一种圆环链的设计方法与流程

本发明涉及起重机机械设计领域，尤其涉及一种圆环链的设计方法，主要适用于提高建模效率、减小圆环链的振动及噪音。

背景技术：

圆环链是起重机械中常用的传动承载部件。圆环链的设计及选型可根据理论力学计算和国标，但在具体应用中，不仅要考虑链条的强度和刚度变形，还要考虑到链条作为柔性传动自身的振动和噪音。链条在外界激励下产生的链环之间的转动，使得起重货物产生摆动，从而发生可能性的破坏，另外链条振动撞击产生了一定的噪音。

目前，圆环链的动力学建模仅限于理论计算、模型简化以及有限元计算。其中，圆环链理论计算主要是建立圆环链与链轮之间啮合的动力学模型，获得二者之间的啮合力，以助于链轮的设计和链条的选型，并未考虑链条悬挂段的振动和姿态；圆环链动力学模型简化，一般是将链条简化为柔性的长弹簧，基于经验或者试验赋予弹簧一定的纵向刚度，并未考虑链条的横向变形及振动；圆环链的有限元计算，是将链条利用有限元技术进行网格划分，给定材料属性和边界条件，计算圆环链在外界载荷情况下的强度、变形和瞬态响应，此计算方法对于单一的链传动较为准确，但由于有限元计算对于网格依赖性较大，且计算周期长，并不适用于系统的建模计算。

技术实现要素：

本发明的目的是克服现有技术中存在的建模效率低、圆环链的振动及噪音大的缺陷与问题，提供一种建模效率高、圆环链的振动及噪音小的圆环链的设计方法。

为实现以上目的，本发明的技术解决方案是：一种圆环链的设计方法，该方法包括以下步骤：

a、构建单一链环的几何模型

根据设计需求和国标几何参数建立圆环链单一链环的几何模型，并记录单一链环参数，所述单一链环的几何模型为三维几何模型；

b、建立参数化圆环链几何模型

以单一链环为基础，以圆环链链环节数、单一链环参数为几何模型驱动参数，建立圆环链几何模型；

c、建立圆环链参数化动力学模型

以单一链环质量、圆环链链环间运动副以及约束条件为参数，建立圆环链的参数化动力学模型，并施加载荷计算圆环链链环的运动参数；

d、对圆环链进行优化

根据圆环链链环的运动参数，查看圆环链链环的运动情况，对圆环链进行优化，以减小圆环链振动。

步骤a中，所述单一链环参数包括公称直径d、长度l、宽度w、节距p、质量m。

步骤c中，所述圆环链链环间运动副采用虎克铰，所述圆环链链环的运动参数包括链环的位移、速度、加速度及链环间作用力。

步骤d中，优化变量为圆环链链环节数、单一链环参数，优化目标为圆环链链环的振幅大小。

当圆环链为锚链时，步骤c中，所述约束条件是指将圆环链首节链环固定约束，对圆环链末节链环施加长度方向预紧载荷、垂直方向正弦位移载荷。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1、本发明一种圆环链的设计方法中圆环链几何模型为参数化模型，可根据单一链环几何模型参数快速改变圆环链的外形显示，避免了链环的重复装配，极大的提高了圆环链三维建模效率。因此，本发明提高了建模效率。

2、本发明一种圆环链的设计方法中建立了参数化的圆环链动力学模型，可快速建立链环间的运动副，避免了重复建立运动副环节，对于长链条的建模而言，极大的提高了建模效率。因此，本发明提高了建模效率。

