虚拟样机建模

虚拟样机建模（共7篇）

虚拟样机建模 篇1

0 引言

虚拟样机技术是以虚拟样机为核心、以仿真为手段、以各种CAx/DFx为工具的一种数字化设计方法[1]。它通过在计算机上构建产品模型和进行仿真分析,可以在设计阶段准确预测产品各方面的性能,为产品设计改进提供参考。与实物样机相比,在设计、测试和产品评价中应用虚拟样机技术具有缩短开发周期、降低开发成本、提高产品质量的优势[2]。

复杂机械产品往往零件数量多、零件间装配关系复杂、机构运动规律复杂。在复杂机械产品的设计中,一般采用虚拟样机技术获得机械系统的仿真分析数据,以供优化设计时参考。机械产品的设计是一个不断优化更改的过程,为验证优化效果,产品结构更改后需要重新建立虚拟样机并进行验证分析。复杂机械产品的虚拟样机建模过程繁琐,设计更改后的虚拟样机重复建模一方面导致设计效率低下,另一方面使得基于虚拟样机的整机仿真优化难以实施。要改变复杂机械产品虚拟样机建模效率低下的状况,复用既有的虚拟样机模型是一个有效途径。

本文基于参数化虚拟样机尺寸参数程序驱动,提出实现复杂机械产品虚拟样机复用的方法,并给出了其实现的具体过程,研究结果对提高复杂机械产品虚拟样机建模效率以及缩短优化设计周期具有重要意义。

1 基于参数化建模的虚拟样机复用

1.1 复用过程

参数化设计技术为设计模型的可变性、可重用性,以及模型装配等提供了有效手段[3]。参数化模型记录了模型的几何信息,保存了模型的拓扑结构以及其他设计知识、设计约束等信息,适于结构相同而尺寸不同的产品的快速系列化设计。

参数化虚拟样机技术是虚拟样机技术和参数化设计技术的融合,它使得虚拟样机由于自身尺寸可变而获得重用,避免了结构相似虚拟样机的重复建模。参数化虚拟样机是在产品参数化模型基础上建立的虚拟样机,由可变部分(尺寸参数)和可重用部分(除尺寸参数以外的各种设计知识、设计约束等信息)组成。由于在虚拟样机建模过程中引入了参数化设计技术,故参数化虚拟样机的自身尺寸参数可变,通过驱动这些尺寸参数就可以重建出结构相似但尺寸不同的系列化虚拟样机。

基于参数化建模的虚拟样机模型复用过程可分为三个步骤:①构建产品基础模型库。用户按照产品参数化设计要求构建虚拟样机基础模型,并将与其相关联的零件和装配体模型一并保存在基础模型库中,以供参数化。②基础模型的参数化。通过程序对基础模型进行参数化,生成参数化虚拟样机,并将模型保存于参数化模型库中,作为衍生其他模型的原型。③参数化虚拟样机的尺寸参数程序驱动。利用程序驱动参数化模型的尺寸参数,实时生成虚拟样机实例模型,并保存模型于实例模型库中,供虚拟样机仿真分析使用。基于参数化建模的虚拟样机复用过程及其UML类图描述如图1所示。

1.2 虚拟样机基础模型建模要求

构建虚拟样机基础模型是实现虚拟样机参数化的前提。基础模型包括零件基础模型、装配体基础模型和虚拟样机基础模型三部分内容。构建基础模型时,除了须符合最基本的建模要求以外,还须符合复杂机械产品参数化设计的要求。

1.2.1 零件尺寸标注方式的规范化

为满足零件参数化设计的需要,需规范零件尺寸的标注方式。

(1)位置尺寸标注方式的统一。

标注位置尺寸时,有多种不同的标注方法,为了不引起歧义,统一将尺寸的标注端点选择在弧线中心点处

(2)特征尺寸的显化处理。

在零件设计中,采用特征复制方法得到的特征没有显性尺寸,需要对这类尺寸进行显化处理,才能对其参数化例如,图2所示镜像所得的特征应进行尺寸的显化处理。

1.2.2 复杂装配体规模的缩减

复杂机械产品零件众多,增加了建模和仿真的难度,须采用子装配法缩减模型规模。按照运动关系,将彼此没有相对运动的零部件合并为子装配体,再以各子装配体为基础装配成总装配体。由于总装配体中,各子装配体均被视为一个整体,实际上相当于减小了零件数量,缩减了模型的规模。

1.2.3 虚拟样机约束副与几何特征的关联

复杂机械产品一般只作结构更改,零部件之间的约束关系则保持不变,这决定了虚拟样机中约束副的类型及方向亦保持不变。因此,虚拟样机参数化的关键是约束副位置的参数化。在约束副与约束副所依赖的几何特征之间建立关联以后,约束副位置能够在模型几何尺寸改变的同时获得同步更新,间接达到了重建虚拟样机的目的。

2 尺寸参数及其驱动机制

2.1 尺寸参数命名的规范化

复杂机械产品零件尺寸多,随意命名尺寸参数容易引起名称的混淆,而且难于对同种类型的尺寸参数进行集中处理。笔者提出了一种基于尺寸分类的尺寸参数规范命名方法,根据对参数所驱动尺寸的分类,用尺寸的类型信息命名其驱动参数,实现尺寸参数命名的规范化。由于参数名称中蕴含了参数所要驱动尺寸的类型信息,故程序对不同类型尺寸参数的识别处理更加方便。具体命名规范如下:

零件图号尺寸分类1尺寸分类2尺寸分类3顺序号其中,零件图号为零件惟一的标识号;尺寸分类1为参数所驱动尺寸的形位类型,分为位置尺寸(以“loc”标识,如图3中的D2、D3)和形状尺寸(以“sha”标识,如图3中的D1);尺寸分类2为参数所驱动尺寸的度量类型,分为线性尺寸(以“lin标识,如图3中的D3)、径向尺寸(以“rad”标识,如图3中的D1)和角度尺寸(以“ang”标识,如图3中的D2);尺寸分类3为参数所驱动尺寸的驱动类型,分为匹配尺寸(受其他尺寸参数驱动的尺寸,以“mat”标识)和自由尺寸(不受其他尺寸参数驱动的尺寸,以“fre”标识);顺序号为依参数建如图3中的D1)和角度尺寸(以“ang”标识,如图3中的D2);尺寸分类3为参数所驱动尺寸的驱动类型,分为匹配尺寸(受其他尺寸参数驱动的尺寸,以“mat”标识)和自由尺寸(不受其他尺寸参数驱动的尺寸,以“fre”标识);顺序号为依参数建立顺序赋予的流水号。

