混凝土泵车臂架参数化设计平台的研究

张景+国宏斌+揭琳锋+龚友

摘要：臂架系统是影响泵车性能的重要部件，通过对多体动力学软件ADAMS的二次开发，建立一个以模块化、参数化关键技术为特征的臂架分析平台。以某型号臂架为例，在仿真平台上建立了臂架的模型并进行了运动学、动力学分析。平台的实际使用效果表明，该平台可为企业设计人员提供专业、可靠、便捷的设计工具，该仿真系统具有重要的现实意义和广泛的工程应用前景。

关键词：混凝土泵车臂架；ADAMS；参数化；模块化

中图分类号：U415.5文献标志码：BResearch on Parameterized Design Platform for Boom System of

0引言

长期以来，混凝土泵车臂架的设计多采用手工计算的方式，选取一些特殊位置对油缸的受力情况进行分析[1]，这种方式的计算精度差，而且无法确切地了解各油缸在整个工况运动过程中的受力变化趋势和油缸达到最大压（拉）力时的具体位置。因此这种方法会在设计中漏掉许多油缸受力很大的工况，导致油缸在实际工作中出现负载过大的情况；同时，也无法知道臂架系统在运动过程中的实际运动轨迹、速度、加速度等参数，直接制约着臂架系统设计的可靠性和开发效率。

虚拟样机技术的出现很好地解决了传统方法在设计、优化等方面的缺点。利用多体动力学软件ADAMS进行二次开发，可以实现将臂架系统的参数化建模、动力学仿真、结构优化集于一体，其开发的界面简单易懂，适合各类人员操作[2]。用户只需要输入相应的参数，就可以建立不同结构的模型，而无需进行繁琐的建模过程。本文针对臂架系统的基本形式，以ADAMS软件为基础，对其进行二次开发，建立参数化设计分析平台，以满足不同长度、结构形式臂架的自动建模、分析与优化[3]。

1参数化设计平台的二次开发基础

平台的建立主要使用ADAMS的二次开发功能，同时满足用户的设计需求、功能需求和理论要求，在不改变现有软件系统的基础上进行软件的功能扩展，得到想要的功能。

多体动力学软件ADAMS具有很强的二次开发功能，包括ADAMS/View界面的用户化设计，利用CMD语言实现自动建模和仿真控制，通过编制用户菜单和用户对话框可以满足用户的某些特定需求，开发出相应的模块，极大地拓展了ADAMS的功能。

1.1定制用户界面

ADAMS/View的界面对象都是以层次结构存储在模型数据库中，类似于零件模型的层次结构，如图1所示。所有定制的界面对象都存储在名为GUI 的数据库中，该数据库可以很方便地管理所有的标准界面对象。

1.2宏命令

宏命令是ADAMS的一组命令集，它可以执行一连串的ADAMS/View命令。创建宏命令时，首先按顺序列出想执行的ADAMS/View命令清单，然后就可以将这些命令写成宏命令的形式。在宏命令中也可以使用参数，以便让宏命令与模型交换数据。每次使用宏命令时，都将通过对话框参数设置将数据传给宏。当执行带有参数的宏命令时，ADAMS/View将所提供的值代入宏命令中。

ADAMS/View对宏命令与其他的ADAMS/View命令一样，可以在命令窗口或其他的宏命令中，或者从自己的定制菜单、对话框或按钮中执行它。使用宏命令可以实现以下功能：自动建模、仿真和检查分析；自动完成重复性的操作；与ADAMS/View建立模型数据交换功能；自动建立整个模型；建立机械系统的所需变量。

2参数化设计平台总体规划

2.1模块划分

根据臂架系统设计的要求，采用模块化设计方案，将臂架参数化设计平台划分为人机交互界面、功能模块、数据管理模块。功能模块包括参数化建模模块、参数化装配模块、驱动添加模块、分析模块、结果提取模块。数据管理模块主要用于储存已有各种臂架的标准模板，并可不断补充。

2.2参数化设计

参数化设计即根据臂架系统的结构特点，选取关键参数，建立臂架系统的参数化零件库，包括几何模型参数化、装配参数化、驱动参数化等。

参数化设计所需参数包括几何参数（如部件的外形和安装位置等）、物理参数（如质量、质心位置和转动惯量等）和力学参数。

根据多体动力学理论和ADAMS软件的要求，如果臂架模型的几何参数、物理参数和力学参数与实际结构相同，模型就能表达出实际结构的几何关系、物理关系和力学关系，仿真结果和实际臂架系统是等价的。

