变速器虚拟样机仿真（共7篇）
变速器虚拟样机仿真 篇1
0 引言
本文所分析的NGW型行星齿轮减速器主要应用在电牵引采煤机破碎机构中,进行动力传递,破碎大的煤块。因此对此类减速器要求传动比大,承载能力高。具有重量轻,体积小,传动效率高,适应性强,传动功率范围大,高速轴最高转速不超过1500r/min,齿轮圆周速度不超过10m/s,可以正反方向运转等特点[1]。
1 虚拟样机技术
虚拟样机(Virtual Prototype)技术是计算机辅助工程的一个重要分支,它是运用CAD/CAE软件,通过对机械系统进行建模、虚拟装配、运动学和动力学仿真分析直接将所提供的各零部件的物理和几何信息反映在计算机上,获得产品的计算机数字模型。免去了传统设计方法中物理样机的试制,大幅度缩短了开发周期,减少了开发成本,提高了产品质量和企业产品创新能力[2]。
2 建立行星减速器虚拟装配模型
行星齿轮减速器结构特点:为了使三个行星轮的载荷均匀分配,采用了齿式浮动机构,使太阳轮浮动,太阳轮和输入轴通过浮动齿套相连接。
行星齿轮减速器虚拟样机建立流程:首先在pro/e中建立零件参数化模型,减速器模型包括的零件主要有:输入轴、浮动齿套、太阳轮,行星轮、内齿圈、端盖、轴承、机盖等零件。由于渐开线行星齿轮减速器靠齿轮的啮合来传递运动与动力,齿轮的参数化最为关键,齿轮齿廓由渐开线,过渡曲线,齿根圆和齿顶圆几部分组成,在绘制过程中也需要这几种曲线的相结合在一起,渐开线齿轮这几部分的几何尺寸都是由齿轮模数、齿数、变位系数决定的,是独立变量因此应将m,z,x作为驱动尺寸。其次逐一将建立好的零件在组件模块中装配起来,最后在机构模块中进行全局干涉检验,以验证此减速器建模、装配的正确性。
2.1 齿轮参数化建模
建立行星减速器虚拟模型关键技术是齿轮模型的建立。通过曲线输入命令,选择坐标系,可以选择笛卡尔坐标,或者是圆柱坐标系统,或是球坐标,然后在方程中输入渐开线方程,最后通过拉伸、切除命令作出一个渐开线齿形后再通过阵列命令得到所要求个数的齿形。此行星减速器齿轮均为圆柱直齿轮,且均为标准齿轮没有变位,各齿轮零件参数见表1。
现以太阳轮齿轮为例,创建齿轮方法如下:输入轴和太阳轮通过浮动齿套相连接。因此此齿轮为双联齿轮,用pro/e中的插入曲线命令创建渐开线,使用笛卡尔坐标建立太阳轮齿轮渐开线方程,从方程中输入创建渐开线曲线命令如下:
创建好的双联齿轮如下图1所示:
2.2 减速器虚拟装配
减速器的虚拟装配是把建立好的太阳轮、行星轮、内齿圈、行星架、轴、轴承、箱体和端盖等三维零件模型按照装配尺寸关系,添加约束,组装在一起。其中太阳轮、行星轮和内齿圈架的装配根据文献[3]所述,计算出φ1=0,φ2=190.59°,φ3=-21.18°。
2.3 干涉检查
由于在建模或装配过程中可能会产生误差以致出现实体之间相互渗透,彼此重叠在一起出现与实际不符的失真现象,因此在装配完成后,应先将装配好的零件导入到pro/e4.0中的机构模块中应用干涉检查命令,检查零件之间的嵌入现象。应用模型分析中的全局干涉命令检查零件干涉如图2。
3 虚拟样机的物理建模
一个系统通常是由多个构件组成的,各个构件之间通常存在某些约束关系,物理建模过程就是约束的实现过程,它是今后仿真分析的保证,一个完整的机构由以下基本元素组成:构件,力,约束,接触,运动,激励等。该行星齿轮构件中主动轴与第一级太阳轮为一体,太阳轮与行星轮为外啮合,行星轮与内齿圈为内啮合,用行星轮把行星架与行星轮连接在一起,行星架的运动直接传递给输出轴。
3.1 模型的简化及导入
为了提高在ADAMS中的仿真效率,通常要在进行运动学和动力学仿真在之前,对模型进行简化,简化重点体现在以下几个方面:(1)删除对运动学和动力学仿真不产生关键影响的零部件。如本系统中行星轮轴上的轴承、挡圈以及螺栓和螺栓孔等。(2)删除可在运动学和动力学仿真中可以忽略的零部件。这里主要指的是行星轮轴上的轴承。但其转动惯量、质量等属性计入其支撑体轴类或行星轮零件中。
3.2 虚拟样机约束的添加
由以上分析可知,本系统应加入的约束主要有:(1)由于所有的轴承为滚动轴承,所以轴与轴承之间的连接均采用旋转副;(2)行星轮与中心轮、行星轮与内齿轮之间组成行星齿轮机构,所以它们之间由齿轮副连接;(3)行星轮与行星架之间由行星轴连接,行星架与行星轴转速一致,因此将其锁定连接为一体;(4)添加驱动:输入转速。
模型简化及添加约束、驱动后如图5所示。
3.3 虚拟样机动力学仿真
虚拟样机构建后添加在太阳轮上添加转动速度9000度/秒,仿真时间取100秒,步长取0.1,仿真后得到中太阳轮(输入)和内齿圈(输出)的速度曲线,如图6所示:从速度方向上可以看出,内齿圈转速为负值,表明其转速方向与太阳轮转速方向相反;从速度大小上看出,太阳轮转速为9000度/秒,内齿圈转速为2043.5度/秒。由此计算出转化机构的传动比为:i=4.4,与理论设计比相同。从上述两方面的分析中可以验证该模型的正确性。
