一种自动扶梯梯级链传动系统的运动学以及动力学建模仿真方法

摘要

本发明公开了一种自动扶梯梯级链传动系统的运动学以及动力学建模仿真方法，包括在UG中建立梯级链传动系统的结构模型；将结构模型导入ADAMS中，建立刚性体部件；将关键部件导入ABAQUS中建立关键部件柔性化后的模态中性文件；将柔性体部件替换原有刚性体部件，建立自动扶梯梯级链传动系统的刚柔耦合模型动力学仿真，定义部件的属性和材料属性；在ADAMS中添加运动副约束和部件接触设置，设置主动链轮转速与运行负载，进行自动扶梯链传动系统动力学仿真。本发明可以快速分析不同运行参数下自动扶梯运行稳定性以及传动部件的受力情况，适用于不同应用场景下自动扶梯链传动装置选型，简化自动扶梯设计流程、节约研发时间、降低研发成本。

说明书

技术领域

本发明涉及多体动力学仿真分析领域，尤其涉及一种自动扶梯梯级链传动系统的运动学以及动力学建模仿真方法。

背景技术

自动扶梯作为高铁车站、地铁站等公共交通场所必备的基础设施，极大地便利了人们在不同楼层间移动，其在商场、购物中心、大型超市的广泛应用，方便了顾客浏览商品，促进了商业地产经济的发展。自动扶梯系统应用场景相当广泛，不同的应用场景需要调整自动扶梯整体结构，根据运行性能的改变，需要选择合适的传动部件以实现设定的运行参数以及安全要求。面对诸多应用场景，为了快速调整自动扶梯梯级链传动系统，节约设计时间，采用刚柔耦合模型动力学仿真来分析自动扶梯梯级链传动系统运行是否满足设计需求、部件力学性能是否安全可靠。

对于链传动系统的仿真分析，国内外学者进行了许多研究，也取得了不少成果。对于输送链、刮板链等大型链传动系统的理论分析与刚体仿真较多，实际上是假设链传动系统为理想刚体，忽略了实际部件做诶柔性体的微小变形。为了使自动扶梯梯级链传动系统仿真模型更加贴合实际，更准确的获得梯级链传动系统的运动学与动力学分析结果。

发明内容

针对现有技术的缺乏，本发明提供了一种自动扶梯梯级链传动系统的运动学以及动力学建模仿真方法，得到了不同结构设计与运行工况设置下的梯级链传动系统刚柔耦合模型的运动学及动力学仿真结果。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种自动扶梯梯级链传动系统的运动学以及动力学建模仿真方法，包括如下步骤：

步骤一：建立自动扶梯梯级链传动模型，并导出相关文件；

步骤二：将梯级链节、梯级链滚轮、梯级销轴导入ABAQUS软件中，在ABAQUS中生成柔性体部件，导出为MNF模态中性文件；将梯级链传动系统模型导入ADAMS，定义单位属性，在ADAMS中建立导轨、机架、链轮部件的刚体模型；

步骤三：在步骤二的基础上，在ADAMS中生成链传动系统刚柔耦合动力学模型，并定义材料的属性；

步骤四：在ADAMS中利用宏定义部件的运动副约接触并添加驱动；

步骤五：运行ADAMS运动学仿真，获得运动学及动力学分析结果。

进一步的，步骤一：利用UG软件使用表达式快速建立自动扶梯的梯级链传动系统的三维模型，将梯级链传动系统部件进行装配，导出x_t文件，作为链传动系统的结构模型；

步骤二：将建立的级链传动系统的总装模型导入ADAMS软件中，得到梯级链传动系统的刚体模型；

步骤三：将自动扶梯梯级链系统的关键部件导入ABAQUS软件中，生成关键部件的模态中性文件，将部件转换为柔性体；

步骤四：将步骤三生成的模态中性文件导入ADAMS中，将原有刚性体部件转换为柔性体部件，通过宏代码批量快速定义不同链传动部件的材料属性，添加部件之间的运动副约束以及接触设定，设置驱动函数以及负载载荷，进行刚柔耦合模型运动学及动力学仿真；

步骤五：在ADAMS中通过宏代码批量定义不同链传动部件的材料属性，添加部件之间的运动副约束以及接触设定，设置驱动函数以及负载载荷，进行刚柔耦合模型运动学及动力学仿真。