3参数化设计平台开发

二次开发后的专用分析平台要求能以菜单和对话框为人机交互界面自动完成臂架系统的动力学建模；根据输入的工况条件自动完成动力学分析；在分析结果中自动实现有关数据的提取、管理和显示。平台运行流程如图2所示。

3.1平台文件的组织及环境初始化

二次开发文件包含5种程序文件，分别是菜单文件、对话框文件、ADAMS命令文件、模块启动文件和ADAMS环境初始化文件。其中ADAMS命令文件的文件名作为一个宏命令直接调用。

ADAMS启动时，运行启动文件，即双击ADAMS/View桌面快捷方式就可以进入臂架系统的开发平台。

3.2平台主菜单及欢迎对话框的设计

平台主菜单在系统界面呈下拉式菜单显示，下拉式菜单可以设计成多级菜单，如果菜单级别过少，设计平台的功能布置将受到一定的限制；如果子菜单级别过多则用户操作使用不方便。本平台的菜单设有两级。

通过以下菜单路径可以调出菜单编辑器窗口：Main Menu|Tools|Menu|Modify。在菜单编辑器窗口中显示的是ADAMS菜单文件，菜单文件是按照一定语法书写的解释性程序文件。在默认情况下，菜单编辑器窗口里显示的是描述ADAMS标准菜单的菜单文件，按照一定的语法规则修改该菜单文件，就可以得到用户化的菜单。endprint

3.3功能模块设计

3.3.1建模对话框设计

根据用户要求，利用平台建立臂架系统及零部件模型，因此在对话框设计上，首先应考虑模型的选择问题。在零部件参数化建模对话框，形式（TYPE）采用下拉菜单进行选择。

如图4所示，以连杆参数化建模对话框为例，界面主要由参数化输入、形式选择、模型管理、模型显示四部分组成。

3.3.2装配对话框设计

装配是根据设计要求从零件库中提出分析所需要的零件，按要分析的姿势装配成不同形式的臂架系统，界面分为零件选择、姿态调整、装配关系添加与模型管理4个部分。图6为参数化装配对话框。

图6参数化装配对话框4参数化建模及运动分析

以某五节臂架泵车 （臂架折叠形式为RZ）为例，该车在设计过程中出现了某油缸推力不足的情况，在一定程度上影响了产品质量，因此迫切需要明确设计参数，进行改进设计。

使用参数化建模平台建模，按照要求装配好的臂架水平工况的模型见图7。使用平台完成了水平展开到竖直回收这个工况，图8显示了臂架末端点的运动轨迹，图9显示了油缸的受力情况。

图7装配好的五节臂泵车水平工况模型图8臂架末端点运动轨迹图9油缸受力分析可以看出，平台流程变得异常简单和智能化，仅需要用户根据结构关键点，即可完成设计及分析。不仅降低了工作量，而且减少了疏漏引起的失误。

5结语

（1） 介绍了臂架参数化平台开发的思路及规划，即实现了臂架系统的参数化建模仿真平台的开发，使臂架系统的设计实现了无手工计算，提高了工作效率。

（2） 以某五节臂架系统为例，展示了平台的参数化建模及模块分析功能，说明了该仿真系统可使全部建模过程实现自动化，有利于臂架系统设计，大大缩短了臂架系统的研发周期，具有重要的现实意义和广泛的工程应用前景。

（3） 平台界面有待进一步完善，数据库有待补充更新，优化设计、有限元分析有待持续开发。

参考文献：

[1]王选尚，史春娟. 45 m混凝土泵车结构强度研究[J]. 筑路机械与施工机械化，2012，29（3）：8284.

[2]陈立平，张云清，任卫群，等.机械系统动力学分析及ADAMS应用教程[M].北京：清华大学出版社，2005.

[3]杨平，吕彭民，王刚，等.混凝土泵车疲劳寿命预测方法[J].长安大学学报：自然科学版，2011，31（4）：102110.

