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1、沈阳建筑大学沈阳建筑大学全全日日制制硕硕士士研研究究生生学学位位论论文文开开题题报报告告研究生姓名：研究生姓名： 黄黄德德升升 指指导导教教师师： 侯侯祥祥林林 学学科科专专业业： 机机械械制制造造及及其其自自动动化化 研研究究方方向向： 机机电电一一体体化化 20112011 年年 1111 月月 1010 日日论文题目：论文题目：泵车臂架系统动力学与流固耦合问题的研究泵车臂架系统动力学与流固耦合问题的研究课题来源：课题来源：辽宁省自然科学基金项目辽宁省自然科学基金项目(201102181)(201102181)开 题 报 告1、课题研究的目的和意义1.1 课题概述混凝土泵车是集泵送、布料和
2、行走于一体的大型综合设备，也称臂架式混凝土泵车，其型式定义为：将混凝土泵和液压折叠式臂架都安装在汽车或拖挂车底盘上，并沿臂架铺设输送管道，最终通过末端软管输出混凝土的机器。由于臂架具有变幅、折叠和回转功能，在臂架所能及的范围内布料。目前，国家重点建设项目的混凝土施工中都采用了混凝土泵车泵送技术，使用范围已经遍及水利、水电、地铁、桥梁、大型基础、高层建筑和民用建筑等工程中。混凝土泵车可以一次同时完成现场混凝土的输送和布料作业，具有泵送性能好、布料范围大、能自行行走、机动灵活和转移方便等特点。使用混凝土泵车更能显示其优越性。采用它施工方便，在臂架活动范围内可任意改变混凝土浇筑位置，不需在现场临时铺
3、设管道，可节省铺助时间，提高工效。特别适用于混凝土浇筑需求量大、超大体积及超厚基础混凝土的一次浇筑和质量要求高的工程。随着我国经济建设步伐的加快，国内商品混凝土行业和建筑机械租赁业务的快速发展，混凝土施工规模和范围的不断扩大，市场对混凝土机械的需求呈猛增势态，带动了混凝土输送机械的高速发展，混凝土泵车的市场更加广阔。同时，国家已经出台禁止在城市市区内使用现场搅拌混凝土的政策，使混凝土泵、混凝土泵车、混凝土运输车和混凝土搅拌站等产品的需求更加增多。这些有利的外部条件，为混凝土泵车的发展提供了广阔的空间。1.2 课题研究目的混凝土泵车是集输送成品混凝土和摊铺浇注工序于一体的建筑机械, 是将混凝土泵
4、站配制好的混凝土运输并摊铺到施工现场,可使混凝土不离析,质量得以保证,是现代建筑不可缺少的工程机械。其稳定性是指其在行驶和工作时不致发生倾翻或侧向滑移,并能保证规定的行驶方向的能力。最新资料表明,国外生产的混凝土泵车浇注高度可达到62m,而国内生产的绝大部分的浇注高度仅达32-38m,这除了由于制造工艺等能力有限外, 也在于优化设计上的突破。因为高度的增加对整机的优化设计乃至稳定性的要求很苛刻。所以,汽车臂架式混凝土泵车的整机稳定性是一项重要指标,它决定混凝土泵车工作性能的好坏,关系到泵车设计的合理性和安全性。因此,在进行整机设计尤其是优化设计时,对泵车进行整机稳定性分析很有必要。混凝土在管道
5、内流动的过程中,压力和流速变化会造成管道的振动,是典型的流固耦合现象。由于混凝土泵车采用了柱塞式混凝土泵推动混凝土进入输料管,沿着臂架部署的位置到达指定的位置,在浇注现场可以观察到输料管强烈振动这样既不利于浇注点的位置控制也会造成输料管和臂架的破坏, 所以对输料管振动和混凝土流动耦合的研究是必要的。1.3 课题研究意义本课题的研究不仅具有理论研究价值，而且具有很大的实用性，混凝土泵车臂架系统属于典型柔性多体系统,臂架系统的固有频率较低，泵送工作油缸和换向油缸工作频率与臂架系统的固有频率接近，导致泵车车体以及臂架系统振动明显,臂架姿态复杂多变使泵车工况复杂,结构设计的轻量化要求以及机动灵活的使用
