锅炉虚拟样机

锅炉虚拟样机（共7篇）

锅炉虚拟样机 篇1

0引言

随着信息技术的不断发展,当今锅炉产品的设计已走向智能化、数字化、并行化和集成化的道路,锅炉虚拟样机成为近些年的研究热点。欧美等发达国家的锅炉制造企业已经开始采用锅炉虚拟样机逐步替代传统物理样机来进行新产品的设计、测试与评估,从而实现新产品的高效开发[1,2]。

我国针对锅炉虚拟样机的研究起步比较晚,发展也较为缓慢,由传统的二维设计方式转向基于三维模型的锅炉虚拟样机设计面临很大瓶颈[3,5]。首先是传统的锅炉产品设计流程臃肿、不规范,无法适用于锅炉虚拟样机设计。再者,锅炉虚拟样机设计过程中各类设计工具相互孤立,信息离散、封闭,资源共享与重用困难。大量的资料检索、设计思考都还依赖工程人员手工完成,导致产品的设计效率与设计质量难以保证[4]。

因此,在研究锅炉虚拟样机设计流程及所涉资源的基础上,提供协同统一的研发环境并有效集成企业现有资源,具有重要意义。本文对此提出了解决方法。

1锅炉虚拟样机设计流程与资源

1.1设计流程

锅炉虚拟样机设计流程主要分为性能设计、总体设计、布置设计与施工设计四个阶段,整个流程中包含串行、并行设计以及设计循环,如图1所示。第一阶段为性能设计,包括锅炉结构设计、热力计算、水循环计算、汽水阻力计算、烟风阻力计算、强度计算与材料管理等。第二阶段为总体设计,包括P&ID图绘制与KKS码表达、建立管道元件库与管道数据库、锅炉主框架定位等。第三阶段为布置设计,包括锅炉各部件三维建模、应力分析、虚拟装配、碰撞检查、生成布置图等。 第四阶段为施工设计,生成二维工程图,并将明细清单及数据等进行归档[5]。

1.2所涉资源

锅炉虚拟样机设计是一个综合的、协作的、连续的过程,具有全生命周期的特点。这个过程涉及团队/组织、工具集与信息三大类资源,如图2所示[6,7]。

团队/组织包括跨地域跨专业领域的专家、技术人员、决策人员以及用户等[7]。锅炉虚拟样机设计需要团队成员的广泛参与,他们之间需要进行实时信息交互。 工具集由各种专用计算程序、仿真分析工具、设计软件等构成,这些系统之间存在着大量的依赖关系,共同完成锅炉虚拟样机的设计、开发。信息主要由锅炉虚拟样机各类数据、模型与文档等构成,包括设计数据、仿真数据、设计模型、仿真模型、产品标准、技术指标、典型结构、计算方法、经验数据以及各种媒体数据等[4,7]。

2锅炉虚拟样机研发环境集成总体设计

锅炉虚拟样机研发环境主要由锅炉虚拟样机研发环境系统(Boiler Virtual Prototype Design Environment,BVPDE)、计算分系统、设计分系统、仿真分系统四部分组成,如图3所示[7]。

锅炉虚拟样机研发环境系统是整个平台中的核心部分,实施与管理锅炉虚拟样机设计流程(图1),集成、管理并调用各分系统,同时对各个分系统之间的信息交互进行控制。计算分系统由热力、强度、流体阻力等专用计算程序构成,提供锅炉性能计算能力,其结果提供给后续设计分析环节。设计分系统提供CAD/DFx、 PDMS、Xsteel、PE P&ID、Power Hanger等设计工具, 支持锅炉整机以及不同专业领域子系统的设计、开发。 仿真分系统提供强度、刚度、频率、温度场、流体场等仿真分析工具,通过仿真模型进行各子系统的协同仿真,分析锅炉各项性能、功能及行为,为设计提供依据和反馈信息[8]。

3锅炉虚拟样机研发环境集成实现

3.1系统架构

锅炉虚拟样机研发环境系统界面提供统一的人机交互环境。系统的业务逻辑部分是整个系统的核心,包含了系统管理、用户管理、项目管理、文档管理、产品设计、系统交互等功能模块。各项业务的执行与流转遵守锅炉虚拟样机设计流程(图1),由工作流引擎RRFlo Eng进行驱动。RRFlo Eng是一个基于XPDL(XML Process Definition Language,XML过程定义语言)的嵌入式的工作流引擎,能够对流程进行实例化、执行与监控。业务逻辑层通过系统接口层访问ftp文件系统、数据库,集成并调用各个工具,包括Auto CAD、PDMS、PDAE(Product Design & Analysis Environment,产品设计分析环境系统)等。ANSYS、 Nastran等仿真分析资源则通过PDAE的接口进行访问。 如图4所示。

3.2具体实现

3.2.1AutoCAD集成

A u t o C A D主要用于锅炉虚拟样机含接管尺寸的系统图和总体布置图设计。Auto CAD 2006及以上版本提供了.NET接口,包括acdbmgd.dll与acmgd.dll组件,利用VC# .NET框架可以进行二次开发。其中, a c d b m g d . d l l包含O b j e c t D B X托管封装类,它提供了Application Services、Editor Input和Runtime三个重要的命名空间。acmgd.dl1包含Auto CAD托管封装类,提供了Auto CAD常见控件以供使用。此外,Java自身包含Runtime类,它提供Command Method属性,用于定义可在Auto CAD中执行的托管程序。

将二次开发形成的Cims Cad Addin.dll组件(动态链接库)拷贝到Auto CAD安装目录下,同时修改support文件夹的acad2013.lsp文件。在Auto CAD启动时,使用NETLOAD命令加载组件并添加新的右键菜单。 acad2013.lsp部分关键命令如下:

Auto CAD集成模块(菜单)主要包括五项功能:锅炉产品结构设计参数查询、ftp参数配置、数据库参数配置、文件上传与文件下载。结构设计参数查询,显示锅炉总体需求与性能指标,包括锅炉类型、水循环方式、 燃烧方式、汽温调节方式与排渣方式等。这些参数可以由工程人员在BVPDE中进行配置并保存,供用户快速查阅。ftp参数配置,用于锅炉虚拟样机文件系统的连接参数设置。数据库参数配置,用于数据库服务器的连接参数设置,同时验证用户权限。文件上传与下载,是在用户通过权限验证后,允许用户上传文件到锅炉虚拟样机文件系统,或从中下载文件。如图5所示。

3.2.2PDMS集成

PDMS系统主要用于锅炉虚拟样机钢结构、支吊架、管道、烟风道、集箱与受热面等三维模型设计以及锅炉整机装配、碰撞检查等。PDMS12.0.SP6及以上版本同样提供了.NET接口,包括Aveva.Application Framework. dll和Aveva.Application Framework.Presentation.dll。

Aveva.Application Framework.dll组件包含几个重要的类。

1)Addin Manager:提供对程序框架插件管理的属性和方法。

2)Service Manager:定义程序框架发布服务的接口。

3)Settings Manager:提供程序设置管理的属性和方法。

Aveva.Application Framework.Presentation.dll组件包含几个重要的类。

1)Command Bar Manager:提供使用PDMS菜单和命令栏的能力,还可以从用户接口文件( User Interface Customisation )中载入菜单和命令栏定义。