例如,图3零件中尺寸D1的驱动参数可以命名为“01001 sha rad mat 1”,则代表该参数是图号为01001零件的第一个参数,其驱动尺寸的类型为形状尺寸、径向尺寸和匹配尺寸。根据这一命名规则,可将参数按其所驱动尺寸的类型划分为表1所示的12个类别。注意到还有弧长尺寸,为使其同样适用上述命名规则,在标注时将其用相应的角度尺寸和径向尺寸来替代。

2.2 尺寸参数驱动的数学描述

尺寸参数驱动使用户能够采用数学方程式建立各尺寸参数之间的约束关系,并通过尺寸参数去驱动零件的主要尺寸来得到相似的模型。为了使参数驱动后的装配体各零件之间以及零件内部特征之间不至于发生结构干涉,应先驱动匹配尺寸参数,再修改自由尺寸参数。

不妨将所有匹配尺寸参数组成一组向量d,即

d=(d11,d12,…,d1n1,d21,d22,…,d2n2,…,dm1,dm2,…,dmnm)

式中,dij为零件i的第j个匹配尺寸对应的驱动参数;m为配合零件总数;ni为零件i的匹配尺寸总数。

通常情况下,反映参数之间数值约束关系的方程组是线性方程组,用矩阵方程形式表示为

或

式中,A为尺寸参数约束矩阵;b为常数矩阵;s为装配体所有零件匹配尺寸总数。

2.3 约束矩阵方程求解

只有约束矩阵方程(式(1))满足|A|≠0时,参数化后产品的形式才能唯一。因此,给出的方程式数目须等于可驱动匹配尺寸总数。这里矩阵A通常为高阶稀疏矩阵,求解式(1)时,可采用效率较高的全选主元高斯-约当消去法求解,其具体求解过程可参见文献[5]。

3 参数化建模程序的开发

以SolidWorks为二次开发平台开发参数化建模程序,实现复杂机械产品虚拟样机基础模型的自动参数化和尺寸参数程序驱动下的虚拟样机自动重建功能。为了保证程序的通用性,程序设计中遵循了上述尺寸参数命名规则和驱动方式。

3.1 总体架构

要创建SolidWorks参数化建模专有程序,需对SolidWorks进行二次开发。支持OLE编程的开发工具都能通过调用SolidWorks内部的API函数而进行二次开发。由于Visual Basic界面开发功能强大,且已嵌入SolidWorks内部,故采用Visual Basic作为二次开发工具。

参数化建模程序由通用子程序动态链接库、自动参数化、参数驱动和参数可视化修改4个程序模块构成。其中,自动参数化、参数驱动和参数可视化修改模块的主要功能是通过调用通用子程序库内部的API函数来实现的。图4为参数化建模程序的UML用例图。用户使用参数化建模程序时,只需给定参数化条件、约束方程文件和自由尺寸参数值,程序就能分别自动完成虚拟样机基础模型的参数化、虚拟样机重建和自由尺寸参数的修改。

3.2 通用子程序动态链接库

为了实现程序的模块化,减少冗余代码,设计了通用子程序动态链接库。子程序在VB的ActiveXDLL环境下编写,每个子程序实现SolidWorks的一个特定功能。将写好的程序编译成DLL文件对函数进行封装,就建成了一个通用子程序动态链接库,其内部的API函数可供其他程序模块调用执行。使用通用子程序库起到了代码保密、程序模块化和提高程序运行效率的效果。通用子程序库的部分成员函数如图5所示。程序其他模块对通用子程序动态链接库的调用关系如图6所示。

3.3 自动参数化模块

复杂机械产品零件尺寸数量多,人工参数化费时费力。为此,专门设计了自动参数化程序,为零部件尺寸自动添加驱动参数。自动参数化程序流程如图7所示,括号内为引用的通用子程序库成员函数名称。图7中,n1为零件总数;n2为零件i表面总数;n3为零件i特征总数;n4为特征k显性尺寸总数。程序运行以后,在基础模型库中查找装配体文件,并遍历装配体所有零件的显性尺寸,依据尺寸的类型信息为每个尺寸自动加入相应的驱动参数。

3.4 参数驱动模块

参数驱动的目的是指通过驱动虚拟样机各组成零部件的主要尺寸参数得到零部件装配关系和约束关系相同、尺寸不同的虚拟样机模型。SolidWorks不具备求解多元线性方程组的功能,不适合存在大量方程约束的复杂机械产品尺寸参数的驱动。为此,设计了参数驱动程序,以实现在SolidWorks外部求解线性方程组。参数驱动程序流程如图8所示,括号内为引用的通用子程序库成员函数名称。图8中文件扩展名含义如下:eqt为约束方程文件,mat为矩阵文件,ret为结果文件,prg为可执行参数化程序脚本文件。

使用程序前,用户应事先编写约束方程文件,用方程约束表示参数间的函数关系。运行程序以后,程序将读取的方程文件转换为矩阵方程,然后利用全选主元高斯-约当消去法求解矩阵方程。如果方程有解,则根据求出的参数值去驱动装配体的尺寸参数,从而获得新虚拟样机模型。如果因为出现过约束或约束不足以及约束矛盾的情况而导致方程无解,则程序退出运行。

下面通过一个例子简要说明参数驱动程序运行过程:

(1)用户建立约束方程文件,表示参数间的约束关系。例如,某装配体尺寸参数约束方程文件的内容为

(2)运行参数驱动程序,程序自动读取约束方程文件,并将其转化为以下矩阵方程:

(3)采用全选主元高斯-约当消去法求解该矩阵方程,得到各参数取值:

(4)用求得的数值替换参数化程序脚本中的原参数值,并执行参数化程序脚本,对装配体进行参数驱动,生成新装配体。虚拟样机约束副位置已与装配体几何特征相关联,在生成新装配体的同时,虚拟样机模型得以重建。

3.5 参数可视化修改模块

参数可视化修改模块为辅助模块,用于修改模型的自由尺寸参数,其主界面如图9所示。程序通过检索零部件的程序脚本文件,获取零部件参数所驱动尺寸的名称、取值、类型等信息,并在界面中给予显示。用户在界面中修改零部件自由尺寸参数取值并确认以后,程序即可驱动零部件尺寸参数生成新的零部件。参数驱动原理同图8中虚线框部分所示。

可以看出,整套参数化建模程序具有如下特点:①开放性。通用子程序动态链接库提供了API接口,可由其他程序调用执行复用其程序功能。②通用性。程序采用基于尺寸分类的参数命名规则编写,保持了程序功能与要进行参数化设计的具体产品无关,适合于任何产品的参数化建模。③自动化。零件尺寸参数的添加、装配体尺寸参数的驱动均由程序自动完成,能够快速、高效地生成系列化产品的虚拟样机模型,提高产品设计效率。

