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挖掘机多体动力学仿真
本案例模型对象为挖掘机，在这个模型中的所有的机构都是刚性的，包含17个刚体组件、各类型24个运动副及4个时序驱动STEP函数，实现挖掘机从挖掘到卸载一个动作循环的动力学仿真，考察了INTESIM-FMBD软件处理复杂工程机械多体动力学仿真能力。
挖掘机模型如下图所示。
图1 挖掘机模型
英特刚柔耦合多体动力学软件（INTESIM-FMBD）主要针对工程实际中大量存在的刚柔耦合多体系统，围绕其复杂动力学行为推出的新产品，适合于一般机械多体动力学仿真分析。软件可对由刚体和柔体组成的多体系统进行运动学、动力学、静力学及特征值分析，求解器采用向后差分格式对多体动力学模型生成的微分代数方程组进行动力学积分，完成上万甚至百万广义坐标的求解。软件支持几何精确法/浮动坐标法/任意拉格朗日欧拉方法描述的单元及网格类型，具备丰富的约束和连接库，支持基于子系统的复杂模型创建。软件核心求解器经过多年研发积累，在大变形柔性体描述、索驱机构模拟及移动接触问题形成一定优势，已成功应用于航天、航空、车辆、工业装备、能源装备、国防、国家大工程、生物力学和机器人等领域。英特刚柔耦合多体动力学软件（INTESIM-FMBD），与国外某著名多体动力学软件从功能、性能、用户体验等多方面完全对标，软件日趋成熟，界面如下所示：
图2 INTESIM-FMBD软件界面
挖掘机多体动力学模型建立
模型导入
将挖掘机模型各部件分别以step格式导入INTESIM-FMBD软件中，对导入的各个部件赋予材料属性，并对各部件重命名，方便后续建模过程部件选择及模型管理。INTESIM-FMBD软件模型导入及部件材料赋予界面如下图所示。
图3 几何模型导入
图4 部件材料赋予
约束创建
INTESIM-FMBD多体动力学软件支持丰富的约束类型及运动副，包括常用的固定副、转动副、滑移副、圆柱副、球副、万向节、螺纹副、平面副、耦合副等，还包括用于索驱机构建模所需的缆索滑轮约束、用于柔性体的MPC约束及节点固定约束等。INTESIM-FMBD软件支持2Parts-1Locations、2Parts-2Locations、2 Markers三种约束创建方式，通过定义约束位置及方向创建运动副，同时支持通过函数进行约束失效控制，可以十分方便地模拟约束失效导致的机构拓扑变化等过程。约束创建界面设置如下图所示。
图5 约束创建界面设置
本案例结合挖掘机各部件间的连接关系，合理地创建部件间的约束，基于INTESIM-FMBD软件的约束创建如下图所示。
图6 挖掘机约束创建
驱动施加
INTESIM-FMBD多体动力学软件支持的驱动类型包括直接作用于运动副的平动驱动和转动驱动，和作用在标记点之间的一般广义驱动，以及配合变长度机构的运动速度的驱动输入。软件支持的驱动类型如下图所示。
图7 驱动类型
INTESIM-FMBD软件内置丰富的函数库，支持上百种函数类型，本案例结合挖掘机挖掘、卸载及复位整个工作循环运动规律，选用STEP函数组合分别创建挖掘机4个时序驱动，主要分为机舱转动时序控制、动臂油缸时序控制驱动、斗杆油缸时序控制驱动及铲斗油缸时序控制驱动，基于INTESIM-FMBD软件的挖掘机4个时序驱动施加分别如下图所示。
图8 机舱转动时序控制驱动
图9 动臂油缸时序控制驱动
图10 斗杆油缸时序控制驱动
图11 铲斗油缸时序控制驱动
求解设置
完成上述挖掘机多体动力学模型建立后，即可进行求解设置，提交求解器计算，软件求解设置界面如下图所示。
图12 求解设置
仿真结果
INTESIM-FMBD多体动力学软件具备结果可视化模块，实现仿真计算结果的3D、2D可视化显示功能，其中3D结果显示包含动画、文件保存，2D结果显示可包含计算结果的曲线显示、曲线编辑、曲线拟合、数据输出、二次计算等功能。软件结果可视化界面如下图所示。
图13 结果可视化功能面板
图14 2D结果可视化界面
仿真动画
基于INTESIM-FMBD软件的挖掘机挖掘、卸载及复位整个工作循环仿真动画如下。
动臂质心位移曲线
INTESIM-FMBD软件后处理支持仿真曲线的输出，可以输出挖掘机各部件质心位移变化曲线，列取动臂整个工作循环的质心位移变化曲线如下图，分别输出动臂X方向、Y方向、Z方向及合位移变化曲线。
图15 动臂质心位移曲线
斗杆质心速度曲线
INTESIM-FMBD软件后处理支持仿真曲线的输出，可以输出挖掘机各部件质心速度变化曲线，列取斗杆整个工作循环的质心位移变化曲线如下图，分别输出斗杆X方向、Y方向、Z方向及合速度变化曲线。
图16 斗杆质心速度曲线
总结
本案例为工程机械领域机械机构运动仿真，模拟挖掘机挖掘、卸载及复位整个循环过程的运动动作，为挖掘机机构设计及液压缸参数设计提供依据，验证了INTESIM-FMBD软件处理复杂工程机械多体动力学仿真能力。后续，我们将在挖掘机全刚体模型的基础上，对挖掘机动臂进行柔性化，进行基于INTESIM-FMBD软件的刚柔耦合多体动力学仿真，分析挖掘机动臂动态应力变化。另外，通过我方软件提供的控制模型接口，可以进一步实现虚拟样机下的动力学与控制联合仿真。
文章来源：英特仿真INTESIM
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