零件中確定故障原因。另外現(xiàn)有的設計理論只是定性的說明問題,缺乏精確的計算和驗證,對潛孔錘進行設計和優(yōu)化的過程中,往往需要多次修改,反復分析,限制了高性能樣機的研制。MSC.ADAMS(AutomaticDynamicAnalysisofMechanicalSystem)是目前國際上使用最為普遍的一種虛擬樣機仿真軟件,它可以建立復雜機械系統(tǒng)的虛擬樣機模型,對機械系統(tǒng)進行靜力學、運動學和動力學分析,模擬現(xiàn)實工作條件下所有運動情況。應用虛擬樣機代替或部分代替潛孔錘物理樣機,對其進行分析、設計、測試和評估,可以通過對仿真結果的分析歸納和觀察設計參數(shù)變化的影響,在設計早期確定關鍵的設計參數(shù),最終達到縮短開發(fā)周期,降低生產(chǎn)成本,提高潛孔錘產(chǎn)品質量的目的。本文利用VisualC++對MSC.ADAMS進行了二次開發(fā),開發(fā)了一類無閥式氣動潛孔錘的氣室載荷子程序,并建立了氣動潛孔錘虛擬樣機模型,對活塞的運動過程進行了仿真研究,分析了不同氣室的壓力變化。1潛孔錘栓塞動力學模型潛孔錘的配氣過程很復雜,由其前、后氣室及配氣室的進氣、膨脹、排氣以及壓縮等諸段熱力過程及運動過程所組成。某無閥式氣動潛孔錘結構,如圖1所示。潛孔錘活塞的運動依賴于前后氣室中的壓力,而氣室中的壓力又取決于活塞運動的速度和進入(或排出)氣室的氣體流量。因此,要得出活塞的運動歷程,就要將運動方程、流量方程、氣體狀態(tài)方程和等熵方程聯(lián)立求解。而這些微分方程并非都是線性的,所以雖然理論上運動是確定的,實際上卻難以計算。在建立潛孔錘活塞的動力學模型及氣室內氣體狀態(tài)模型時,假設氣室內熱力過程為準穩(wěn)態(tài)過程,在某一過程中的某一小段上的熱力函數(shù)可視為常數(shù),設此小段時間間隔為?t。建模時忽略活塞與外缸、內缸和配氣桿之間摩擦阻力的影響,并且認為潛孔錘處于豎直狀態(tài)。1.1不同類型帶壓力流量的設前氣室、后氣室、配氣室的標號分別為1、2、3,相應的熱力學參數(shù)分別以下標1、2、3區(qū)分,如圖2所示。1)活塞加速度計算2)?t時間結束時活塞的速度3)?t時間結束時活塞的行程其中:1p、p2、p3分別為前氣室、后氣室、配氣室絕對壓力;1A、2A、3A分別為前氣室、后氣室、配氣室有效工作面積;M為活塞的質量;g為重力加速度。1.2氣孔充排氣質量變化率q1)內缸進氣口處壓力式中:kP為內缸進氣口處壓力;CP為儲氣罐壓力;λ為沿程阻力損失系數(shù);L為鉆桿組成的管道長度;D為鉆桿內徑;QC為空壓機的排氣量;S為鉆桿通流面積。2)各氣室充(排)氣質量變化率式中:iQ為單位時間氣體流量;iP、jP分別為氣孔上下游氣體絕對壓力;iT為上游絕對溫度;σ為區(qū)分亞音速,超音速的臨界條件;K為絕熱指數(shù)。dm為?t時間內進排出氣體的質量。3)各個氣室壓力及溫度變化量當氣室為開口系統(tǒng)時,即氣室同時處于進氣排氣狀態(tài)時,壓力方程式及溫度方程式如下氣室處于絕熱膨脹(壓縮)時2msc.adams軟件的函數(shù)MSC.ADAMS軟件不但提供了方便的用戶操作界面,而且具有強大的分析求解功能,本身就包含了種類很豐富的函數(shù)庫供用戶使用。然而對于氣動潛孔錘活塞驅動力此類復雜載荷,需要以子程序的形式定義自己的力和運動發(fā)生器。MSC.ADAMS軟件中的函數(shù)分設計時函數(shù)和運行時函數(shù)兩種。