4 应用实例

多色胶印机是一种结构复杂的精密印刷机械。现针对某型多色胶印机的关键总成——印刷色组的印刷部分建立参数化虚拟样机,并通过驱动其尺寸参数重建虚拟样机。鉴于模型规模庞大,建模和仿真均在计算机工作站上完成。虚拟样机建模和仿真平台选择SolidWorks及其自带的多刚体动力学仿真插件SolidWorks/Motion。

(1)构建虚拟样机基础模型。

建立胶印机零件基础模型,统一其位置尺寸的标注方式,并对特征尺寸进行显性处理。合并零部件为子装配体,将上万个零件缩减为几十个部件,并在SolidWorks大型装配体模式下完成全局装配体的装配。在部件之间加入适当类型的约束副,SolidWorks/Motion可以自动将约束副与几何特征相关联。

(2)生成参数化虚拟样机。

利用参数化建模程序将基础模型参数化,并转化为参数化虚拟样机,同时生成可执行参数化程序脚本文件。

(3)驱动尺寸参数重建虚拟样机。

建立约束方程文件,并利用参数驱动程序驱动装配体主要尺寸参数,快速生成虚拟样机实例模型。由于该虚拟样机规模大、参数多,限于篇幅,具体结构参数恕不详述。尺寸参数驱动后重建的胶印机第二色组印刷部分的虚拟样机如图10所示。

相对实物样机而言,虚拟样机不仅是几何样机,更是功能样机。在虚拟样机几何尺寸改变以后,模型的质量属性、约束副位置等也随之变化利用SolidWorks/Motion或ADAMS对虚拟样机实例进行仿真分析,其结果可以作为评价产设计优劣的依据品。

5 结论

(1)提出了基于参数化虚拟样机尺寸参数程序驱动,实现复杂机械产品虚拟样机复用的方法,在复杂机械产品虚拟样机建模方面做了有益探索。

(2)论述了符合虚拟样机参数化设计需要的复杂机械产品虚拟样机基础模型建模要求,提出了基于尺寸分类的尺寸参数命名规则,对尺寸参数驱动机制进行了数学描述,给出了约束矩阵方程的求解方法,为参数化建模程序的开发提供了理论指导。

(3)所开发的通用参数化建模程序具有开放性、通用性和自动化的特点,实现了复杂机械产品虚拟样机模型的程序自动参数化和尺寸参数驱动下虚拟样机的自动建模,为虚拟样机技术在仿真优化中的应用奠定了基础。

(4)本文所提出的基于参数化建模的复杂机械产品虚拟样机复用方法仍存在一些有待研究和改进的问题,如装配尺寸约束方程的自动生成方法等,这需要通过进一步的研究给予解决。

参考文献

[1]杜平安,于德江,岳萍.虚拟样机技术的技术与方法体系研究[J].系统仿真学报,2007,19(15):3447-3451.

[2]Chen Xi.Agent-based Distributed Conceptual De-sign of Virtual Prototyping for Complex Products[C]//2007 International Conference on Computa-tional Intelligence and Security Workshops.Piscat-away:IEEE,2007:378-381.

[3]夏鸿建,王波兴,陈立平.多体系统仿真分析平台参数化建模技术研究[J].计算机集成制造系统,2007,13(8):1511-1518.

[4]王恒,宁汝新,唐承统.三维装配尺寸链的自动生成[J].机械工程学报,2005,41(6):181-187.

[5]周长发.科学与工程数值算法:Visual Basic版[M].北京:清华大学出版社,2002.

虚拟样机建模 篇2

圆锥破碎机是物料破碎的主要设备,工业生产中被广泛用于矿山、冶炼、水利、公路、铁路和化工等部门[1]。国内外有基于层压破碎理论并根据相关研究成果及试验数据,研究用于获得破碎力在动锥表面分布的计算方法[2,3],而圆锥破碎力的求解是整机运动学/动力学分析的基础。

在圆锥破碎机的实际生产过程中,主轴自转转速是判断破碎机工作性能的关键参数,破碎机空载、正常破碎以及“飞车”等工况,都表现在主轴的自转转速上。对于多缸液压圆锥破碎机,由于结构上采用的是主轴静连接,则破碎机的工况表现在动锥的自转转速上。主轴自转转速与偏心套转速、进动角等设计参数有关。转速信息在生产中只能通过实物样机的试运行获得,无法反馈到产品设计阶段。针对上述问题,本文以圆锥破碎机的主设计参数为依据,以ADAMS软件为辅助手段,提出参数化虚拟样机建模的方法。在建模的同时,施加精确计算的破碎力信息,设计者可以对虚拟样机系统进行运动学仿真分析,得到主轴自转转速信息和运动副载荷信息并加以分析,找出产品设计阶段参数设计不合理之处并进行改进。虚拟样机模型的开发可以减少对物理样机的依赖,缩短产品开发周期[4],为建立自主研发的产品信息化集成平台以及研发新型节能高效圆锥破碎机提供技术方法支持。

1 圆锥破碎机虚拟样机模型

虚拟样机技术使得设计人员可以直接利用各零部件的物理信息及几何信息在计算机上定义零部件间的连接关系并对系统进行虚拟装配,在虚拟环境中真实地模拟系统的运动,并对其在各种工况下的运动和受力情况进行仿真分析。

多缸液压圆锥破碎机结构比较复杂,主要包括机架、传动部件、偏心套、碗形轴承架、破碎圆锥、支承套、调整套、保险缸、润滑液压部、电控部等[5],由于支承套、调整套、保险缸和电控部等是圆锥破碎机智能控制的主要研究对象,在本文中不赘述。图1为多缸液压圆锥破碎机主要工作部件的示意图。由于主轴和机架为静配合,所以主轴算作机架的一部分,其中偏心套、碗形轴承架部、破碎圆锥部和主轴构成了主破碎工作部分。本文在虚拟样机参数化建模时,以偏心套转速反映动力传动装置的性能。基于虚拟样机模型,通过运动学和动力学仿真分析,得到不同工况下动锥的自转转速信息和关键运动副的载荷信息,基于仿真信息可以了解样机的工作性能。

1.1 模型元素

圆锥破碎机虚拟样机模型由描述实物样机物理属性和几何属性的刚性体部件,以及作用在其上的运动副约束、驱动约束、外力/力矩元素共同组成。整个模型主要由4类基本要素组成,可表示为Model={part,joint,motion,force}。此外,模型还包含缺省的重力(gravity)[6]。