6、要求使泵车的结构复杂,混凝土在输送管内的流动与泵车臂架振动耦合。因此要通过理论分析获取泵车工作时结构件的动力响应是比较困难的。本文以国内外最新多体系动力学、控制理论、计算方法和试验测试技术为基础，突破体系动力学建模问题，以流体力学、分析力学和控制理论为基础，从多学科交叉角度，建立同时考虑体系流固耦合、刚柔性耦合问题的臂架体系非线性动力学模型。分析浇注拟静力过程流固耦合振动问题的固有特性，针对体系位置的变化，基于动态设计变量优化方法，以消耗能量和转化时间最少为目标，优化确定最佳位姿和过程控制量。通过相似试验和仿真验证理论研究。在耦合条件下实现动力学建模，确定流固耦合振动固有特性、实现高效节能的位
7、姿改变控制，为泵车大型化提供理论支持。2、国内外同类课题研究现状及发展趋势2.1 国内外混凝土泵车的发展概况我国于70年代由上海第八建筑工程公司参照德国技术制造了以水作介质带布料杆的泵车,华东电力建设局混凝土泵车联合设计组设计了HBC-65型混凝土泵车。1979 年,在上海宝山钢铁总厂工程施工中,使用了从日本引进的混凝土泵车,从此,我国开始了混凝土泵车大规模的应用。通过一系列混凝土泵车施工作业,取得了较好的效果,并积累了较丰富的施工经验,为我国推广混凝土泵车打下了基础。1982年湖北建设机械股份有限公司(原湖北建筑机械厂)引进日本石川岛建机株式会社混凝土泵车生产技术,合作生产IPF85B混凝土
8、泵车(最大混凝土输送量:;布料杆高度: 20.7m;混凝土hm /853分配阀型式:斜置式闸板阀),从此结束了我国不能批量生产混凝土泵车的历史,并进入了混凝土泵车发展的高峰时期。我国从1982年引进国外先进的混凝土泵车的生产技术, 使我国在混凝土泵车的设计水平、制造能力都有了很大提高, 但与发达国家比较仍有相当大的差距。目前,我国混凝土泵车生产技术主要是引进国外技术, 所生产的混凝土泵车布料杆垂直高度有17m、21m、27m、32m、36m、37m; 臂架节数有三节和四节两种; 混凝土输送量有、;混凝土输出压力4.6 8.2MPa。hm /503hm /853hm /1003hm /1153h
9、m /1203主要选用日本五十铃、国产北方奔驰、斯太尔等汽车底盘,底盘驱动形式和24二种型号。泵车的臂架、底架、支腿、转台等主要钢结构件均采用60k级(= 46b600MPa) 高强钢板。在国外,混凝土泵车设计制造技术已发展到很高的水平,产品已形成系列化。如施维英公司生产的混凝土泵车布料杆的垂直高度16-52m共13个品种,其混凝土输送量多种类型,布料杆节数有二节、三节,最多的有四节,最大混凝土输出压力hm /150563,最大的(52)泵车底盘驱动形式。普茨迈斯特公司生产的混凝土泵MPa8 .105 . 5610车布料杆的长度也有13个品种,布料杆的垂直高度,布料杆节数最多为五节, m621
10、6其混凝土输送量。该公司生产的M62型泵车,臂架长度58m,五节臂,垂直hm /200663布料高度62m,最大输送量,底盘驱动形式,总重62t,是当今世界上最大hm /2003612的混凝土泵车。他们除了发展混凝土泵车超长臂架技术外,在混凝土泵车中、长臂架中发展多节臂技术,如24m、26m、28m高度的布料杆,即有三节臂,也有四节臂,甚至31m的臂架节数多达五节。这些多节臂架泵车主要适合狭窄空间布料杆的展开和对复杂结构的施工作业。在混凝土泵车取力技术方面,国外已研究开发了多种。一种是汽车变速箱带有全功率输出端,然后连接传动轴驱动油泵,这种取力方式十分方便,底盘改装时无需改动汽车的传动系统,工
11、作安全可靠。另一种形式是, 在汽车底盘前后传动轴之间安装取力箱来驱动油泵, 国外已开发生产全系列不同型号的取力箱,适合传递不同的功率、扭矩、转速,可以配置安装各种油泵,混凝土泵车生产厂可根据需要选择不同的取力方式,配置不同的取力箱。长臂架泵车的发展还得益于国外材料工业的发展,目前国外除生产60kg级的高强材料外,还研制出了70kg、90kg、110kg级的高强材料,满足了大型泵车所需材料的强度要求,使泵车布料杆的垂直高度可以达到62m。2.2 国内外混凝土泵车的研究现状(1)基于虚拟现实技术的智能浇筑应用机器人技术、虚拟现实技术和计算机图形学等技术相结合，采用软件编程来研究臂架的运动、轨迹规划