設計時函數(shù)用于在ADAMS/View中創(chuàng)建模型和定義測量等,而運行時函數(shù)只能在仿真時被ADAMS/Solver動態(tài)調用。這里我們采用VisualC++開發(fā)活塞驅動力的ADAMS用戶自定義運行函數(shù),即用戶子程序。2.1插裝式組合過程中國氣室內固定數(shù)法在建立ADAMS活塞驅動力運行函數(shù)之前,首先要在VisualC++中建立活塞運動方程、流量方程、氣體狀態(tài)方程和等熵方程的差分方程。為了編程方便,需要根據(jù)進氣口與排氣孔的開關狀態(tài)對進氣、膨脹(壓縮)、排氣過程進行細化,如圖3所示。以活塞沖擊反彈位置為起始點,根據(jù)前氣室/后氣室的不同狀態(tài)劃分為以下十個階段:(返程開始)進氣/排氣→進氣/壓縮→膨脹/壓縮→排氣/壓縮→排氣/進氣→(沖程開始)排氣/進氣→排氣/膨脹→壓縮/膨脹→進氣/膨脹→進氣/排氣。圖中:l1為前氣室的進氣長度,l2為前氣室進氣長度加絕熱膨脹(或壓縮)長度,l3為后氣室排氣長度加絕熱壓縮(或膨脹)長度,l4為后氣室排氣長度,l5為活塞的實際行程,l是活塞的結構行程。假設活塞在沖擊反彈時刻開始返程,首先根據(jù)給定的原始參數(shù)值計算在第一時間間隔內活塞的加速度、速度和位移,然后算出該時間間隔內進排出氣室的氣體流量,以及前后氣室的壓力、溫度等參數(shù)。以上一時間步長計算結果,作為下一時間步長的初始值,計算活塞運動參數(shù)及各氣室熱力學參數(shù)。重復上述計算過程,直到活塞運動循環(huán)結束。當活塞運行一個循環(huán)后,把計算所得的本循環(huán)末的潛孔錘性能參數(shù)同上一循環(huán)末的值比較,看循環(huán)是否穩(wěn)定。若不穩(wěn)定,則以本循環(huán)的計算值作為下一循環(huán)的初始值運行。流程圖如圖4所示。2.2程序的編寫開發(fā)氣體驅動載荷子程序時,采用MSC.ADAMS提供的用戶子程序的模板程序的user.c來編寫,程序中需要包含的兩個頭文件userPortName.h,utilCcallable.h。利用模板程序的user.c來編寫子程序時,由于仿真過程中氣體驅動載荷要被求解器動態(tài)載入和調用,因此它們的函數(shù)名稱和形參個數(shù)、類型等都要按照ADAMS預先規(guī)定好的格式編寫。在子程序中通過功能子程序(UtilitySubroutines)中的數(shù)據(jù)訪問子程序SYSARY函數(shù)或SYSFNC函數(shù)來調用系統(tǒng)變量。SYSARY函數(shù)可以向用戶子程序提供系統(tǒng)的狀態(tài)值,如位移和速度等,這些ADAMS/Solver的系統(tǒng)狀態(tài)值的各個分量一起被保存在特定的數(shù)組中,并以數(shù)組的形式傳遞給用戶子程序。格式為CALLSYSARY(fncnam,ipar,nsize,states,nstates,errflg)。SYSFNC函數(shù)可以得到系統(tǒng)的單個變量值。格式:CALLSYSFNC(fncnam,ipar,nsize,state,errflg)。參數(shù)說明:fncnam—字符型變量;ipar—nsize大小的整型數(shù)組;nsize—整型變量;states—雙精度數(shù)組,其大小與包含SYSARY返回值的fnanam有關;nstates—整型變量,用于返回ADAMS/Solver放入states中數(shù)值的數(shù)目;errflg—邏輯型變量,當調用SYSARY發(fā)生錯誤時,返回值為真。