(1)部件(part)。

圆锥破碎机虚拟样机模型中主要包括动锥部件、物料层部件(有载)、碗轴承部件、轴承座和主轴部件以及偏心套部件。通过定义对象的物理属性和几何属性(物理属性包括质量、材料、转动惯量等,几何属性即形状、尺寸和位置)来表征实物样机中的组件和零件。一般情况下部件的几何尺寸和结构会根据实际情况做一定简化。

(2)运动副(joint)。

圆锥破碎机虚拟样机模型中通过定义运动副表征两部件间的相对运动关系。偏心套和地面之间创建旋转副(revolution)以限制偏心套的自由度,主轴与地面(ground)之间创建固连副(fixed)。为简化建模的复杂度,用地面代替实物样机中机架的作用。

(3)力/力矩(force)。

作用于部件上的力元素,包括部件所受外力和部件间的内部力。圆锥破碎机虚拟样机模型中用单作用力force表示动锥部件所受破碎力和摩擦转矩,而关键运动副部件之间所受内部力,如碗轴和轴承座之间的摩擦力、动锥和偏心套之间的摩擦力,则用contact力表征,并定义部件间为3D接触,仿真时采用基于碰撞函数的接触算法求解[7]。

(4)驱动(motion)。

定义部件随时间变化的运动方式。根据破碎机的工作特性,模型中只包含一个原始驱动,即偏心套的旋转,可通过施加角位移运动实现。

1.2 模型元素关系

模型元素关系是指各个模型元素间的相互关联和相互作用,某个模型元素属性的修改往往会导致相关元素的属性变化,同样地,模型元素的删除也会导致关联元素的删除。圆锥破碎机虚拟样机模型中模型元素关系可概括为以下几种形式:

(1)父子关系(parent)。父子关系就如同计算机中的树结构。以模型和部件为例,模型就是根结(parent),而各个部件就是枝杈(child),子元素的坐标系是相对于父元素的坐标系定义的,所以在每次新建模型元素时,都要先将坐标系转换为模型的全局坐标系,否则新建的部件的坐标系就会是相对于其他部件而定义的。此外,部件与标记点、部件与几何形状都是典型的父子关系。如果父元素被删除,则其下的子元素全部被删除。

(2)属性关系(property)。某种参数的改变将会引起关联参数的改变。如部件的几何外形即决定部件的物理属性——质量和转动惯量,如果选择修改数值,则两元素间将会失去这种属性关系。以偏心套部件为例,其几何尺寸一旦确定下来,在材料已知的情况下,偏心套的质量和转动惯量经软件的内部计算也随之确定下来。

(3)关联关系(related)。一个元素借用另一元素表达自身属性。如动锥部件所受的摩擦转矩即是引用自身重心标记点的角速度测量值表达转矩的大小,当角速度大小改变时只改变转矩的大小并不影响转矩的作用;但如果删除角速度的测量值信息,则转矩将随之失去数值信息,进而不能实现正确表达。

圆锥破碎机虚拟样机空载模型元素的关系简图见图2。矩形框表示模型元素,其中双线框的元素属于弱元素,即依附于其他模型元素而生成的元素,用有向箭头连接的两个模型元素表示一方作用于另一方;菱形框表示模型元素之间的力或运动约束关系,箭头始端的元素是约束关系的载体元素;椭圆形框表示模型元素的属性,包括元素的类型、几何参数和物理参数等,属性值是模型参数化的主要对象。

2 参数化建模实现

参数化技术为模型参数的可变性和模型的可重用性提供了有效手段,同时也解决了建模能力较弱时必须调用第三方软件的问题[8]。模型可以通过一组设计参数约束其几何尺寸、位姿以及仿真变量,只要参数合理输入,保证模型物理属性的正确设置和模型元素的正确装配,即能实现整机模型的生成和运动学/动力学仿真分析。

2.1 参数化类型

圆锥破碎机虚拟样机的建模是在ADAMS环境中完成的,利用solver命令语言,很好地解决了软件建模能力不足的问题,同时通过命令语句的编写来实现参数化[9]。圆锥破碎机参数化建模主要通过以下三种参数化类型实现:

(1)基于点的参数化(point)。主要实现模型空间位置的确定,最终保证模型的装配关系,模型中所有模型元素空间位姿的确定,均是通过参数化定义结构点并将模型元素的位姿参数与之关联来实现的。如参数化定义一个point点,即可定义碗轴承部件的空间位置,参数化定义两个point点,即可确定偏心套部件的偏心轴线位置和偏心角度。

(2)基于设计变量的参数化(variable)。主要实现模型几何特性和物理特性的参数的确定。如部件的三维尺寸以及contact力元素中,硬度系数、阻尼系数以及摩擦因数等变量的参数化,可以方便工程师实现模型的修正,得到更精确的仿真结果。

(3)基于元素的参数化(property)。主要用于建立模型元素之间的关联约束关系。如模型中动锥所受转矩的数值函数,通过动锥重心角速度值表达为

force create direct single-component-force &

function="10*.model-conecrusher.

cm_MEA_1*.model-conecrusher.cm_MEA_1"

2.2 约束设置

在圆锥破碎机参数化建模过程中,存在不同模型元素间的诸如尺寸和位置关联,对于这些约束关系,基于上述参数化的分类方式,可采用关系表达式来限制模型元素属性。模型中有关位置关系的约束可以通过表达式location=(LOC_RELATIVE_TO({0,0,0},POINT_1))来确定,其中POINT_1为结构点,其位置的坐标决定了被约束点的位置坐标。圆锥破碎机模型中还有相关部件尺寸相等的约束,如碗轴承和轴承座的曲率要相等,主轴和偏心套的内孔直径要相等,偏心套外径和动锥孔径要相等。在参数化的过程中,将相等数值处转化为一个变量,通过控制变量大小来实现数值的修改,除此之外还运用建模方法中的布尔减运算来完成复杂曲面的尺寸约束。

2.3 虚拟样机模型生成方法

圆锥破碎机虚拟样机模型的参数化建模过程包括原始参数输入、模型元素生成、模型仿真分析以及仿真结果保存等过程,如图3所示,其完整建模过程可描述如下:

(1)输入模型数据,并对数据进行语法检查,若有关键参数遗漏或者参数大小违背设计原则,如部件内孔直径大于外径,则给出错误警告,并重新输入。

(2)根据已编辑好的建模命令,基于参数化原则和约束机制,生成结构点、动锥、碗轴承、轴承座、主轴、偏心套等部件元素,并按模型位置装配各部件。

(3)如部件元素正确生成,则在各个部件间添加运动副约束,以地面(ground)代替机架,创建固定副,参数化确定运动副位置。

(4)根据圆锥破碎机的受力情况,在碗轴承和轴承座间创建contact1,在动锥和偏心套间创建contact2,若为空载模型,则在动锥处添加转矩,若为有载模型,则创建表征破碎过程的力元素。