进一步的，步骤一所述梯级链系统建模不只限一种结构参数下的自动扶梯模型，可根据实际中自动扶梯梯级链系统部件结构参数，调整UG中表达式，快速生成梯级链传动系统部件。

进一步的，所述步骤一种自动扶梯梯级链系统部件包括梯级链轮、回转链轮、导轨、梯级链链节、梯级链主轮、梯级链销轴。

进一步的，所述步骤二中部件的的材料属性、运动副约束、接触设置、驱动函数、负载载荷不只限于一种情况，可根据实际中梯级链系统模型的改变使用宏设置快速调整。

进一步的，步骤三中的关键部件包括梯级链链节、梯级链主轮和销轴。

本发明的优异效果：

本发明联合UG快速设计、ABAQUS建立关键部件柔性体、ADAMS运动学与动力学建模仿真的优点，采用刚柔耦合模型动力学仿真来快速分析自动扶梯梯级链传动系统运行是否满足设计需求、部件力学性能是否安全可靠。根据运行性能的改变，需要选择合适的传动部件以实现设定的运行参数以及安全要求。面对诸多应用场景，可以快速调整自动扶梯梯级链传动系统，节约设计时间，为自动扶梯研发提供参考。

附图说明

图1为根据本发明实施例的一种自动扶梯梯级链传动系统的运动学以及动力学建模仿真方法的流程示意图；

图2为根据本发明实施例的自动扶梯梯级链模型；

图3为根据本发明实施例的运动结果图；

图4为根据本发明实施例的滚轮受力结果图；

图5为根据本发明实施例的链节受力结果图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行完整、详细的说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员获得的其他实施例，都属于本发明的保护范围。

本发明所涉及到的建模与仿真流程图，本发明的具体实施步骤如下：

步骤一：采用UG软件，通过修改表达式参数快速建立自动扶梯梯级链部件模型，结合附图2所示主要包括上下链轮、导轨、梯级链链节、梯级链主轮、销轴，并将各部件按照精确地定位关系和相互运动关系装配成三维模型，为简化模型，建模时忽略轴承，止动垫圈等次要部件。模型导出为Parasolid格式文件，作为梯级链传动系统的实体模型。

步骤二：将实体模型导入ADAMS软件中，设定单位属性为MMKS,建立以大地为参考的固定坐标系，得到梯级链传动系统的刚体模型。

步骤三：采用有限元软件ABAQUS对梯级链链节、梯级链主轮、销轴进行有限元分析，设定部件的材料属性，创建分析步，设置边界条件，通过参考点来约束链节内圈、主轮内圈和销轴表面，采用适合力学分析的六面体网格类型来划分部件网格。生成关键部件的模态中性文件，得到柔性化部件。

步骤四：将MNF文件导入ADAMS中，梯级链传动模型中的梯级链关键部件从刚性体转化为柔性体。其中，上下链轮、导轨部件因变形较小，保持为刚性体模型，得到自动扶梯梯级链传动系统的刚柔耦合模型。

步骤五：在ADAMS中通过宏命令批量设定部件的材料属性，材料属性包括：材料密度为7.87E-009kg/mm

部件之间的运动副约束包括：上下链轮与机架的旋转副、滚轮与销轴的旋转副、链节与销轴的旋转副，机架、导轨与大地建立固定副，

部件之间的接触包括：滚轮与销轴的接触、滚轮与导轨的接触、滚轮与链轮的接触、链节与销轴的接触。接触设置包括：动摩擦系数0.3、阻尼系数0.57、力指数1.1。

在驱动链轮旋转副处添加驱动，驱动函数根据实际自动扶梯设定运动速度调整step函数(time，1，0，2，720d)。在下部链轮处添加反向力矩模拟负载阻力，力矩函数根据设定乘客数量调整step函数(time，0，0，1，5000000)。运行ADAMS动力学仿真，获取梯级链运动学以及动力学分析结果。

自动扶梯梯级链运行速度如附图3所示，存在启动加速阶段，在自动扶扶梯运行一段时间后，速度稳定在3m/s附近，因链传动本身多边形效应，自动扶梯链速存在周期性波动。在ADAMS模型中给予梯级链合适的张紧力，可以有效减低自动扶梯运行速度的波动量。自动扶梯设置的运行速度越低，同样运行过程中链速的周期波动量也会减小。

运行过程中滚轮受力图如附图4所示，当滚轮与链轮发生接触后，二者之间接触力随着链轮的旋转迅速上升至1250N，接触位置继续变化后，滚轮与链轮之间的接触力迅速下降。滚轮接触力与乘客负载成正比，自动扶梯扶梯乘客数量越多，梯级链滚轮与链轮之间的接触力就越大。

运行过程中链节受力图如附图5所示，从静止状态下启动时链节存在较大张力波动，随着自动扶梯的运行一段时间，链节部件所受张力逐渐稳定在13000N左右。链节部件所受张力与乘客负载成正比，自动扶梯扶梯乘客数量越多，梯级链链节所受张力就越大。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。