2)Command Manager:定义接口来管理命令对象,这些命令对象是与工具条或其它用户接口相关联的对象。

3)Resource Manager:是一个对本地资源文件的管理类。

4)Window Manager:提供访问窗口、状态栏和一系列MDI的方法,也提供了使用这些窗口以及控件的方法。

针对PDMS三维建模的功能模块,采用可编程宏语言(Programmable Macro Language,PML)实现。它是一种专门针对PDMS的编程语言,允许以命令的形式进行PDMS操作,并对PDMS模型进行参数化设计。PML通过其特定语法和规则,对模型名称、定位点、尺寸等信息进行编程,快速实现数据抽取、模型修改和图表绘制等多种功能。

类似的,将二次开发形成的Cims Pdms Addin. d l l组件拷贝到P D M S安装目录下,同时在P D M S的Design Addins.xml文件中添加该组件,并在PDMS中定制相应菜单。该菜单包括五项功能:锅炉产品三维建模、ftp参数配置、数据库参数配置、文件上传与文件下载。锅炉产品三维建模,用于建立PDMS三维模型,包括筒体、管道、集箱、受热面、烟风道、钢结构以及支吊架等。其他几项功能与Auto CAD一致,不再赘述。如图6所示。

3.2.3PDAE集成

PDAE是由同济大学CIMS中心自主研发的面向我国设备制造企业的产品设计分析管理软件,可用于锅炉虚拟样机性能计算及仿真分析。PDAE含分布式计算资源管理服务模块,可以对锅炉专用计算资源和CAE仿真工具等进行集成与调用,并反馈结果。

1)ANSYS集成:

ANSYS提供批处理运行模式可以支持它在后台运行,通过APDL(Ansys Parametric Design Language)语言实现从建模、加载分析到求解计算整个过程的参数化。利用Java对APDL进行封装,并通过Java Runtime类的Runtime.get Runtime().exec()方法调用ANSYS程序并传递APDL宏文件进行参数化[9]。

2)Nastran集成:

Nastran的集成与调用主要利用Java对象序列化技术与Servlet技术实现。通过Java可序列化对象(实现Serializable接口),向远程服务器端发送HTTP请求。服务器端容器中的servlet在监听到连接请求后,获取可序列化对象,调用Nastran进行分析计算,并根据计算结果重置该对象相应字段[10]。

PDAE集成模块实现的功能主要有以下五项:计算/ 仿真资源管理、ftp参数配置、数据库参数配置、文件上传与文件下载。计算/仿真资源管理,完成热力、流体阻力等专用计算程序与ANSYS、Nastran等仿真工具的集成、管理与调用,并将计算或仿真结果提交到BVPDE系统。其他几项功能与Auto CAD一致。如图7所示。

4结束语

本文研究了锅炉虚拟样机设计流程与涉及的团队/ 组织、信息以及工具集三大类资源,提出了锅炉虚拟样机研发环境集成的总体设计方案,设计了系统的总体架构并实现了Auto CAD、PDMS与PDAE等系统的集成, 为锅炉企业规范设计流程、集成现有资源、提高设计效率提供有效支持。下一步还要对锅炉虚拟样机关键技术进行更深入的研究,并结合系统实际应用效果与反馈,不断完善软件系统。

参考文献

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虚拟样机技术的发展与应用 篇2

1 虚拟样机技术的基本概念

虚拟样机技术是一门综合多学科的技术, 它的核心部分是多体系运动学与动力学建模理论及其技术实现。

虚拟样机技术 (Virtual Prototyping, VP) 是指在产品设计开发过程中, 将分散的零部件设计和分析技术融合在一起, 在计算机上建造出产品的整体模型, 并针对该产品在投入使用后的各种工况进行仿真分析, 预测产品的整体性能, 进而改进产品设计、提高产品性能的一种新技术。

在传统产品设计过程中, 机电产品的设计者会使用一个顺序方法, 例如机械工程师首先建立一个基础的设计, 然后这项设计被送往电气工程师, 最后是控制和软件工程师。在设计完成后, 为了验证设计, 通常要制造样机进行试验, 来证明设计理念、评估设计、测试产品的可制造性、更多仅仅是为了呈现一个产品。有时这些试验甚至是破坏性的, 成本昂贵。当通过试验发现缺陷时, 又要回头修改设计并再用样机验证。只有通过周而复始的设计——试验——再设计的过程, 产品才能达到要求的性能。这种传统设计过程中没有体现各部门的交流和协作, 每个部门都是相互独立的。

为了能用电子手段替代样机, 必须首先提供虚拟实体模型, 并且和实体模型有同样甚至更多的功能。以此为导向, 虚拟样机应该能被用来“测试”产品的造型、性能。与此同时提出了虚拟样机的概念。

近年来随着CAX/DFX技术的发展, 在产品开发过程中把分析作为设计的驱动, 提出Design Driven by Analysis的概念已逐步从概念走向参数化建模虚拟样机技术的研究和应用, 实现了产品开发全过程的电子化, 改变了传统的设计观念, 产品开发过程也随之发生了变化, 从设计-样机制造-试验走向了设计-仿真, 把物理样机制造放在最后, 量化生产, 真正实现了产品设计的数字化时代。

仿真利用计算机可视化和面向对象的手段模拟机械系统的动态特性, 帮助研究人员了解工作空间的形态及极限, 揭示机构的合理运动方案及有效的控制算法, 从而解决在机械系统设计制造以及运行过程中的问题避免了直接操作实体可能会造成的事故或者不要的损失。这种数字化的设计方法使机械、电器、控制和软件工程师同时参与到整个设计环节中。

虚拟样机技术融合了先进的建模仿真技术、现代信息技术、先进设计制造技术, 并将这些技术应用于复杂产品的整个生命周期。与传统的产品设计技术比较, 虚拟样机技术强调系统的观点、设计产品整个生命周期、支持对产品全方位的测试、分析预评估、强调不同领域的虚拟化协同设计。

在产品的整个设计生产过程中虚拟样机代替物理样机完成了整个设计流程中样机的测试。因此, 虚拟样机技术在测试过程中具备了许多细节上的优势。

(1) 在相同的时间里可以“试验”多种设计方案。

(2) 虚拟样机代替物理样机可进行多种危险性或破坏性试验。

(3) 避免了物理样机的试制环节, 降低了设计费用, 缩短了产品开发周期。

(4) 缩短了产品开发后期的设计更改。

产品模型分析和评价是虚拟样机技术的核心, 在产品开发过程中主要表现为: (1) 产品可制造性分析, 包括可装配性、可维护性、可加工性分析等。通过在虚拟环境下观察、分析和操作产品模型及其相关的过程模型, 评价产品制造方面的信息, 并做出设计决策。 (2) 产品性能评价, 包括对产品几何形状、空间布局、人机工程学性能、静态性能、动态性能等的评价。

2 虚拟样机的组成

通常, 虚拟样机应该包括如下三个主要模块。

(1) 3D立体模块:具备完善的物理模型描述能力。

(2) 人际交互模块:虚拟样机技术以虚拟现实技术为基础, 实现产品模型的逼真显示、动画仿真和人机交互。

(3) 测试评估模块:产品模型分析和评价是虚拟样机技术的核心, 主要包括产品可制造性分析和产品性能评价, 例如产品几何形状、空间布局、结构学分析、动力学分析、可加工性分析、可装配性分析、可维护性分析等等。

