挖掘機多體動力學仿真

 本案例模型對象為挖掘機，在這個模型中的所有的機構都是剛性的，包含17個剛體組件、各類型24個運動副及4個時序驅動STEP函數，實現挖掘機從挖掘到卸載一個動作循環的動力學仿真，考察了INTESIM-FMBD軟件處理復雜工程機械多體動力學仿真能力。

挖掘機模型如下圖所示。

圖1  挖掘機模型

 英特剛柔耦合多體動力學軟件（INTESIM-FMBD）主要針對工程實際中大量存在的剛柔耦合多體系統，圍繞其復雜動力學行為推出的新產品，適合于一般機械多體動力學仿真分析。軟件可對由剛體和柔體組成的多體系統進行運動學、動力學、靜力學及特征值分析，求解器采用向后差分格式對多體動力學模型生成的微分代數方程組進行動力學積分，完成上萬甚至百萬廣義坐標的求解。軟件支持幾何精確法/浮動坐標法/任意拉格朗日歐拉方法描述的單元及網格類型，具備豐富的約束和連接庫，支持基于子系統的復雜模型創建。軟件核心求解器經過多年研發積累，在大變形柔性體描述、索驅機構模擬及移動接觸問題形成一定優勢，已成功應用于航天、航空、車輛、工業裝備、能源裝備、國防、國家大工程、生物力學和機器人等領域。英特剛柔耦合多體動力學軟件（INTESIM-FMBD），與國外某著名多體動力學軟件從功能、性能、用戶體驗等多方面完全對標，軟件日趨成熟，界面如下所示：

圖2  INTESIM-FMBD軟件界面

挖掘機多體動力學模型建立

模型導入

約束創建

驅動施加

求解設置

 完成上述挖掘機多體動力學模型建立后，即可進行求解設置，提交求解器計算，軟件求解設置界面如下圖所示。

圖12 求解設置

仿真結果

 INTESIM-FMBD多體動力學軟件具備結果可視化模塊，實現仿真計算結果的3D、2D可視化顯示功能，其中3D結果顯示包含動畫、文件保存，2D結果顯示可包含計算結果的曲線顯示、曲線編輯、曲線擬合、數據輸出、二次計算等功能。軟件結果可視化界面如下圖所示。

圖13 結果可視化功能面板

圖14 2D結果可視化界面

仿真動畫

動臂質心位移曲線

斗桿質心速度曲線

總結

      本案例為工程機械領域機械機構運動仿真，模擬挖掘機挖掘、卸載及復位整個循環過程的運動動作，為挖掘機機構設計及液壓缸參數設計提供依據，驗證了INTESIM-FMBD軟件處理復雜工程機械多體動力學仿真能力。后續，我們將在挖掘機全剛體模型的基礎上，對挖掘機動臂進行柔性化，進行基于INTESIM-FMBD軟件的剛柔耦合多體動力學仿真，分析挖掘機動臂動態應力變化。另外，通過我方軟件提供的控制模型接口，可以進一步實現虛擬樣機下的動力學與控制聯合仿真。