(5)添加模型驱动,即偏心套的转速驱动。

(6)设置仿真时间、仿真步数和仿真类型,进行运动学和动力学分析并保存仿真结果。

3 实例与分析

基于以上的参数化方法,以PYG1100型国产多缸液压圆锥破碎机为实例,建立参数化虚拟样机模型,模型参数采用VC++界面接口输入。图4a所示为偏心套部件的参数化设置界面,图片左侧为参数输入接口,图片右侧为模型尺寸标记,方便设计者正确输入尺寸,图4b所示为ADAMS环境中生成的三维模型。在实际的参数化建模过程中,系统会根据用户输入的设计参数生成相应的建模文档,通过VC编写系统与ADAMS软件的接口,驱动ADAMS软件以命令流的方式后台运行并调用生成的建模文档进行建模和仿真分析。

(a)参数输入界面 (b)偏心套三维模型

图5所示为圆锥破碎机虚拟样机有载模型,各个模型部件如图所示,其中物料层部件是通过提取动锥轮廓素线为母线生成的旋转体,用以表征实际工作中的下落物料。

装配模型的参数化建模是通过自底向上的方法进行的,在仿真场景中首先生成模型部件的底层基本形状,通过尺寸的布尔运算获得符合要求的部件,部件和下一级的基本形状之间有着尺寸的关联关系。不同部件之间通过结构点(point)的约束函数确定位置关系,通过执行命令文件中的装配语句,便将生成的所有部件按照事先确定的逻辑关系装配到一起。

通过拾取仿真场景中的对象,可以创建两个部件间的约束;通过拾取部件的关键点,可以创建两部件之间的运动副。偏心套和动锥之间的碰撞力约束的实现方法如下:

contact create &

contact_name=.model_conecrusher.CONTACT_1

& //碰撞力名称

i_geometry_name = ECCENTRIC & //作用对象1

j_geometry_name = CONE & //作用对象2

stiffness = 1.0E+005 & //硬度系数

damping = 1000.0 & //阻尼系数

exponent = 2.2 & //力指数

dmax=0.1 //最大接触深度

设置仿真分析时间为5s,仿真步长为500,对PYG1100型圆锥破碎机模型施加400r/min的偏心套驱动转速,进行有载和空载工况下的仿真分析,得到动锥自转转速曲线和运动副的载荷信息。表1所示为有载时球轴承—轴承座运动副的受力情况,包括3个方向的分力大小和转矩大小。取仿真时长为1s,将不同时间下的载荷信息列于表1。由载荷数据可以看出,由于球轴承固定在动锥上,随着动锥的周期性旋转运动,球轴承受力也呈周期性变化,变化周期与动锥转速相关,其中力的正负表示全局坐标系下力的方向。

仿真分析得到在空载情况下动锥自转转速在125r/min上下,波动范围不大,且转速与偏心套转向一致。实物样机中,在润滑状态良好的情况下,PYG1100型圆锥破碎机动锥的空载自转转速约为120r/min,如图6所示。在有载工况下,动锥自转转速稳定在14r/min,且方向与偏心套转向相反,如图7所示。这符合圆锥破碎机在有载时动锥反向转动的事实,且实物样机中PYG1100型圆锥破碎机动锥有载自转转速约为12r/min。

分析空载和有载时的动锥自转转速可知,仿真结果略大于实物样机的测量值,误差在10%左右,这是因为模型的参数化建模过程中,对与工作过程无关的细节尺寸做了相应的简化,这也是误差产生的原因之一。另外,破碎机的现场工作条件极其恶劣,长期工作容易导致工作部件的油润滑质量下降,进而增大工作部件之间的摩擦,降低动锥的自转转速,在破碎机长期工作过程中,此类型号的破碎机动锥自转转速维持在10~15r/min之间[3],在此不赘述。总的看来,仿真结果与实物样机数据基本吻合,证明虚拟样机模型是可靠的。

4 结论

(1)本文以国内外相关研究为基础,以ADAMS软件为辅助手段,研究得到圆锥破碎机虚拟样机参数化建模方法。

(2)实现了圆锥破碎机的虚拟样机建模,并通过仿真分析得到关键运动副的载荷信息,为之后零件的有限元分析提供数据支持。

(3)仿真得到的动锥转速信息可以在产品设计阶段为破碎机工作性能的评价提供依据,虚拟样机的辅助设计减少了对物理样机的依赖,为圆锥破碎机的自主研发提供了有效的分析手段。本文以PYG1100型圆锥破碎机为实例,通过仿真分析验证了建模方法的可靠性。

摘要：为了在设计阶段提高破碎机机械结构运转性能和动力学表现,基于圆锥破碎机的主设计参数,结合ADAMS软件的建模语言,提出圆锥破碎机虚拟样机参数化建模的方法,该方法通过参数化类型和约束类型表达模型元素之间的关联关系。由仿真分析参数化模型得到不同工况的动锥自转转速信息以及关键运动副的动力学信息,为其工作性能评价提供依据并为下一步的有限元分析提供数据支持。以PYG1100型圆锥破碎机为例进行参数化建模和仿真结果分析,验证了模型的有效性和可靠性。

关键词：圆锥破碎机,参数化建模,虚拟样机,仿真分析

参考文献

[1]朗宝贤.圆锥破碎机[M].北京:机械工业出版社,1998.

[2]Lindqvist B,Evertsson C M.Improved Flow-andPressure Model for Cone Crushers[J].Minerals En-gineering,2004,17:1217-1225.

[3]董钢,范秀敏,张曦,等.基于层压破碎理论的圆锥破碎机破碎力分析及运动学研究[J].机械工程学报,2010,46(17):159-164.

[4]熊光楞,李伯虎,柴旭东.虚拟样机技术[J].系统仿真学报,2001,13(1):114-117.

[5]郑鸣皋.多缸液压圆锥破碎机[J].装备机械,2009(4):16-21.

[6]夏鸿建,王波兴,陈力平.多体系统仿真分析平台参数化建模技术研究[J].计算机集成制造系统,2007,13(8):1511-1518.

[7]石明全.基于ADAMS的多接触问题研究[J].计算机工程与应用,2004,40(29):220-222.

[8]陈涛,李光耀,孙光永.覆盖件冲压仿真参数化建模方法[J].中国机械工程,2008,19(19):2292-2296.