3 虚拟样机的软件化

1960年, 美国通用汽车公司研制了一个动力学分析软件——DYANA (Dynamic Analyzer) , 主要用于解决多自由度无约束的机械系统的动力学问题, 研制者用该软件进行了车辆的“质量-弹簧-阻尼”模型分析。对机构动力学进行仿真的软件主要有NUBEMM、SYM、CAMS、AUTOLEV、D I S C O S、D A D S、N E W E U L、D Y M A C、ADAMS、DAMS、EASY5等等。

近年来, 随着计算机硬件和软件技术的不断发展以及工程应用的推动, 商业化软件日趋成熟。众多的多体动力学软件都相继推出了市场, 而ADAMS、DADS、EASY5仍然在市场上有上佳的表现, 并且都有所发展, 特别是美国ADAMS软件在国内外应用都很广泛。

4 虚拟样机技术在国内外的应用

作为一项先进设计、制造技术, 虚拟样机技术在工业中广泛应用于汽车制造、工程机械、航天航空、国防工业以及通用机械制造业等诸多领域。

在国外, 虚拟样机技术的应用非常广泛, 特别是成本高、系统复杂的飞机制造业对虚拟样机的需求最为迫切。1994年B oeing777在世界上首次借助虚拟样机技术成功取代大型物理模型, 保证了机翼和机身的一次接合成功, 缩短了数千小时的研发周期, 开创了虚拟样机技术研究应用的先河。1997年美国克莱斯勒汽车公司开发了“克莱斯勒数据可视化”仿真软件平台, 在对新产品“98”型汽车进行检查时, 发现了1500处零部件的干涉情况, 制作第一个实物模型前改进了大量的设计错误, 大大地缩短了产品设计周期。

在我国, 虚拟样机技术的应用尚处于起步阶段, 但是正在逐步引起重视, 并将得到应用和推广。许多科研人员已在航天、航空、汽车、铁路机车等行业, 针对一些复杂产品开发, 开展了虚拟样机技术的应用研究工作。典型例子如航天部上海航天局第805研究所, 在1996年3月利用虚拟样机分析软件ADAMS, 完成了外翻式对接机构虚拟样机的开发工作, 利用三维动画形象地演示对接过程, 预测了空间站外翻式对接机构的性能和设计合理性, 实现了“空间站外翻式对接机构”的动力学仿真研究。中航第一飞机研究院成功推出了国内首架飞机全机规模电子样机。863项目“月球表面探测机器人方案研究”则运用虚拟样机技术构造虚拟月球面计算仿真环境, 并对涉及到的多项关键技术进行了深入研究, 取得了很好的成果。

5 虚拟样机技术的未来

虚拟样机技术的目标是替代物理样机, 它可以大大改善当前产品的开发过程。制造商将虚拟样机技术引入各自的产品开发中, 取得了很好的经济效益;科研机构和大学也纷纷开展虚拟样机技术的应用研究。但是虚拟样机技术仍需在以下几个方面不断完善。

(1) 集设计、分析和仿真工具于一体。

现在还没有一种完美的方法来完成各种工具中数据的交换, 主要研究方向可能是产品数据的展示以及数据库。需要一种新的方法来完成各方面的整合, 使操作变得更加便利。

(2) 虚拟样机技术对产品可制造性分析和产品性能评价。

因为产品的可制造性包括可装配性、可维护性、可加工性分析, 这些不是很容易界定, 如何去测试这些方面, 仍然是一个需要解决的问题。虚拟样机技术的使用提供了一个有希望的途径。例如, 一个产品的可维护性可以通过一个一体化维护技师在虚拟的环境中来完成维护任务而被量化。然后, 将不同设计方案的可维护性进行比较, 得出结果。

(3) 虚拟样机系统的容错性。

当前的虚拟样机技术的方法和工具与物理样机间存在误差, 这种误差可能由于计算时间的延迟、图像处理时间的延迟以及用户在虚拟环境中操作的不确定性, 产品数据也会在各种平台的交换中损坏。因此需要一个容错虚拟仪器系统, 以确保虚拟仪器给出可靠的工程测试数据。

(4) 以虚拟样机技术为基础的优化设计。

如果产品各个属性都可以通过虚拟样机被充分地描绘出来, 可以获得一个量化的最优化设计。然而以虚拟样机技术为基础的优化设计展示了对传统优化设计方法的一个新的挑战。首先, 基于虚拟样机技术的优化必须非常有效地来确定最合适的设计, 因为在目前到可预测的未来虚拟样机技术是计算密集型技术。其次, 优化设计通常包括不同学科的多重设计目标, 因此它可以明确的解决各学科的优化问题。最后, 基于虚拟样机优化设计不得不考虑虚拟样机可能出现的错误, 获得的优化必须足以应对固有的模型误差和计算误差。当今的以仿真为基础的优化设计和多学科优化方法可能促进基于虚拟样机优化设计。

6 结语

21世纪, 产品结构日益多样化和个性化, 低周期、低成本、高质量以及灵活的市场反应能力成为了竞争的重点。用虚拟样机技术可在最短的时间, 以最少的成本推出质量最好的产品, 因而虚拟样机技术必将得到广泛的应用及推广。虚拟样机软件发展所面临的问题, 也将随着技术的日渐成熟而得以解决。

参考文献

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港机虚拟样机动力学仿真分析 篇3

近半个世纪以来, 国外在港机结构、控制及系统动力学等方面取得丰硕研究成果[1,2]。Z.N.Masoud建立了起升机构的多绳动力学模型, 采用延时反馈控制技术对其进行控制研究并取得了良好效果[3,4]。A.ALouani等开发了一种用于控制起重机吊物位置偏摆的模糊逻辑控制器, 使系统工作性能更稳定[5]。喻艳、苏晴、卢耀祖、徐杰[6~9]分别利用Adams、ANSYS、Solid Works等分析软件建立了相应的岸桥样机模型, 并在应力变化、动载荷等方面做了大量研究。

目前虚拟样机在港机的应用主要是利用专业三维建模软件建模, 或者再利用专业有限元分析软件生成柔性体, 最后将其导入到软件模型中添加约束进行动力学计算分析。但此方法只能针对特定型号特定尺寸的模型进行分析, 当需要更改模型中任何尺寸时, 必须重新建模, 费时费力, 而且无法进行优化设计, 所以难以改进模型, 更无法实现自动化分析, 因此存在很大局限性。现有研究成果对钢丝绳建模的简化也削弱了其工程意义。此外, 除文献[10]模拟分析了风载荷下港机的动态性能外, 其他研究多数都忽略了实际中的风载荷对系统工作性能的影响, 因而未涉及风载荷作用下港机的动态响应。

本文在前人研究成果的基础上, 全面分析了港机工作特性, 特别是现有研究成果中相对薄弱的钢丝绳和风载荷的动力学行为, 构建了更贴近工程实际的钢丝绳及风载荷参数化模型。在此基础上, 借助Adams二次开发接口及其参数化建模功能, 完成了在有风工况下港机金属结构、大车系统、小车系统、起升机构等部件的动力学行为参数化, 实现了港机虚拟样机的模拟实验。