根據(jù)SYSARY函數(shù)及SYSFNC函數(shù),可以建立氣體驅動載荷子程序,子程序建立的過程如圖5所示。3動聽洞穴模型3.1潛孔錘的模型建立考慮到潛孔錘零件構造的復雜性,潛孔錘三維特征建模在PRO/E中實現(xiàn),利用PRO/E生成參數(shù)化的零件實體,預裝配成潛孔錘運動部件,進行干涉檢查,然后通過ADAMS與PRO/E之間的接口MECHANISM/Pro,將整個潛孔錘的CAD模型傳送給ADAMS,添加部件間的約束(Constraint)、作用力(Force)及接觸力(Contact)。幾個關鍵部件的約束及施加載荷情況如下:鉆頭與卡釬套之間,考慮到兩者的相對滑動及碰撞作用,添加圓柱副并施加接觸力;外缸與內缸之間,施加圓柱副及接觸力;活塞與鉆頭間,施加接觸力;逆止閥座與后接頭之間采用非線性彈簧來模擬緩沖彈簧的作用;在活塞上施加單作用力,單作用力通過調用氣體驅動子程序而驅動活塞運動。產(chǎn)生參數(shù)化的虛擬樣機模型如圖6所示。3.2氣體壓力的變化通過仿真可以得到作用在活塞上的等效氣體驅動力,即作用在活塞上的單作用力,其曲線如圖7所示。通過氣體驅動子程序的運行能夠獲得前、后氣室氣體壓力隨活塞位移的變化曲線,如圖8所示,從圖中可以清晰地看出前后氣室氣體壓力在活塞各個行程中的變化狀態(tài)。從運動返程開始,潛孔錘首先經(jīng)歷前氣室充氣階段(a-b段),后氣室排氣階段(e-f段)。此階段前氣室氣體壓力變化幅度較小,后氣室氣體壓力下降幅度較大。然后前氣室經(jīng)歷膨脹和排氣階段(b-c段),后氣室先經(jīng)歷壓縮階段(f-g段)。同時由于活塞繼續(xù)返程運動,后氣室進氣口打開,后氣室進行充氣(g-h段)。此階段前氣室氣體壓力下降幅度很大,后氣室氣體壓力在壓縮階段(f-g段)有一定的增幅,但增長幅度較小。在充氣階段(g-h段),后氣室壓力幅度增長較大。隨著返程運動的繼續(xù),活塞到達返程終點,開始進行沖程運動。然后潛孔錘前氣室經(jīng)歷排氣和壓縮階段(c-d段),后氣室充氣階段(h-i段)。由于返程開始時,活塞的運動速度較低,前氣室雖然處于排氣和壓縮階段,但壓力變化幅度不大。后氣室經(jīng)歷了較長時間的充氣階段后,氣室氣體壓力已接近于配氣室壓力。因此在此充氣階段(h-i段)內,后氣室雖然處于開口進氣狀態(tài),但壓力變化幅度很小。隨著活塞沖程運動,前氣室排氣口關閉,前氣室進入充氣狀態(tài)(d-a段),氣室氣體壓力增長幅度較大。后氣室在沖程末了階段經(jīng)歷了絕熱膨脹和排氣階段(i-e段),后氣室壓力下降幅度較大。最后,活塞達到?jīng)_程終點,并與鉆頭沖擊碰撞,整個運動循環(huán)結束?；钊_始進入下一個運動循環(huán)。3.3仿真結果與實驗結果的對比為檢驗氣動潛孔錘虛擬樣機模型建立的準確性,本文結合測試試驗結果對仿真得出的潛孔錘性能參數(shù)進行了考核驗證。通過ADAMS的后處理模塊ADAMS/PostProcessor可以獲得潛孔錘虛擬樣機中活塞的運行周期、頻率、速度等結果。將仿真獲得的潛孔錘沖擊頻率、沖擊功及活塞的沖擊末速度的結果與實測結果進行對比,見表1。由表1可以看出,仿真結果誤差很小(小于9%),說明仿真的結果基本上反映了潛孔錘的實際工作情況,也證