12、和虚拟环境的生成。这需要创建三维模型、建立虚拟场景、对场景中的对象进行控制。研究通常采用建立浇筑口的位置坐标，通过插补使各关节角度变化的平方和最小，应用 VC 软件编程对泵车的虚拟环境进行仿真。相应的文献有:周淑文对泵车浇筑过程进行了分析，提出了泵车的智能浇筑方案，应用虚拟现实对泵车进行仿真；王绍华对面向对象的混凝土泵车臂架设计的混合型专家系统软件进行了设计。(2)动力学仿真研究目前的研究通常采用混凝土泵车 CPCWD 软件(泵车总体设计软件)与计算机动画仿真相结合，绘制不同折叠方式的臂架系统包络图，对臂架运动的浇筑点进行仿真。也有的研究把泵车臂架抽象为刚体一弹簧系统，建立振动模型，采用 AD
13、AMS 仿真分析液压系统对臂架的冲击。张国忠针对臂架的结构特点以及各种折叠方式，布料机构的位姿进行仿真，绘制了包络图；何玉东对泵车的液压系统进行分析，并对各液压回路的液压原理以及控制系统进行了分析；郭立新采用 CAD 软件开发了泵车的设计软件 CPCWD 软件，可以直接对泵车进行参数化绘图以及稳定性方面的分析；周淑文采用 ADAMS 软件与 ANSYS 软件相结合对泵车臂架的瞬态动力学特性进行了研究；张思奇运用 MATLAB 软件与 ADAMS软件联合仿真；吴瀚晖采用 I-DEAS 软件建立了臂架系统的仿真模型；冯升华针对臂架的六种折叠方式进行了模拟仿真；吕彭民使用了 ADAMS 仿真软件对臂
14、架的液压油缸在不同峰值冲击载荷下的各种动态响应进行了分析；(3)有限元在臂架设计上的应用基于 ANASYS 软件建立臂架的柔性模型，对臂架的瞬态动力学特性进行分析。这其中也有采用 MATLAB 软件对臂架进行轨迹规划，在 SIMULINK 与 ADAMS 中联合仿真，结果输入到 ANASYS 软件中进行瞬态动力学分析。还有对泵送承力结构、回转底座、布料机构的系统振型、柔性臂架的模态以及对臂架结构设计的合理性等方面直接建立有限元模型，分析各部件的模态。刘永红以 CAD 软件和 ANSYS 软件联合建立了臂架的柔性多体动力学模型；沈涛采用有限元软件分析了臂架的结构；郭立新对不同工况下臂架的振动模态
15、进行了分析；唐方台对 37 米泵车的泵送承力结构进行了分析。对于国外的泵车臂架系统的研究资料有:SKilicaslan 对柔性臂杆的卸荷问题进行了研究；Ohmura 对 27 米臂架的混凝土泵车作了介绍 ；Webb 对泵车的混凝土砂浆输送作了研究；Fleischfresser 针对泵车的液压系统进行了分析；Miyamoto 对于泵车臂架的振动问题设计了开环的控制算法。3、课题研究方案及进度安排3.1 课题研究方案本文主要研究泵车的动力学建模与流固耦合，重点是进行理论性的分析。以创新设计理论与方法，获得稳定结构与工作参数，具体的研究内容包括以下几个方面：（1）首先是解决流固耦合的臂架主体系的合理
16、的数学描述与处理，并合理体现在臂架体系动力学与控制模型的微分组中。（2）针对浇注的静力状态下所构建的流固耦合振动方程为非线性偏微分方程，难以运用解析法求解，建立有效的数值求解方法分析，以获得系统固有特性的分析以及系统拟静态力学性质分析。（3）臂架体系姿态改变的规划控制问题，是以系统动力学模型为基础，以端点达到目的点为条件，以转化时间和消耗能量为目标函数，构建控制量的优化问题，同时获得最佳体系姿态。3.2 主要技术特点、创新点（1）提出了考虑耦合的臂架刚柔性动力学建模方法，并通过借助符号处理软件方法的简化模型推导思路以获得有效准确多体动力学与控制系统模型；（2）提出了流固耦合非线性振动方程的优化数值解法思想；（3）提出端点转移坐标一定条件下的体系位形规划与控制量求解的优化方法，以确保稳定工作条件下的最小能量消耗和转移时间。3.3 进度安排2011.092011.10 收集相关