1 港机动力学模型

1.1 钢丝绳

由于钢丝绳的几何结构复杂且难以简化、动力学行为相对复杂, 现有的建模方法计算结果都与工程实际存在较大差距。在综合对比分析及试算的基础上, 本文采用虚拟圆柱-轴套力方法构建钢丝绳动力学模型, 通过定义力和力矩的6个分量 (Fx, Fy, Fz, Tx, Ty, Tz) 在两个构件之间施加一个柔性力。轴套力可用下式计算:

式中:F, T—力和力矩;R, θ, V, θ—两构件之间的相对位移、转角、速度、角速度;K, C—刚性和阻尼系数;下标x, y, z—X, Y, Z方向;下标x0, y0z0—X, Y, Z方向的初始值。

轴套力相关参数按照下式确定:

式中:K11—拉伸刚性因子;K22、K33—剪切刚性因子;K44—扭转刚性因子;K55、K66—弯曲刚性因子;Er、G—钢丝绳的弹性模量和剪切模量;A、D、L—钢丝绳的截面积、直径以及钢丝绳每段长度;I—每段钢丝绳的惯性矩。拉伸阻尼因子对系统运动性能影响不大, 可以采用默认参数。扭转阻尼因子对运动影响不可忽视, 根据情况取1~10之间的数值。

1.2 风载荷

港机一般都是在港口、码头露天环境下作业, 通常没有很好的防风措施。因此, 很容易受到风载荷因素的影响, 所以设计港机时风载荷是不可忽略的重要因素, 风载荷可按下式计算[11,12]:

式中Cf—风力系数, 风力系数表可查阅有关手册;Vs—设计风速, 初步设计时取20m/s;A—结构部分有效迎风面积。风载荷方向的确定采用Adams提供的SIGN函数, 其格式为SIGN (X1, X2) , 是个符号函数。当X2≥0时, SIGN函数返回的值为X1;当X2<0时, S I G N函数的返回值为-X1。

假设两个物体发生碰撞, 则其法向接触力Fn可用下式表示:

其中K—刚度系数;Δ—碰撞物体变形量, 或者为侵入深度;E—渗透深度的指数, 简称刚性指数;D—阻尼系数;—两个物体的相对速度。

用阶跃函数step函数表示黏性阻尼模型, 其阻尼系数的计算公式为:

式中:C—最大阻尼系数, 用于表征接触能量损失;D—使阻尼达最大值时的侵入深度。

在Adams中可以用IMPACT函数来实现该模型。IMPACT函数模型的计算公式如下所示:

通过以上分析, 得到了其碰撞力完整表达式:

式中x1-x是变形量, 当x>x1时两物体不发生接触, 其接触力为零;当x≤x1时, 两物体发生接触, 其碰撞力大小与刚度系数K、变形量x1、接触指数e、最大阻尼系数Cmax、阻尼完全作用时变形距离d有关。

根据赫兹弹性接触理论, 在接触体形状不过于复杂的情况下, 如圆球面或圆柱面时, 可以由材料的杨氏模量、泊松比推导出适合冲击模型的接触刚度系数与刚度指数。以两个球体的接触为例, 根据赫兹弹性接触理论, 接触面为圆球面时, 法向接触力P与变形δ之间有如下关系:

式中, R1和R2分别为两接触物体在接触点的接触半径;;μ1, μ2分别为两物体材料的泊松比;E1, E2分别为两接触物体材料的杨氏模量。

1.3 多刚体系统动力学方程

运用拉格朗日方法, 建立钢丝绳以外的其他部件的多刚体动力学模型。

采用刚体Bi的质心笛卡尔坐标和反映刚体方位的欧拉角作为广义坐标, 即qi=[x, y, z, ψ, θ, ϕ]iT, q=[q1T, q2T, L, qnT]T。每个刚体用6个广义坐标描述。由于采用了非独立的广义坐标, 系统动力学方程虽然是最大数量, 但却是高度稀疏耦合的微分代数方程, 适用于稀疏矩阵的方法高效求解。由此建立系统动力学方程:

式中:T—系统动能;q—系统广义坐标列阵;Q—广义力列阵;ρ—对应于完整约束的拉氏乘子列阵;μ—对应于非完整约束的拉氏乘子列阵。

(9) 式中φ (q, t) =0为完整约束方程, 为非完整约束方程。 (9) 式可改写成更一般的形式:

其中, v=-Φt (q, t) 为速度右项;为加速度右项;分别为系统位置、速度、加速度向量;λRm为拉格朗日乘子向量;t R为时间;M (q, t) Rn×n为系统惯性量矩阵;Φq (q, t) =∂Φ/∂q Rm×n为约束J a c o b i a n矩阵;为外力向量;为位置约束方程。

2 港机参数化模型

2.1 钢丝绳参数化模型

钢丝绳参数化模型的构建是港机虚拟样机模型中的主要难点。本文构建的钢丝绳参数化模型不仅能很好的模拟出钢丝绳的拉伸、弯曲、扭转等性能, 而且还能实现钢丝绳长度的参数化, 这对于建立港机动力学自动化分析系统是至关重要的。港机钢丝绳主要用于小车牵引、起升和俯仰缠绕机构中采用轴套力算法, 借助Adams构建钢丝绳参数化模型如图1所示。

2.2 整机参数化模型

在完成钢丝绳、金属结构、大车系统、小车系统、起升机构等参数化模型的基础上, 利用Adams提供的位置、方向约束函数将各部件装配成整机, 再添加相关的约束、负载、初始条件等。各部件之间相关的位置关系也需要利用驱动参数来实现。因而, 当港机型号或尺寸改变时, 只要给出各部分准备的定位尺寸, 就能实现各部件之间精确的定位。装配上机器房, 集装箱便得到了港机整机参数化模型。

3 港机的虚拟样机动力学分析

3.1 原始数据及工况分析

某型港机经量纲一化处理后的主要参数如表1所示[13]。

港机依靠大车运行机构频繁运动实现整机沿码头作水平运行, 通过起升机构和小车机构的运动来实现集装箱的升降以及来回运动, 从而完成货船集装箱的装货和卸货。港机最常见的故障有啃轨、金属结构出现裂纹、整机颠覆等[10]。发生啃轨的原因主要与车轮的压力、车轮材料的强度、耐磨性等因素相关。啃轨不仅影响岸桥整机的工作效率, 对各个部件的寿命也会产生严重影响。金属结构出现裂纹和材料强度、各部件连接处受力大小相关。发生整机颠覆不仅会损坏整座港机, 造成巨大的经济损失, 而且还可能危害工作人员的生命安全。因此, 车轮轮压, 前后拉杆拉力, 整机稳定性对港机的设计有重要意义。此外, 在风载荷作用下港机的工作性能的变化也是不容忽视的。

3.2 整机虚拟样机

图2 (a) 所示的整机参数化几何模型只具有构件的几何外形、结构尺寸、材料、重量等属性。要完成整机的运动学和动力学分析, 除几何属性外, 还需要构件的物理特性和状态, 包括转动惯量、惯性积、初始速度、初始位置和方向、各个部件之间的约束关系、限制部件之间的相对运动, 并集成为一个虚拟样机系统。

当进行大车、小车或者小车、起升联合运动分析时, 用step函数施加驱动时使其在静止时段内运动速度为零, 实现固定。在对图2 (a) 所示的整机几何模型基础上添加了约束、碰撞接触、运动驱动后, 建立港机整机的虚拟样机模型, 如图2 (b) 所示。

