[发明专利]基于运动学和动力学的双移动式起重机协同吊装仿真方法

说明书

技术领域

 本发明属于吊装工艺及三维仿真技术领域，涉及两台起重机共同吊装一物件的协同吊装仿真方法，尤其是基于运动学和动力学的双移动式起重机协同吊装仿真方法。

背景技术

在大型吊装工程中超重型、大跨度的被吊物越来越常见，常常因起重机起重量不足、被吊物跨度太大、吊装时需要对设备进行回转或翻转动作等问题，使得单台起重机难以完成吊装任务。在大多数情况下，不得不采用两台起重机（一台主起重机、一台辅助起重机）相互协作进行吊装才能更好地完成吊装任务。但与单台起重机吊装相比，两台起重机协同吊装的危险性大大增加，稍微相互协作不当就会导致两台起重机协同吊装发生倾翻、臂架断裂、人员伤亡等灾难性后果。

为此，有必要通过仿真对双机吊装过程进行预演并显示相应关键参数，以提高吊装的安全性。一些学者提出一些基于运动学的双机吊装仿真方法，这些方法将起重机各部分以及被吊物看作刚体，并假设起升绳始终竖直，据此建立双机吊装的几何模型，通过该模型实现吊装过程仿真。这类方法所需参数少、易于实现，能直观地模拟双机吊装的大体运动过程，但因未考虑被吊物重量、重心、起升绳的偏摆等因素，此类方法模拟的吊装过程会有较大的失真、不自然，与实际吊装可能不符，即不能真实地反映双机吊装的过程。为了把吊装过程中起升绳偏摆、碰撞检测、力反馈等物理特性模拟出来，另一些学者提出了基于物理引擎的双机吊装仿真方法，这类方法将起重机各部件及被吊物建模成刚体，并赋予重量、惯性矩、刚度等物理属性，然后采用相应的铰（如球铰、滑移铰、旋转铰等）将各部分连接起来，构建一个复杂的双机吊装的动力学模型，以实现双机的吊装过程仿真。基于物理引擎的方法能较好地模拟起升绳偏摆等效果，但其也存在一些局限性：待设置的物理参数多，即需要为每个刚体、每个铰设置准确的物理属性，如重量、重心、惯性矩、刚度、误差消减系数、阻尼系数等，而这些的准确参数在实际吊装工程中通常难以确定；并且，若这些物理属性设置的不恰当，难以达到期望的仿真效果。从而可以看出，基于物理引擎的双机吊装仿真方法，其模型过于复杂，实用性较差。

发明内容

 本发明要解决的技术问题是提供一种基于运动学和动力学混合的双移动式起重机协同吊装仿真模型。本发明的目的是实现一个简单、实用的双机吊装仿真模型，以能真实地模拟双机吊装过程，在实际吊装前发现潜在的危险，最终提高吊装的安全性和效率。

本发明的技术方案如下：提供了一种基于运动学和动力学的双移动式起重机协同吊装仿真方法，在由主起重机、辅助起重机、被吊设备及吊索具构成的双机系统中，采用运动学和动力学建立双机协同吊装的仿真模型，双机系统中的部件运动分为运动学和动力学两部分。

将双机系统划分成三部分，被吊设备、与吊索具作为一部分，称为双机的起升子系统；主起重机为一部分，称为主起重机子系统；辅助起重机为一部分，称为辅助起重机子系统；其中，双机的起升子系统采用动力学建模，而主起重机子系统和辅助起重机子系统采用运动学建模。

双机的起升子系统采用动力学建模过程如下：将双机的子系统中的起升滑轮组Ⅰ、辅助吊钩、被吊设备、平衡梁、主吊钩及起升滑轮组Ⅱ建模成刚体；起升滑轮组Ⅰ固定在辅助起重机的臂头上随着臂头运动而运动，起升滑轮组Ⅰ采用距离铰与辅助吊钩相连，起升滑轮组Ⅱ固定在主起重机的臂头上随着臂头运动而运动，起升滑轮组Ⅱ采用距离铰与主吊钩相连，主吊钩采用距离铰(Distance Joint)与平衡梁连接，而平衡梁采用旋转铰(Revolute joint)与被吊设备主吊点相连，旋转铰(Revolute joint)位置设在主吊耳处，辅助吊钩采用距离铰(Distance Joint)与被吊设备的辅助吊点连接。

主起重机子系统和辅助起重机子系统采用运动学建模过程如下：将辅助起重机子系统分成下车Ⅰ、上车Ⅰ、主臂Ⅰ三部分；下车Ⅰ与地面的相对运动建模为一个移动副和一个轴垂直地面的转动副；下车Ⅰ与上车Ⅰ的相对运动建模为一个轴垂直地面的转动副；上车Ⅰ与主臂Ⅰ的相对运动建模为一个轴垂直转台的转动副；同理：将主起重机子系统分成下车Ⅱ、上车Ⅱ、主臂Ⅱ三部分；下车Ⅱ与地面的相对运动建模为一个移动副和一个轴垂直地面的转动副；下车Ⅱ与上车Ⅱ的相对运动建模为一个轴垂直地面的转动副；上车Ⅱ与主臂Ⅱ的相对运动建模为一个轴垂直转台的转动副。