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基于Modelica/Mworks的混凝土泵车建模及仿真研究

作　者: 王栋
导　师: 金先龙
学　校: 上海交通大学
专　业: 机械工程
关键词: 混凝土泵车操作稳定性 Modelica/Mworks 多领域建模
分类号: TU646
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

随着我国经济的迅速发展和城市化进程的加快,许多大型的工程建设和基础建设项目相继上马。于此同时,国家已经明确出台禁止在城市市区进行混凝土搅拌作业的政策,使得混凝土泵车等混凝土工程机械越来越作为施工中不可缺少的角色出现。在混凝土泵车的实际施工中,泵车的混凝土泵送性能是否满足施工需求和泵车能否满足操作稳定性是关系到施工能否正常进行的关键。混凝土泵车的操作稳定性安全隐患包括以下两个方面：一方面,在混凝土泵车臂架展开的过程中,由于液压系统的冲击作用造成臂架系统瞬时失稳；另一方面,混凝土泵车在施工过程中发生侧翻事故[2]。虽然混凝土泵车在设计过程中保证支腿系统在完全展开的情况下能够承受臂架系统在展开过程产生的倾覆力且有一定的安全系数,满足泵车的操作稳定性要求,但是在实际的施工过程中,由于受到施工场地的限制,混凝土泵车的支腿系统往往不能完全展开,这时能否满足混凝土泵车的操作稳定性只能靠施工经验来决定,如果继续施工就会有混凝土泵车侧翻等操作稳定性安全隐患依据上述在实际施工过程中存在不满足泵送性能和操作稳定性的隐患,本文的研究内容主要包括：依据混凝土泵车车载混凝土泵的工作特性曲线和我国现行的《混凝土施工规范》采用多领域建模语言Modelica和建模平台Mworks建立了混凝土泵车车载泵和混凝土输送管道的模型,混凝土泵车车载泵和混凝土输送管道共同组成了混凝土泵车的混凝土泵送系统级模型,可用来检测混凝土泵车是否满足泵送性能要求。研究了混凝土泵车臂架系统的工作原理,以Modelica语言和Mworks平台为基础,建立了混凝土泵车臂架系统的专业元、部件库,并以此专业元库为基础,搭建了包含PD控制子系统和不包含PD控制子系统的混凝土泵车臂架系统模型,通过比较分析了混凝土泵车臂架系统液压子系统的冲击性能和控制系统对液压冲击的抑制作用。研究了混凝土泵车支腿系统的工作原理,以Moelica语言和Mworks平台为基础,建立了混凝土泵车支腿子系统的专业元、部件库,并以此库为基础,搭建了混凝土泵车的支腿系统级模型,并简单验证了支腿系统级模型的正确性。将上述混凝土泵车的臂架系统和支腿系统集成起来,得到以仿真目标为检验混凝土泵车操作稳定性的混凝土泵车整车模型,通过仿真计算可以得出混凝土泵车在臂架展开过程中,混凝土泵车关键液压子系统关键参数的时域变化曲线和支腿系统的支腿反力曲线,为混凝土泵车液压系统的设计和优化提供参考,并为施工中混凝土泵车的操作稳定性提供可靠的计算标准。

全文目录

摘要  3-5
ABSTRACT  5-7
目录  7-9
第一章绪论  9-17
  1.1 课题研究意义  9-10
  1.2 混凝土泵车及Modelica语言发展概况  10-13
    1.2.1 混凝土泵车的发展概况  10-12
    1.2.2 Modelica语言的发展概况  12-13
  1.3 Modelica/Mworks简介  13-15
  1.4 本文的研究内容  15-17
第二章理论与方法  17-27
  2.1 引言  17
  2.2 Modelica语言介绍  17-19
  2.3 Modelica建模机制  19-21
    2.3.1 Modelica语言中的类  19-20
    2.3.2 Modelica的数据交换模式  20-21
    2.3.3 Modelica语言标准库  21
  2.4 Modelica语言建模思想和MWorks的建模方式  21-26
    2.4.1 Modelica的建模思想  22-24
    2.4.2 Mworks的建模方式  24-26
  2.5 本章总结  26-27
第三章混凝土泵车的模块化分解  27-34
  3.1 引言  27-29
  3.2 混凝土泵车系统分解的依据  29
  3.3 混凝土泵车的系统级分解  29-33
  3.4 本章总结  33-34
第四章混凝土泵送系统库建立及仿真试验  34-53
  4.1 引言  34
  4.2 混凝土泵数学模型的建立  34-35
  4.3 混凝土数学建模  35-42
    4.3.1 混凝土的流变特性  36
    4.3.2 理想流变模型  36-38
    4.3.3 混凝土流变方程  38-40
    4.3.4 混凝土在管道中的流动特性  40-42
  4.4 输送管道的数学建模  42-46
    4.4.1 输送管道对混凝土的摩擦阻力  42
    4.4.2 输送管道中混凝土速度特性  42-43
    4.4.3 输送管道沿程压力损失的等效方式  43-44
    4.4.4 倾斜直管沿程压力损失  44-46
  4.5 混凝土泵送系统模型库及仿真试验  46-51
    4.5.1 泵送系统库的结构  46-47
    4.5.2 泵送系统模型库  47-50
    4.5.3 仿真试验  50-51
  4.6 本章总结  51-53
第五章混凝土泵车臂架系统库建立及其仿真试验  53-84
  5.1 引言  53
  5.2 臂架系统简介  53-54
  5.3 臂架系统建模理论  54-65
    5.3.1 臂架动力学理论  54-56
    5.3.2 臂架液压建模理论  56-64
    5.3.3 比例微分控制理论  64-65
  5.4 臂架系统库关键组件介绍  65-72
    5.4.1 Arm专业库关键组件  65-68
    5.4.2 Hylib专业库关键组件  68-70
    5.4.3 Sensor专业库关键组件  70-71
    5.4.4 Source专业库关键组件  71-72
  5.5 仿真试验  72-83
    5.5.1 仿真模型  72-75
    5.5.2 仿真结果及分析  75-83
  5.6 本章总结  83-84
第六章混凝土泵车支腿系统库及操作稳定性仿真试验  84-103
  6.1 引言  84-85
  6.2 混凝土泵车支腿系统结构  85-86
  6.3 支腿系统专业库关键组件  86-93
  6.4 混凝土操作稳定性仿真试验  93-102
    6.4.1 泵车危险位置仿真试验  94-97
    6.4.2 实际施工操作稳定性仿真试验  97-102
  6.5 本章总结  102-103
第七章总结及展望  103-107
  7.1 本文总结  103-105
  7.2 展望  105-107
参考文献  107-112
致谢  112-113
硕士期间学术论文、专利、软件著作权及参加的科研项目  113-115
附件  115-116

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