3.3 虚拟样机动力学分析

经量纲一化处理后的小车工况如表2所示。

小车钢丝绳上各方向随的量纲一力随量纲一时间变化结果如图3所示。

小车在无风 (D3) 和平行钢轨方向来风 (E2) 两种工况下钢丝绳合力以及X, Y, Z三个方向上分力的变化情况如图3所示。由图3可知:风载荷的作用主要使钢丝绳Z方向受力产生显著变化, X和Y方向受力状况与无风时相比变化很小。无风的时候Z方向受力为零, 在风载荷作用下钢丝绳Z方向的受力来回波动, 但由于其值相对其他方向受力值小1-2数量级, 故对钢丝绳合力影响也很小。

采用相同的方法, 可以获得不同风向等各种工况下小车、大车、起升机构、大小车与限位卡碰撞、各部件联合作用下的所有动力学参数。限于篇幅, 不再赘述。

4 结论

本文选取港机为研究对象, 对其各组成单元进行参数化建模, 以此为基础构建整机的虚拟样机模型。对于给定工况下虚拟样机各单元及整机系统的动态参数进行了数值仿真。数值仿真结果表明:本文所构建的港机动力学虚拟样机能较精确地计算出系统各主要动态参数, 由此可实现港机的快速动态设计。由于本文研究是在工程需求的背景之下完成的, 因此, 本文研究成果具有较强的实用意义。

摘要：本文研究了港机结构与动态特性, 分析了钢丝绳等关键部件及风载荷的动力学行为, 以前伸距、后伸距、大车轨距、小车轨距、联系横梁下净空高、前大梁总长、后大梁总长、门架净空高、左右海陆立柱中心距、梯形架高、梯形架宽、车轮半径等主要参数为基础, 构建了港机的虚拟样机模型。借助Adams对虚拟样机的金属结构、大车、小车、起升机构等关键部件进行了多种工况的模拟试验。得到了港机工作过程中各主要部件的动力学数据, 为实现港机的动态设计提供了重要的参考依据。

锅炉虚拟样机 篇4

齿轮传动系统是机械设备中应用最广泛的动力和运动传递装置,其力学性能及运动特性对机器设备有重要影响。通过掌握齿轮在啮合过程中的动力学特点可以对齿轮系统进行故障诊断、啮合冲击力计算及振动分析、校核验算。本文基于虚拟仿真技术对齿轮啮合进行仿真研究。

1 直齿轮模型建立

为简化模型,假定两齿轮都为直齿圆柱齿轮,设定齿轮副参数见表1。

利用UG中的表达式功能绘制齿轮的渐开线,利用曲线功能绘制基圆、分度圆、齿根圆、齿顶圆,修剪曲线建立轮齿齿槽曲线。利用拉伸、阵列等命令建立单个齿轮模型,利用装配功能使两齿轮啮合,齿轮模型如图1所示 。

2 动力学模型建立

对于齿轮传动,ADAMS有两种不同的定义方式:通过齿轮运动副定义和通过两齿轮间的接触定义。

2.1 通过齿轮副法建立动力学模型

在ADAMS中可通过定义齿轮副模拟齿轮传动,如图2所示,齿轮副关联两个运动副和一个方向坐标系,这两个运动副可以是旋转副、滑移副或圆柱副,通过它们的不同组合,就可以模拟直齿轮、斜齿轮、锥齿轮、行星齿轮、蜗轮-蜗杆和齿轮-齿条等传动形式。除以上要求以外,还要求这两个运动副关联的第一个构件和第二个构件分别为齿轮1和共同件,齿轮2和共同件,共同件是齿轮的载体。

本文中共同件选择大地,运动副1和2都为旋转副,定义时要先选择齿轮,再选择共同件。另外定义方向坐标系即在ADAMS中建立一个Marker点固定在大地上,Z轴方向要指向齿轮啮合方向,坐标在两齿轮的啮合点上,具体可通过传动比及两齿轮的中心坐标计算。为简化虚拟样机模型,齿轮与轴之间采用固定副连接,在输入轴即小齿轮轴上添加转速40°/s,如图3所示。

2.2 通过接触法建立动力学模型

当两个构件的表面之间发生接触时,这两个构件就会在接触的位置产生接触力。由ADAMS的接触函数可以看出接触力的定义:

undefined

其中:K为刚度系数;n为接触指数;x为接触距离;x1为接触函数的距离变量;cmax为阻尼函数;d为阻尼率达到最大所要经过的距离。当接触距离x小于接触函数的距离变量x1时,产生接触力;当接触距离x大于接触函数的距离变量x1时,接触力为零。

接触刚度的表达式为:

undefined。 (1)

undefined。 (2)

undefined。 (3)

其中:R1、R2分别为碰撞接触点处两物体的曲率半径;E1、E2分别为两种材料的弹性模量;μ1、μ2分别为两物体材料的泊松比。

设两齿轮的材料均为45钢,其泊松比μ1=μ2=0.29,弹性模量E1=E2=209 GPa,取R1、R2为轮齿分度圆处的曲率半径,代入式(1)～式(3)可得R=23.08 mm,E=112 GPa,K=4.04×105N/mm。

在IMPACT函数中最大切入深度dmax的作用在于两物体接触后,当两物体的刺穿深度δ>dmax时,令非线性弹簧阻尼系统中的阻尼大小为cmax;当0<δ

undefined。 (4)

其中:v为齿面啮合碰撞速度,v=21.6 mm/s;M为啮合点两齿廓面曲率半径对应的两圆柱体的综合质量, M=0.48 kg。将有关参数代入式(4),计算得δ=0.064 mm。

碰撞恢复系数e是碰撞过程中的能量损失,常用牛顿恢复系数表示,通过实验和数值分析的方法得出e的近似公式如下:

undefined。 (5)

其中:undefined为材料的屈服强度, Y=355 MPa,ρ为材料的密度,ρ=7 800 kg/m3;齿面啮合碰撞速度v=26.1 mm/s。将已知参数代入式(5)得e=0.2。

阻尼计算公式如下:

undefined。 (6)

其中:a为非线性阻尼力幂指数,a=2。将已知参数代入式(6)计算得c=36 N·s/mm。

确定各参数后,将各参数输入设置齿轮接触系数,假设无摩擦力。和用齿轮副建立模型一样,齿轮与轴之间采用固定副连接,在输入轴即连接小齿轮的轴上添加转速40°/s,定义的齿轮传动如图4所示。

3 动力学仿真及结果分析

对两种不同的定义方法,仿真时间t都设置为5 s,步数设置为50,选择分析类型为Default,进行计算。分别得出在不同仿真方法情况下主动轮及被动轮转速图,如图5和图6所示。

由图5、图6可以看出:当主动轮输入转速为40°/s时,通过齿轮副法建立的模型,从动轮速度一直为25°/s;通过接触法建立的模型,从动轮转速在仿真开始时会从0快速达到25°/s,之后稳定在25°/s左右。而由齿轮传动比计算公式可得出从动轮的转速为25°/s。但由于真实情况下被动轮不可能瞬间达到理论转速,而是在啮合刚开始时受到一个较大的冲击激励,故通过接触定义的齿轮传动更接近于真实情况。