虚拟样机建模 篇3

轮式装载机是一种通过安装在前端一个完整的铲斗支承结构和连杆, 随机器向前运动进行装载或挖掘, 以及提升、运输和卸载的轮胎机械, 广泛用于公路、建筑、矿山等工程领域, 对于减轻劳动强度, 加快工程建设速度, 提高工程质量起着重要的作用。

虚拟样机技术作为一种技术手段, 在汽车工业里面被普遍采用, 通过相应系统进行仿真, 可以达到评价汽车操作稳定性和耐久性的目的。轮式装载机属于循环式作业机械, 对其研究目前仍存在不足之处, 通过虚拟样机技术来对轮式装载机进行性能仿真试验和参数优化, 不失为一种解决问题的方法。文章主要针对ZL50轮式装载机作为研究对象进行建模与分析, 其具体参数如表1所示。

1 ZL50轮式装载机动力学建模

由于ZL50轮式装载机是一个非常复杂的多体系统, 因此通过建立装载机模型的方式研究各个系统综合性能是一种有效的方法。虚拟样机在构造上是与实际装载机动力学行为相似的等价模型, 该等价模型在物理性能上等同或十分相似于实际系统, 但比实际的装载机更简单和便于分析研究。

目前机械系统动力学仿真分析软件较多, 基于ADAMS能有效地分析三维机构的运动与力, 可模拟大位移的系统和能够分析运动学静定系统, 故采用ADAMS来对ZL50轮式装载机进行动力学建模与分析。以下是在ADAMS操作环境下建立的动力学模型。

2 ZL50轮式装载机动力学仿真

纵向稳定度是评价装载机技术性能的重要指标之一, 它表明装载机在行驶或工作时抵抗翻车的能力。ZL50轮式装载机主要在满载上坡动臂伸出最大或满载下坡行驶时或空载上坡运行时容易产生倾翻。传统的分析方法大多停留在理论计算上, 无法用实际试验测得, 主要原因是纵向稳定度试验的危险性以及对车辆的破坏性。同时, 随着客户对装载机安全性要求的不断提高, 在对装载机进行试验测得准确数据就显得越发重要。文章主要对装载机空载上坡时的纵向稳定性进行研究, 其牵引力方程如下:

式中, P:发动机功率 (Kw) ;i:I档时的传动比;ηc:传动系的效率;rd:车轮滚动半径 (m) ;n:发动机最大转速 (r/min) 。

在不考虑前、后车架之间的转动情况, 多刚体整车模型的12个自由度分别为:3个车身轴向平移自由度、3个轴向旋转自由度, 2个工作装置相对直线自由度以及前后车轮的4个转动自由度。

在仿真时采用以下基本参数:整车质量17857kg, 前车体载荷7475kg, 后车体载荷10382kg, 额定载重量5000kg, 轴距3200mm、未装载前重心距后车轴1340mm, 距前车轴1860mm, 装载机重心离地面高度2320mm, 坡度为25度。以I档进行模拟上坡试验, 轮式装载机初速2.78m/s, 加速到II档的最大速度9.44m/s时开始爬坡。整车在空载情况下于虚拟试验环境中进行, 其爬坡行驶时纵向稳定性向后翻倒的最大上坡角由下式确定:

式中:S:装载机重心距后车轴的距离;H:装载机重心离地面高度。

图4和图5分别为该装载机的速度与加速度仿真试验曲线。由图中可以看到, 在0到9.6秒过程中, 装载机在水平路面上受到较小的牵引力作用缓慢加速到2.78m/s, 平均加速度0.0055m/s2可以忽略不计, 即模拟以I档最大速度匀速前进。在9.81秒时换成II档, 此时装载机位于水平路面与上坡交界点处, 前轮受到地面的冲击, 装载机速度发生突变, 而在II档牵引力的作用下, 装载机处于加速状态, 直到它的前轮从离开平面到后轮完全进入坡面加速截止, 这一过程中牵引力、加速度与速度的方向不断改变。从图5可以看出, 加速度变化呈波浪状, 随着后轮进入坡面, 加速度趋于一恒定值。从图4可以看出, 速度变化在瞬时完成, 最大瞬时速度在9.9秒时为9.44m/s。由于装载机在爬坡过程中加速度方向向下, 装载机处于减速状态。如果在上坡过程中牵引力不足, 装载机将会发生倒退或者滑移的现象, 在进行最大爬坡能力的仿真过程中出现了装载机滑移现象, 其在12.9秒时开始滑移, 速度的变化呈非线性。滑移现象的产生是由于当后轮驱动时, 后轮产生的驱动力大于后车架的重力分力, 而小于整车重力分力, 无法驱动前轮, 后轮滑移率增大, 滚动系数变小, 滚动阻力减小, 因而前轮在重力的作用下以后轮为圆心向两边滑移, 产生Z轴的加速度和向心力, 这种情况往往会造成装载机侧滑甚至侧翻, 容易造成对车辆及人员的伤害。在实际测试中, 不可能进行最大爬坡能力测试实验, 如果在进行最大爬坡能力测试时, 出现倒坡其危险性还不是很大, 而一旦出现侧滑现象, 即使是经验丰富的操作人员也无法保证能控制住装载机, 严重侧滑后果之一就是发生侧翻, 导致操作人员受伤等事故。

3 结束语

文章对ZL50轮式装载机的典型系统进行了全面的分析, 利用ADAMS软件构造了装载机的虚拟样机系统, 建立了该装载机的动力学模型, 并用仿真软件对其进行了运动学和动力学的模拟仿真, 绘制了装载机的速度和加速度曲线, 并据此进行了具体的分析。由于在虚拟样机的建立和虚拟试验环境设定时提供了必备的技术参数, 因此, 进行的纵向稳定性试验所产生的物理样机性能与实际情况很接近, 起到了应有的设计效果。

摘要：文章以ZL50轮式装载机为对象, 在分析其牵引性能的基础上, 通过在ADAMS软件中建立动力学模型, 应用现代计算机虚拟仿真技术, 形成装载机的虚拟样机系统, 然后进行初步的性能仿真试验和参数优化, 为装载机的不断完善提供方法和依据。通过文章的探讨, 以期对相关人员的工作提供参考。

关键词：轮式装载机,动力学系统,虚拟分析

参考文献

[1]杨占敏.轮式装载机[M].化学工业出版社, 2006:1-50.

[2]张玲.基于有限元的刮板输送机减速器齿轮应力分析[J].煤矿机械, 2013 (02) :91-92.

[3]郑建荣.ADAMS-虚拟样机技术入门与提高[M].机械工业出版社, 2002.