[责任编辑：王玉玲]endprint

3.3功能模块设计

3.3.1建模对话框设计

根据用户要求，利用平台建立臂架系统及零部件模型，因此在对话框设计上，首先应考虑模型的选择问题。在零部件参数化建模对话框，形式（TYPE）采用下拉菜单进行选择。

如图4所示，以连杆参数化建模对话框为例，界面主要由参数化输入、形式选择、模型管理、模型显示四部分组成。

3.3.2装配对话框设计

装配是根据设计要求从零件库中提出分析所需要的零件，按要分析的姿势装配成不同形式的臂架系统，界面分为零件选择、姿态调整、装配关系添加与模型管理4个部分。图6为参数化装配对话框。

图6参数化装配对话框4参数化建模及运动分析

以某五节臂架泵车 （臂架折叠形式为RZ）为例，该车在设计过程中出现了某油缸推力不足的情况，在一定程度上影响了产品质量，因此迫切需要明确设计参数，进行改进设计。

使用参数化建模平台建模，按照要求装配好的臂架水平工况的模型见图7。使用平台完成了水平展开到竖直回收这个工况，图8显示了臂架末端点的运动轨迹，图9显示了油缸的受力情况。

图7装配好的五节臂泵车水平工况模型图8臂架末端点运动轨迹图9油缸受力分析可以看出，平台流程变得异常简单和智能化，仅需要用户根据结构关键点，即可完成设计及分析。不仅降低了工作量，而且减少了疏漏引起的失误。

5结语

（1） 介绍了臂架参数化平台开发的思路及规划，即实现了臂架系统的参数化建模仿真平台的开发，使臂架系统的设计实现了无手工计算，提高了工作效率。

（2） 以某五节臂架系统为例，展示了平台的参数化建模及模块分析功能，说明了该仿真系统可使全部建模过程实现自动化，有利于臂架系统设计，大大缩短了臂架系统的研发周期，具有重要的现实意义和广泛的工程应用前景。

（3） 平台界面有待进一步完善，数据库有待补充更新，优化设计、有限元分析有待持续开发。

参考文献：

[1]王选尚，史春娟. 45 m混凝土泵车结构强度研究[J]. 筑路机械与施工机械化，2012，29（3）：8284.

[2]陈立平，张云清，任卫群，等.机械系统动力学分析及ADAMS应用教程[M].北京：清华大学出版社，2005.

[3]杨平，吕彭民，王刚，等.混凝土泵车疲劳寿命预测方法[J].长安大学学报：自然科学版，2011，31（4）：102110.

[责任编辑：王玉玲]endprint

3.3功能模块设计

3.3.1建模对话框设计

根据用户要求，利用平台建立臂架系统及零部件模型，因此在对话框设计上，首先应考虑模型的选择问题。在零部件参数化建模对话框，形式（TYPE）采用下拉菜单进行选择。

如图4所示，以连杆参数化建模对话框为例，界面主要由参数化输入、形式选择、模型管理、模型显示四部分组成。

3.3.2装配对话框设计

装配是根据设计要求从零件库中提出分析所需要的零件，按要分析的姿势装配成不同形式的臂架系统，界面分为零件选择、姿态调整、装配关系添加与模型管理4个部分。图6为参数化装配对话框。

图6参数化装配对话框4参数化建模及运动分析

以某五节臂架泵车 （臂架折叠形式为RZ）为例，该车在设计过程中出现了某油缸推力不足的情况，在一定程度上影响了产品质量，因此迫切需要明确设计参数，进行改进设计。

使用参数化建模平台建模，按照要求装配好的臂架水平工况的模型见图7。使用平台完成了水平展开到竖直回收这个工况，图8显示了臂架末端点的运动轨迹，图9显示了油缸的受力情况。

图7装配好的五节臂泵车水平工况模型图8臂架末端点运动轨迹图9油缸受力分析可以看出，平台流程变得异常简单和智能化，仅需要用户根据结构关键点，即可完成设计及分析。不仅降低了工作量，而且减少了疏漏引起的失误。

5结语

（1） 介绍了臂架参数化平台开发的思路及规划，即实现了臂架系统的参数化建模仿真平台的开发，使臂架系统的设计实现了无手工计算，提高了工作效率。

（2） 以某五节臂架系统为例，展示了平台的参数化建模及模块分析功能，说明了该仿真系统可使全部建模过程实现自动化，有利于臂架系统设计，大大缩短了臂架系统的研发周期，具有重要的现实意义和广泛的工程应用前景。

（3） 平台界面有待进一步完善，数据库有待补充更新，优化设计、有限元分析有待持续开发。

参考文献：

[1]王选尚，史春娟. 45 m混凝土泵车结构强度研究[J]. 筑路机械与施工机械化，2012，29（3）：8284.

[2]陈立平，张云清，任卫群，等.机械系统动力学分析及ADAMS应用教程[M].北京：清华大学出版社，2005.

[3]杨平，吕彭民，王刚，等.混凝土泵车疲劳寿命预测方法[J].长安大学学报：自然科学版，2011，31（4）：102110.

[责任编辑：王玉玲]endprint