在ADAMS/Postprocessor下,可得出通过接触法建立模型两齿间的啮合力大小,其圆周力时域图如图7所示。故通过接触法建立的直齿圆柱齿轮动力学模型相对于齿轮副法建立模型,能得到更多齿轮啮合的动力特性。

4 斜齿轮动力学模型仿真

通过对直齿圆柱齿轮进行动力学分析,找到了定义齿轮啮合的简捷方法,现使用相同的建模定义方式建立斜齿轮动力学模型,以系统地验证接触法的正确性,斜齿圆柱齿轮参数见表2。

通过接触法定义两齿轮啮合,如图8所示。

仿真时间t设置为5 s,步数设置为50步,选择分析类型为Default,进行计算。分别得出该斜齿轮啮合的圆周力、径向力、轴向力(因篇幅所限,未给出图示)。

5 结论

(1) 与用齿轮副法定义齿轮传动所得到的转速图相比,通过接触法定义齿轮传动所得到的转速图更符合实际工况。

(2) 用齿轮副法定义齿轮传动不能得出轮齿间的啮合力,而用接触法定义齿轮传动可以得出啮合力的时域图。故用接触法定义齿轮传动能给齿轮强度计算等后续工作提供有力的数据依据。

(3) 用齿轮副法定义齿轮啮合传动过程较复杂,而接触法更适用于大型齿轮箱的动力学分析。

摘要：建立了齿轮啮合的虚拟样机模型,提出了两种基于ADAMS的齿轮啮合动力学特性研究方法,利用这两种方法对建立的模型进行刚体动力学分析,得出仿真结果并与解析计算结果进行对比分析,以论证两种方法与实际工况是否相符。通过建立斜齿轮动力学模型验证这两种方法的正确性,并判断两种方法的利弊。

关键词：齿轮,ADAMS,动力学分析,虚拟样机

参考文献

[1]李增刚.ADAMS入门详解与实例[M].北京:国防工业出版社,2006.

[2]郑建荣.ADAMS-虚拟样机技术入门与提高[M].北京:机械工业出版社,2001.

[3]陈立平,张云清,任卫群,等.机械系统动力学分析及ADAMS应用教程[M].北京:清华大学出版社,2005.

[4]濮良贵,纪名刚.机械设计[M].北京:高等教育出版社,2006.

[5]柴建平,白硕玮.基于UG和ADAMS的斜齿轮动力学仿真[J].煤矿机械,2011(4):77-78.

锅炉虚拟样机 篇5

手枪在击发时,由于枪管内强大的火药气体作用在套筒上,迫使套筒后坐,套筒后坐到位时与套筒座发生碰撞,产生一个瞬间冲量,形成了一个很大的后坐力,该力与虎口握把受力点不在同一个轴线上,会与手持握力点形成一个迫使手枪回转的力矩,导致枪口上跳,影响射击精度,从而降低了手枪的作战效能。从原理上分析,该原因造成的枪口上跳是不可避免的,但是我们可以在枪管前部设计出一套能量迁移机构来减小后坐的能量,达到减小手枪后坐力的目的,从而提高手枪射击的精度。本文利用SolidWorks软件和ADAMS软件仿真测量出某手枪射击时枪口上跳的角度,为下一步设计手枪能量迁移机构、减小手枪后坐力、提高射击精度、减小枪口上跳角度提供原始数据和理论基础。

1某型手枪的工作特点和结构原理

该手枪为自由枪机式,枪管短后坐,套筒在击发时后坐,靠套筒完成开锁并压缩复进簧,同时完成拉壳与抛壳动作。该手枪是9 mm大威力手枪,使用9 mm巴拉贝姆弹,弹丸在枪管的行程为94.5mm。根据内弹道理论,在MATLAB软件中编写程序,采用四阶龙格—库塔算法算出时间-膛压曲线如图1所示。

手枪弹膛压力作用在套筒上,使套筒完成后坐动作。

2三维实体建模与仿真

用SolidWorks软件对该9 mm手枪进行建模和装配,在SolidWorks软件中装配好的手枪模型见图2。

3 ADAMS仿真

3.1 虚拟样机模型的假设

在ADAMS软件仿真过程中,没有必要对所有动作都进行考虑,本文的重点就是用扭转弹簧模拟射手对套筒座的握力,仿真该手枪后坐过程中枪口的上跳对射击精度的影响,所以在达到仿真目的的同时,应尽量地简化仿真模型。对该模型的基本假设如下:①忽略套筒后坐时空枪挂机对套筒后坐的影响;②忽略击锤击打击针的影响;③用扭转弹簧模拟4根手指对套筒座的握力;④不考虑柔性体对运动的影响。

3.2 9mm手枪虚拟样机仿真模型

将装配好的三维实体模型从SolidWorks软件中以Parasolid(*.x_t)格式导出,再将导出的文件导入到ADAMS软件中,并对该手枪模型的各零件进行物理信息的定义,其中包括手枪各零件名称的修改、模型材料属性的修改,将不影响仿真运动的机构用固定副或布尔求和约束其运动。ADAMS/View中的样机模型如图3所示。

3.3 虚拟样机仿真模型的约束和运动副的选择

本仿真主要考虑手枪套筒后坐过程中产生的迫使手枪回转的力矩导致的枪口上跳,它影响了射击精度。在套筒与套筒座之间加一个移动副,枪管与套筒之间添加一个Contact接触,套筒与复进簧导杆之间添加一个弹簧,枪管与枪管轴之间添加一个Contact接触,枪管轴与套筒座之间添加一个固定副,击针与击针限制板之间添加一个固定副,击针限制板与套筒之间添加一个固定副,击锤与击锤轴之间添加一个旋转副,击锤轴与套筒座布尔求和,击针限制板与击锤之间添加一个Contact接触,击锤与套筒座之间添加一个Contact接触,套筒座与地面之间添加一个转动副;此外,在套筒座转动副中心添加一个扭转弹簧,在套筒上添加9mm手枪弹内弹道力。

3.4 仿真结果分析

将约束和驱动力加载到仿真模型上,设置好合理的仿真时间和步长,以及合适的弹簧刚度和阻尼系数。枪口上跳角度的仿真曲线如图4所示,套筒受力曲线如图5所示。

由图4可知:在套筒刚开始后坐时,枪管几乎不发生上跳,在0.010 7s时,枪口上跳角度达到最大,为8.139°。

由图5可知,在0.000 15s时,套筒上的作用力最大,达到11 374N,随后在复进簧的作用下,套筒上的作用力开始降低,在0.000 482 5s时有一个突变,这是套筒撞击套筒座造成的,随着后坐到位,套筒上的作用力逐渐降低为0。

4 总结

通过ADAMS软件可以仿真测出在手枪射击时枪管上跳的角度,为下一步笔者在套筒座上设计能量迁移机构以减小手枪后坐和枪口射击上跳、提高射击精度提供了原始数据。

摘要：手枪射击精度对手枪的战斗性能起着至关重要的作用。为分析某手枪在射击时各零部件的运动和受力特点,通过SolidWorks软件对该手枪进行零件建模和装配,将装配好的模型导入ADAMS软件中,建立虚拟样机模型,仿真该手枪射击过程,测量出枪口上跳角度,分析上跳角度对手枪射击精度的影响,为进一步设计手枪能量迁移机构、在手枪射击时减小后坐力和枪口上跳提供原始数据,为提高手枪的射击精度奠定基础。

关键词：枪口上跳,射击精度,虚拟样机,ADAMS

参考文献

[1]袁点.微后坐冲锋枪迁移式自动机参数匹配技术研究[D].太原:中北大学,2014:25-26.