虚拟样机建模 篇4

工程机械市场随着国家建设的快速发展,近年来越来越火爆,这也为工程机械商提供了前所未有的发展机遇。液压挖掘机作为工程机械的主要机种之一,也是各种施工工程的重要机械设备,在各种行业被大量采用,例如,工业建筑、水利工程、改造农田、矿山开采以及军事工程等[1,2]。以我国某小型液压挖掘机为例,如图1所示,其工作装置部分主要有斗杆、斗杆液压缸、动臂、动臂液压缸、铲斗、铲斗液压缸等构件。

2液压挖掘机工作装置的加载

2.1液压挖掘机挖掘阻力的加载

一般挖掘情况下,作用在齿尖上的力等于挖掘阻力。挖掘阻力有法向挖掘阻力W1和切向挖掘阻力W2,计算公式如下W1=ψW2W2=K0bh(1)

式中:K0、h、ψ、b分别为挖掘比阻力、挖掘深度、斗宽、挖掘阻力系数。

查阅参考文献[4],对上式中各参数进行取值,可以分别得到切向、法向挖掘阻力,如表1所示。

2.2液压挖掘机物料重力的加载

设该国产小型液压挖掘机的铲斗容量为0.2m3,土壤的密度一般为1.8×103kg/m3,那么由物理相关知识便可以求得物料质量0.36×103kg,所以该物料的重力加载为3.5kN。

3液压挖掘机工作装置虚拟样机模型的建立

3.1 Pro/E建模

打开Pro/Engineer三维软件,在(Sketch)草绘环境下画出构件的二维草图,再由特征操作绘制出对应的三维模型图2是液压挖掘机部分构件图。

完成各个运动构件之后,就可以进行挖掘机模型的装配。进入Pro/E装配环境,自下而上、逐步插入。具体步骤略。

3.2导入ADAMS并进行仿真

ADAMS是功能十分强大的动力学仿真软件。利用Pro/E和ADAMS的接口,实现二者的数据传递,注意单位要统一。当然还可以在ADAMS中把各部件分别加上不同颜色,以达到美观效果。然后根据各个构件的实际运动,添加需要的不同约束[5]。分别在动臂与基座、斗杆油缸与动臂、斗杆与铲斗油缸活塞杆、铲斗底与开斗油缸处建立圆柱副;分别在铲斗底与斗杆、动臂与动臂油缸活塞杆、斗杆与斗杆油缸活

塞杆处建立球副;分别在动臂与斗杆、动臂油缸与基座、铲斗底与铲斗油缸处建立转动副;分别在铲斗体与开斗油缸活塞杆、斗杆油缸与斗杆油缸活塞杆、铲斗油缸与铲斗油缸活塞杆、开斗油缸与开斗油缸活塞杆处建立移动副。设置好约束后,可以在ADAMS中检验模型的正确性,直到验证成功。

上述工作完成后,在ADAMS中进行仿真。设置仿真时间为5s,仿真步长500,从而实现了该虚拟样机的挖掘、提升、卸料、降臂等一系列动作。图3为其各工作过程的动态模拟示意图。

4挖掘机工作装置铰接点的动力学分析

进入后处理ADAMS/PostProcessor模块,进行该挖掘机虚拟样机动力学分析。图4～图6是液压挖掘机几个主要铰接点处的受力变化曲线图。

从图4动臂与斗杆铰接处的受力曲线可以看出,动臂与斗杆铰接点处受力曲线先是比较平缓,随着挖掘开始,由于铲斗内物料增加、挖掘阻力增大,从而使其受力在1.25s时显著增大,然后慢慢减小,直到基本上恢复初始状态。从图可知,其受力在仿真时间1.6s时达到最大值102.5kN。从斗杆与铲斗铰接处的受力曲线(图5)可以看出,受力趋势与图5类似。同样随着挖掘的开始,受铲斗内物料增加的影响,斗杆与铲斗铰接处受力在平缓一段时间后显著增大,然后慢慢减小。这一过程中最大值为67.8kN。从连杆与铲斗铰接处的受力曲线(图6)可以看出,此处受力远远小于上述两铰接处,其最大值为40.1kN。同样,其受力曲线变化趋势基本与前面两处相似。

需要说明的是,图4～6中各铰接点受力曲线中有一突变现象,这是因为铲斗在卸料的一瞬间、其受力突然快速减小造成的。

从图4～6可以得到各处受力的仿真值。然后进行上述3个铰接点处受力的理论计算,从而得到了其最大理论值。为验证模型的准确性,理论值与仿真值进行对比结果见表2。

由表2中可以看出,虚拟样机模型的仿真数据与理论计算得到的理论数据之间误差不大,基本上在允许范围之内,所造成的误差可能是在理论计算的过程中,对机构中各个构件的质心位置没有精确选取造成的。总之,上述3个铰接点处的受力曲线变化趋势基本符合液压挖掘机在一个工作循环过程中对应点处力的变化情况。

5挖掘机工作装置斗齿部位动力学分析

图7～8显示了该液压挖掘机铲斗斗齿部位速度与加速度曲线图。可以看出,斗齿部位的速度、加速度在铲斗挖掘时存在一个比较平缓的过渡时刻。其中在斗齿刚切入土壤、装满铲斗准备提升两个特殊时刻,速度、加速度分别稍大于挖掘时刻对应的值,该现象符合实际情况。经过分析发现,缩短铲斗挖掘时间可以提高挖掘机的工作效率。

6结论

本文将三维设计软件Pro/Engineer和机械系统动力学分析软件ADAMS相结合,完成了液压挖掘机的虚拟样机建模,并在ADAMS里对其进行仿真。通过仿真分析,得到了动臂与斗杆、斗杆与铲斗、连杆与铲斗三处铰接点的受力曲线图;然后对上述对应的三点处受力进行理论计算,完成了仿真值与理论值的对比分析,发现误差很小,基本达到理想效果。这为动臂、斗杆以及铲斗进行有限元分析和结构优化提供了可靠的依据。

摘要：在Pro/E中完成了液压挖掘机的三维建模和装配;然后导入到机械动力学仿真软件ADAMS中,添加约束后建立了该虚拟样机系统,并且对该模型的正确性进行了验证。基于虚拟样机的动力学仿真,得到了几个主要铰接点处的受力曲线,并与理论计算得到的数据进行对比,进一步确定了仿真模型的准确性,为液压挖掘机进行有限元分析提供了载荷谱,可以更加准确地进行结构设计和优化。

关键词：液压挖掘机,虚拟样机,动力学仿真

参考文献

[1]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,2002.

[2]冯丽.液压挖掘机虚拟样机系统仿真分析[D].天津:河北工业大学,2005.

[3]袁士杰.多刚体系统动力学[M].北京:北京理工大学出版社,1992.

[4]孔德文,赵克利,徐宁生.液压挖掘机[M].北京.化学工业出版社,2007.