3、本发明一种圆环链的设计方法中根据圆环链动力学模型计算结果，对圆环链进行优化，减小了圆环链的振动及噪音。因此，本发明减小了圆环链的振动及噪音。

附图说明

图1是本发明一种圆环链的设计方法的流程图。

图2是本发明中单一链环的模型参数示意图。

图3是本发明中单一链环的模型参数示意图。

图4是本发明的实施例中的锚链几何模型。

图5是本发明的实施例中的锚链动力学模型。

图6是本发明的实施例中的20节链环计算结果曲线。

图7是本发明的实施例中的14节链环计算结果曲线。

图中：虎克铰1，d表示链环公称直径，l表示链环长度，w表示链环宽度，p表示链环节距。

具体实施方式

以下结合附图说明和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

参见图1至图7，一种圆环链的设计方法，该方法包括以下步骤：

a、构建单一链环的几何模型

根据设计需求和国标几何参数建立圆环链单一链环的几何模型，并记录单一链环参数，所述单一链环的几何模型为三维几何模型；

b、建立参数化圆环链几何模型

以单一链环为基础，以圆环链链环节数、单一链环参数为几何模型驱动参数，建立圆环链几何模型，用于模型显示；

c、建立圆环链参数化动力学模型

以单一链环质量、圆环链链环间运动副以及约束条件为参数，建立圆环链的参数化动力学模型，并施加载荷计算圆环链链环的运动参数；

d、对圆环链进行优化

根据圆环链链环的运动参数，查看圆环链链环的运动情况，对圆环链进行优化，以减小圆环链振动。

步骤a中，所述单一链环参数包括公称直径d、长度l、宽度w、节距p、质量m。

步骤c中，所述圆环链链环间运动副采用虎克铰1，所述圆环链链环的运动参数包括链环的位移、速度、加速度及链环间作用力。

步骤d中，优化变量为圆环链链环节数、单一链环参数，优化目标为圆环链链环的振幅大小。

当圆环链为锚链时，步骤c中，所述约束条件是指将圆环链首节链环固定约束，对圆环链末节链环施加长度方向预紧载荷、垂直方向正弦位移载荷。

本发明的原理说明如下：

本设计涉及一种圆环链的参数化动力学建模设计方法，以达到圆环链在设计中准确的动力学计算和链条的优化布置。设计方法首先建立单一链环几何模型，以此为基础建立了以链环数、质量、链环几何参数为驱动的参数化圆环链几何模型，然后建立了圆环链的参数化动力学模型，其中批量建立链环间的约束副，进而求解出圆环链的运动情况，最后以圆环链链环节数、链环几何参数、链环质量等为优化变量，以相同链环振幅大小为优化目标，求解出符合边界的圆环链布置长度。此方法避免了重复性的圆环链动力学建模计算，缩小了设计周期。

实施例：

参见图1，一种船用圆环链-锚链的设计方法，该方法包括以下步骤：

a、构建单一链环的几何模型

根据设计需求和国标几何参数建立锚链单一链环的几何模型，并记录单一链环参数，所述单一链环的几何模型为三维几何模型，几何模型及参数意义如图2、图3所示；

b、建立参数化锚链几何模型

以单一链环为基础，以锚链链环节数、单一链环参数为几何模型驱动参数，建立完整的锚链几何模型，如图4所示；

c、建立锚链参数化动力学模型

以单一链环质量、锚链链环间运动副以及约束条件为参数，建立锚链的参数化动力学模型，并施加载荷计算锚链链环的运动参数，如图5所示；

d、对锚链进行优化

根据锚链链环的运动参数，查看锚链链环的运动情况，如图6、图7所示，对锚链进行优化，以减小锚链振动。

步骤a中，所述单一链环参数包括公称直径d、长度l、宽度w、节距p、质量m。

步骤c中，所述锚链链环间运动副采用虎克铰1，将锚链首节链环固定约束，对锚链末节链环施加长度方向预紧载荷、垂直方向正弦位移载荷，该边界条件为锚链抛锚出链工况，所述锚链链环的运动参数包括链环的位移、速度、加速度及链环间作用力。

步骤d中，优化变量为锚链链环节数、单一链环参数，优化目标为锚链链环的振幅大小。

在本实施例中，锚链初始模型含20节链环，计算结果如图6所示，曲线显示：一方面，链环随着外部垂直方向载荷往复运动，振动周期与载荷相同；另一方面，每节链环自身会产生振动，振动周期约为0.5s。20节链环模型中，所取四节链环的最大振幅为724mm；如图7所示，为优化后的14节链环模型计算结果，其振动规律与20节链环模型相同，取相同链环，其最大振幅为675mm，振幅减小6.8%，质量减小30%。