[2]陈明,马吉胜,刘宝源.某型机枪自动机动态仿真分析[J].火炮发射与控制学报,2008(4):59-61.

[3]曹红松,郭武奎,刘嘉平,等.勃朗宁9mm大威力手枪自动机运动仿真分析[J].电脑开发与应用,2005,18(9):548-549.

虚拟样机技术研究进展及发展趋势 篇6

虚拟样机技术可使产品设计人员在各种虚拟环境中真实地模拟产品整体的运动及受力情况,从而快速分析多种设计方案。虚拟样机技术的应用贯串在整个设计过程中,它可以用在概念设计和方案论证中。设计师可以把自己的经验与想象构建在计算机内的虚拟样机里,让想象力和创造力充分发挥。当虚拟样机用来代替物理样机验证设计时,不但可以缩短开发周期,而且设计质量和效率也得到了提高。

1 虚拟样机技术的形成和发展

虚拟样机技术源于对多体系统动力学的研究。在工程中,对由零部件构成的系统在进行设计优化与性态分析时可以分为两类:一类称为结构,其特征是在正常的工况下构件间没有相对运动,人们关心的是这些结构在受到载荷时的强度、刚度与稳定性;另一类称为机构,其特征是系统在运动过程中部件间存在相对运动。上述复杂系统的力学模型为多个物体通过运动副连接的系统,称为多体系统。

随着国民经济的发展与国防技术的需求,机械系统的构型越来越复杂,表现为这些系统在构型上向多回路与带控制系统方向发展。如高速车辆对操纵系统与悬挂系统的构型提出更高的要求,有的已采用自动控制环节;机器人与操作机械臂在工业与生活中将普遍采用,要求高速与准确地操作以及能在恶劣的环境下工作,这些对系统的构型也提出新的要求。不仅20世纪60年代,产生了古典刚体力学、分析力学与计算机相结构的多体系统动力学。其主要任务是:建立复杂机械系统运动学和动力学各式化的数学模型,开发实现这个数学模型的软件系统。用户只需输入描述系统的最基本数据,借助计算机就能自动进行各式化的处理;开发和实现有效处理数学模型的计算机方法与数值积分方法,自动得到运动学规律和动力学响应;实现有效的数据后处理,采用动画显示、图表或其他方式提供数据的处理结果。

Roberson和Wittenburg等人创造性地将图论引入多系统动力学,利用图论的一些基本概念和数学工具描述机械系统各物体之间的结构特征。借助图论工具可使各种不同结构的系统能用统一的数学模型来描述,以相邻物体之间的相对位移作广义坐标,导出多体系统一般形式的动力学方程,相应的程序为MESA VERDE。

Schiehlen等人采用牛顿-欧拉方法对多体系统进行建模。随着组成多体系统物体数目的增多,物体之间的连接情况和约束方式就会变得非常复杂。当作为隔离体的单个物体列出牛顿-欧拉方程时,铰约束力的出现使未知变量的数目明显增多。因此必须制定出便于计算机识别的刚体联系情况和铰约束形式的各式化,并自动消除铰的约束能力。Schiehlen等人在列出牛顿-欧拉方程后,将不独立的笛卡尔广义坐标变换成独立变量。对于完整约束,系统用达伦贝尔原理消去约束反力;对于非完整约束,则运用约当原理消除约束反力,最后得到与系统自由度数目相同的动力学方程,并编制了计算机程序NEWEUL。

虚拟样机技术在技术与市场方面的成熟也与计算机辅助设计(CAD,Computer Aided Design)技术的成熟及大规模推广应用分不开。首先,CAD中的三维几何造型技术能够把设计师们的精力集中在创造性设计上,把绘图等繁琐的工作交给计算机去做,设计师只关注设计的正确和优化问题;其次,三维造型技术使虚拟样机技术中的机械系统描述问题变得简单;第三,CAD强大的三维几何造型编辑修改技术使机械系统设计的快速修改变为可能,以此为基础,在计算机上的设计、试验、设计的反复过程才具有时间上的意义。

虚拟样机技术的发展也直接受其构成技术的制约,即对计算机硬件的依赖。这种依赖在处理复杂系统时尤其明显。数值方法上的进步发展也会对基于虚拟样机的仿真速度及精度有积极的影响。进入20世纪80年代,由于计算机技术的不断发展,为虚拟机技术逐步走向成熟提供了操作平台。

2 虚拟机技术的国内外研究现状和发展趋势

20世纪80年代以来,美国已经从虚拟制造的环境和虚拟现实技术、信息系统、仿真和控制以及虚拟企业等方面进行了系统的研究与开发,多数单元技术已经进入实验和完善的阶段。例如,美国华盛顿大学虚拟制造技术实验室建立的用于设计和制造的虚拟环境VEDAM以及用于设计和装配的虚拟环境等,都已经初具规模,但虚拟制造作为一个完整的体系,尚没有进行全面的集成。应特别说明的是,虚拟企业(工厂)的研究在美国得到政府和企业界的极大关注,研究异常活跃,成为敏捷制造技术的主要支柱之一。

欧洲以大学为中心也纷纷开展了虚拟制造技术研究,如虚拟车间、建模与仿真工程等的研究。日本在20世纪六七十年代经济的崛起受益于先进制造与管理技术的采用。日本对虚拟制造技术的研究也秉承其传统的特点(重视应用),主要进行虚拟制造系统的建模和仿真技术以及虚拟工厂的构造环境研究。

我国从20世纪80年代末开始研究虚拟制造技术,且多数是在原来的CAD/CAE/CAM和仿真技术等基础上进行的。开始时,主要集中在虚拟制造技术的理论研究和实施技术准备阶段,系统的研究尚处于国外虚拟制造技术的消化和与国内环境的结合上。由于我国受到CAD/CAE/CAM基础软件、仿真软件、建模技术的制约,阻碍了虚拟制造技术的发展,但进入21世纪,我国虚拟制造技术受到普遍的重视,发展很快,势头强劲。例如:机械科学研究院与同济大学、香港理工大学合作进行的分散网络化制造、异地设计与制造等技术的理论研究和实践活动已经取得了不少进展;清华大学进行了虚拟设计环境软件、虚拟现实、虚拟机床和虚拟汽车训练系统等方面的研究;浙江大学进行了分布式虚拟现实技术、VR工作台和虚拟产品装配等研究;西安交通大学和北京航空航天大学进行了远程智能协同设计研究;天津大学、北京机床所和大连机床所进行了机床的虚拟设计与轴机床的研究;西北工业大学进行了虚拟样机的研究;哈尔滨工业大学、北京机电研究所、上海交通大学和南京理工大学等单位也进行了这方面的研究。在虚拟现实技术、建模技术、仿真技术、信息技术和应用网络技术等单元技术等方面的研究都很活跃,但研究的进展和深度还处于初期阶段,与国际水平尚存在一定的差距。