虚拟样机技术的发展与应用 篇5

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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[2]贾长治, 殷军辉, 薛文星, 等.MDADAMS虚拟样机从入门到精通[M].北京:机械工业出版社, 2010.

[3]张卫, 吴慧中.虚拟样机概念及体系结构研究[J].组合机床与自动化加工技术, 2002 (10) :12～14.

虚拟样机技术的研究与应用 篇6

随着21世纪世界经济和科学技术的飞速发展，全球性的市场竞争日益激烈。产品消费结构不断向多元化、个性化方向发展。面对无法预测、持续发展的市场需求，企业为了提高竞争力，必须尽快推出新产品，更新设计，缩短新产品的研发周期，提高产品的设计质量，降低产品的研发成本，进行创新性设计，这样才能对快速多变的市场需求做出敏捷响应，从而在市场竞争中获得相当的市场份额和利润。虚拟样机技术（Virtual Prototype Technology）就是在这种迫切需要的驱动下产生的。

1 虚拟样机技术的特点

虚拟样机技术使新产品的设计摆脱了对物理样机的依赖，是一种全新的研发模式。它是从分析解决产品整体性能及其相关问题的角度出发，解决传统的设计与制造过程弊端的高新技术。在该技术中，工程设计人员可以直接利用CAD系统所提供的各种零部件的物理信息及其几何信息，在计算机上定义零部件问的约束关系并对机械系统进行虚拟装配，从而获得机械系统的虚拟样机。使用系统仿真软件在各种虚拟环境中真实地模拟系统的运动，并对其在各种工况下的运动和受力情况进行仿真分析，观测并试验各组成部分的相互运动情况。利用虚拟样机技术可方便地修改设计缺陷，仿真试验不同的设计方案，对整个系统进行不断改进，直到获得最优设计方案之后，再制造物理样机。（如图1所示）

2 虚拟样机技术在仿真设计中的应用

虚拟样机仿真技术包括两方面的内容，一是几何仿真，即机构的几何特性与装配关系的仿真；二是性能仿真，即系统运动性能及动力特性的仿真。

几何仿真是通过虚拟造型技术直观、准确地反映产品的几何特征与装配关系，进而在设计早期预测系统干涉、检验装配缺陷，以便顺利进入下一步的运动学、动力学仿真中。建模的过程是为几何模型施加切合实际的特性，如约束、驱动力、摩擦及刚度等性能参数。合理的几何仿真是通过性能仿真进行优化设计的前提与基础。性能仿真的核心是多体系统动力学，多体系统动力学是由多刚体系统动力学与多柔体系统动力学组成的。多刚体系统动力学的研究对象是由任意有限个刚体组成的系统，刚体之间以某种形式的约束连接，这些约束可以是理想完整的约束，非完整的约束定常或非定常的约束。研究这些动力学需要建立非线性运动方程，能量表达式，运动学表达式以及其他一些量的表达式。多柔体系统动力学的研究对象是由大量刚体和柔体组成的系统。

虚拟样机技术在机构设计中的运用十分广泛，主要包括结构尺寸设计、结构强度和刚度分析、运动性能分析、动力学性能分析、加工工艺分析等等。

对于尺寸结构设计，目前，三维设计产品设计软件在企业已得到广泛应用，而传统的二维设计软件正在逐渐退出。概括地说，现代生产中产品设计和开发就是建立虚拟样机。相对于二维产品设计，三维设计不仅可以让设计者直观评价产品，而且使设计本身更加便捷、快速。

结构强度和刚度分析：对于某些零件，在进行结构尺寸设计的同时，设计人员还要对其进行结构强度和刚度的分析，进行材料以及结构的优化设计。有限元法在机械结构强度和刚度分析方面因具有了极为方便的分析手段。

动力学仿真分析：进行机构结构等的设计时，还需要了解机构的运动和动力学的参数。设计人员可以采用刚体或者多体动力学分析的方法对运动机构进行全方面的仿真分析，并对这些性能进行优化，从而达到提高产品性能、缩短开发时间、减少开发费用的目的。

下面以1000MW汽轮发电机定子铁心为例进行虚拟样机的模态仿真设计过程。

建立汽轮发电机定子铁心参数化模型首先要建立定子硅钢片的三维模型，接着生成定子铁心段及定子铁心体，然后装入由定位肋和穿心螺杆构成的内定子中，随后通过切除命令生成定子的定位槽及绕组槽等。最后通过干涉检查确定定子铁心模型不存在任何干涉，建成定子铁心模型。通过设置定子铁心装配参考平面与定位肋、穿心螺杆参考平面之间贴合，各基准轴线平行并且保持一定的间距等。在构建装配体时将零部件安装到默认位置，得到汽轮发电机定子铁心的装配体模型，如图2所示。

通过有限元方法（使用ANSYS软件）计算得出1000MW汽轮发电机定子铁心的第一阶固有频率为126.24hz、129.39Hz、180.46Hz，分别给出第一阶振型图、同时分别给出了三种型号汽轮发电机定子铁心的前10阶模态频率。定子铁心的自由模态分别存在椭圆变形模态振型（第81阶），如图3和图4所示。

根据分析得到的N阶模态频率可以清楚地指导所设计的定子铁心的安全工作时间以及在何时会靠向倍频，从而清晰的掌握定子铁心的整个工作状态。随时调整设计方案以及快速分析多种设计方案，进行对物理样机而言难以进行或根本无法进行的试验，直到获得系统的最佳设计方案为止。虚拟样机技术的应用贯穿于整个设计过程中，它可用在概念设计和方案论证中，设计者将自己的经验与想象结合在虚拟样机里，让想象力和创造力得到充分发挥。用虚拟样机替代物理样机验证设计时，不但可以缩短开发周期，而且设计效率也得到了提高。

3 结束语

虚拟样机技术是工程机械领域内一门新兴技术,它使产品设计可以摆脱对物理样机的依赖。围绕产品的概念设计、定型生产到整个研发周期,再从设计师、决策层、制造商、销售商到用户群等全方位的观察和研究产品,虚拟样机技术显示其强大的优势和发展潜力。作为一种先进的设计方法,虚拟样机技术有助于企业做出前瞻性的决策,实现产品总体优化目标,为企业赢得用户给市场提供了有利条件。可以预见，在21世纪虚拟样机技术势必会成为工程机械领域产品研发的主要手段。

摘要：介绍了虚拟样机技术的功能和特点,并以1000MW的发电机定子铁心为例分析论述了该方法的原理与特点,研究了其实现方法与具体步骤,通过应用表明,虚拟样机技术有助于设计者进行复杂的产品设计与性能的优化研究。

关键词：虚拟样机,仿真,应用

参考文献

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虚拟样机建模 篇7

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

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