3 结束语

综上所述,虚拟样机是许多技术的结合,其核心部分是多体系统运动学与动力学建模理论及其实现技术。作为应用数学的一个分支,数值算法及时地提供了求解这种问题的有效与快速算法。计算机可视化技术及动画技术的发展为虚拟样机技术提供了友好的用户界面。CAD/FEA(Finite Element Analysis)等技术的发展为虚拟样机技术的应用提供了技术环境。虚拟样机技术已成为一项相对独立的产业技术,它不仅改变了传统的设计思想,而且必将对制造业产生深远影响。

摘要：虚拟样机技术是将分散的零部件设计和分析技术结合在一起,在计算机上建造出产品的整体模型,对其进行评估和测试,并针对各种工况进行仿真分析,预测产品的整体性能,进而改进产品设计和提高产品性能的一种新技术。为此,介绍了国内外虚拟样机技术研究进展和发展趋势,指出虚拟样机技术已成为一项相对独立的产业技术,不仅改变了传统的设计思想,而且必将对制造业产生深远的影响。

锅炉虚拟样机 篇7

固定机构是用于固定工件的装置, 其功能是使工作部件经常处于夹紧状态, 在机械工业领域具有广泛应用。虚拟样机技术是随着计算机的发展而兴起的一项计算机辅助工程技术, 它能反映出产品的真实特性, 包括外观、运动学和动力学特性[1]。在导弹的运输过程中, 为实现导弹储运箱的固定, 需要在导弹固定平台上设置相应的固定机构[2]。在夹紧机构的设计过程中, 应用虚拟样机技术可以代替物理样机的试制, 从而大幅缩短开发周期, 减少开发成本[3]。

1 优化设计原理

虚拟样机分析软件ADAMS是对机械系统进行运动学与动力学仿真计算的商用软件, 利用它可以建立起机械系统的运动学和动力学模型, 其模型可以是柔性体也可以是刚性体。但是使用ADAMS进行比较复杂的多刚体系统动力学仿真分析时, 由于其建模功能有限, 通常需要由其他建模功能强大的CAD软件进行建模 (例如SoildWorks, Pro/E, UG等) , 通过格式转换后再导入ADAMS环境。固定机构优化设计的总体流程如图1所示。

2 虚拟样机的构建

固定机构主要由手柄、摇臂、连杆和锁钩等零件组成。当在手柄上施加一个作用力时, 通过刚体的传动会使锁钩产生一定的夹紧力, 从而固定住物体。本文利用SoildWorks分别建立各零件的模型, 对模型进行虚拟装配, 最终完成模型的创建, 如图2所示。

2.1 创建约束

ADAMS提供的模型数据交换接口有X.T, STEP, IGES等格式, 本文将SoildWorks设计的夹紧机构模型以X.T数据格式导入到ADAMS/View中。对于直接在ADAMS中创建的构件, 系统会自动赋予一个材料属性, 而对于导入的构件来说是没有质量信息的, 需要对每个构件指定材料信息。在给机构赋予材料属性后, 分别在机构的各铰接点位置创建约束副, 包括摇臂与锁钩之间的旋转副、手柄与连杆之间的旋转副、连杆与锁钩之间的圆柱副、手柄与摇臂之间的旋转副、固定块与摇臂之间的旋转副。

2.2 最大夹紧力的测量

为了获取实际结构中的夹紧力, 在钩锁和大地之间创建一个弹簧用以测量夹紧力的变化。设置弹簧的刚度K为750N/mm, 弹簧的阻尼C为0.5Ns/mm。在手柄处施加一个固定载荷并对模型进行仿真计算, 最终获得的弹簧力随时间的变化曲线如图3所示。

由图3可知, 弹簧的最大拉力为850N, 即固定机构的最大夹紧力为850N。

3 优化设计

3.1 参数化模型的构建

由于从三维CAD软件中导入到ADAMS中的模型不能进行参数化计算, 也不能修改构件的几何尺寸[4], 所以本文根据上述模型的尺寸利用ADAMS/View模块构建固定机构的简易参数化模型。因为各铰接点的位置即为固定机构的主要参数, 优化设计的实质就是确定固定机构的最佳布置方案, 因此以各零件之间5个铰接点的X, Y坐标分别设置10个设计变量。在仿真分析过程中, ADAMS可以根据预先设置的可变参数, 自动地进行一系列的仿真分析, 观察在不同参数值下夹紧力的变化。

为了使锁钩能在固定块上水平移动, 在锁钩上一点和固定块间设置一个“点-面”约束副。同样, 在锁钩和大地间设置一个刚度为750N/mm、阻尼为0.5Ns/mm的弹簧用以测量机构的夹紧力。之后在手柄上施加一个大小为80N的力。至此, 夹紧机构的参数化模型已经构建完成, 如图4所示。

3.2 迭代模型

通过ADAMS的优化分析功能, 系统能够生成设计研究报告, 并显示优化过程中弹簧力相对于变量的取值曲线。以摇臂与大地之间的铰接点A的X坐标X１为例, 变量X１取的是5个离散的位置, 每个位置以初始值0为中心, 依次间隔0.5mm。如图5所示, 设计研究报告能提供在每一个试验步骤变量X１的取值、弹簧力的大小以及设计变量X１对弹簧力影响的敏感度。弹簧力相对于变量X１的变化曲线如图6所示。

由图5可知, 变量X１在初始值0处对弹簧力的敏感度为-82.025, 并且在设计点位置取1时弹簧力最大为924.67N。

依次对其他设计变量进行优化分析, 得出各个设计变量的敏感度, 如表1所示。

通过表1可以看出设计变量Y2, Y3, Y5的敏感度最高, 也就是锁钩与摇臂铰接点的Y坐标、摇臂与手柄铰接点的Y坐标以及锁钩与连杆铰接点的Y坐标, 它们的位置对固定机构的夹紧力影响最大。所以下一步通过选取上述敏感度最高的3个设计变量进行优化, 获得固定机构的最大夹紧力。

3.3 获取最佳设计变量

在数据导航器中选择设计变量Y2, 将其最大值和最小值分别设置为1和6;同理, 将变量Y3的变化范围设置为6~10, 变量Y5设置为8~11, 以弹簧的最大张力为目标函数进行优化设计。优化过程中弹簧张力的变化曲线以及优化结果如图7和图8所示。

由优化结果可以看出当设计变量Y2, Y3和Y5的值分别为3.598 6, 8.244 3和9.830 8时固定机构的夹紧力取最大值, 为948.79N。通过比较可知优化后的夹紧力与初始最大夹紧力850 N相比具有显著提高, 即完成了对机构的优化。

4 结论

本文构建了固定机构参数化模型, 分析各设计变量对机构性能影响的敏感度, 设计了一种较为快捷的优化设计方法。通过与初始最大夹紧力进行比较, 验证了该方法的合理和高效性。此研究方法与设计思路同样也可推广到其他多刚体系统优化设计等应用领域。该方法还可对虚拟样机关键部位的内力、加速度和位移等动力学指标进行评估与分析。

参考文献

[1]李瑞涛.虚拟样机建模仿真的置信度评估[J].微型机与应用, 2011, 30 (23) :71-72.

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[3]康文利, 张颖, 王川.基于UG和ADAMS的减速器的虚拟样机设计与仿真分析[J].机械, 2011 (1) :49-50.