在adams中接触力的施加:
按照行星传动系统的工作原理,增加内齿圈的负载扭矩为2.0×107N·mm,单击载荷工具包中的接触按钮,使用接触算法来实现齿轮啮合的动力计算。
本文选用基于IMPACT函数的接触来描述接触碰撞所产生的力。该函数的定义为:MAX{0,k(q0-q)e-C×dq/dt×STEP(q,q0-d,1,q0,0)}
其中,q0为两物体之间初始距离,q为两物体之间碰撞过程中的实际距离,q0-q即变形量δ。上公式表明当q>q0时,即两物体不发生接触,其碰撞力值为零。当q≤q0时,表示两物体发生碰撞,其碰撞力大小与刚度系数K、变形量q0-q,碰撞力指数项e、阻尼系数C和阻尼完全作用时变形距离d有关。
(1)刚度K:指定用于计算接触碰撞模型中法向作用力的材料刚度。其大小取决于撞击物体材料和结构形状,按下式计算:其中:(“+”用于外啮合,“-”用于内啮合),R1,R2为接触物体在接触点的接触半径(可用分度圆半径近似代替)。μ1、μ2为两接触物体材料的泊松比,E1、E2为两接触物体材料的弹性模量。
(2)阻尼:指定接触材料的阻尼属性。
(3)穿入深度:定义ADAMS/Solver启动完全阻尼的深度。
(4)力指数:ADAMS/Solver将法向作用力建模为一个非线性弹簧阻尼器,力指数便是指其非线性弹簧力指数。
本文分析的太阳轮和行星齿轮的K1=5.98×105MPa;内齿圈和行星轮的K2=12.54×105MPa,碰撞指数e取1.5,阻尼系数C取50N·s-1/mm;渗透深度d取0.1mm,选取了这些参数,就可以在Adams中进行动力学仿真,参数输入如下图7。仿真后的内齿圈与行星轮之间的接触力如图8所示为3.4667×105N。
4 结束语
对于减速器在传统设计中所出现的开发周期长、产品试验成本高等缺点,本文利用虚拟样机技术对某单级齿轮减速器做了建模与动力学仿真,并将仿真结果与理论计算相比较,验证了仿真的正确性。构建整体模型,在此基础上得到计算啮合力,为以后的有限元分析及齿轮传动的可靠性分析等打下基础。利用虚拟样机技术可以完成物理样机无法完成的无数次的仿真试验,进而该进产品,这就大大缩短了设计周期,减少了设计开发费用,具有较好的现实意义和工程使用价值。
参考文献
[1]成大先.机械设计手册,单行本,减(变)速器.电机与电器.北京:化学工业出版社,2004:15-102.
[2]李增刚.ADAMS入门详解与实例.北京:国防工业出版社,2009:2-3.
[3]丁飞,张强.基于ADAMS的行星齿轮减速器的建模与仿真研究,煤炭工程,2009(6):84-86.
变速器虚拟样机仿真 篇2
传统的农业机械产品设计模式要经过样机设计、样机试制、工业性试验、改进设计、重新定型、再试制、试验和批量生产等多个步骤。产品设计过程中早期的缺陷和失误往往需要反复试验多次才能发现, 增加了新产品的研发周期和成本。这种设计模式成本高、周期长、设计粗糙、精度低。虚拟样机技术VP (virtual prototyping) 就是在这种需求下产生的, 运用虚拟样机技术来进行农业机械产品的开发, 可以大大改善上述传统设计模式的缺点。本文通过虚拟样机技术生成最接近实际的拖拉机变速器模型, 为变速器的开发设计创造一个虚拟仿真平台, 为后续设计及改进带来极大方便。
1 虚拟样机技术
1.1 虚拟样机技术的定义
虚拟样机技术是一种崭新的产品开发方法, 它是一种基于产品的计算机仿真模型的数字化设计方法。因行业领域各不相同, 至今为止, 并没有一个完全一致的关于虚拟样机的定义。从计算机图形学研究的角度出发, Fan Dai等人将虚拟样机定义为一种快速评价不同的物理产品设计的方法[1]。通过将虚拟现实技术和计算机仿真技术以及CAD技术相结合建立起一个物理造型的数字原型, 一个产品设计人员可以通过具有高度沉浸感的虚拟现实用户接口, 灵活的操纵、控制和修改该原型, 并支持设计数据的重用和仿真分析。Mikko Kerttula等人提出的虚拟现实样机技术中将虚拟样机定义为一个产品的数字模型[2], 通过建立与真实系统有一定的功能和结构逼真度的仿真模型, 并将该模型放入一个虚拟现实环境中, 对还没有物理模型的产品进行测试。结合机械专业实际, 通过比较分析, 本文对虚拟样机的定义如下[3]:虚拟样机就是用来代替物理产品的计算机数字模型, 它可以像真实的物理模型一样, 用来对所关心的产品的全寿命周期 (如设计、制造、服务、循环利用等) 进行展示、分析和测试, 这种构造和使用虚拟样机的技术就叫虚拟样机技术。
1.2 虚拟样机技术的体系
虚拟样机技术以虚拟样机为核心、仿真为手段、各种CAX/DFX为工具, 它主要包括面向虚拟样机的建模技术、基于虚拟样机的仿真技术、针对虚拟样机的管理技术、各类工具的集成技术以及VR/人机界面技术, 其技术体系如图1所示。
1.3 虚拟样机的优点
虚拟样机技术的优点在于其能够将计算机技术、计算机辅助设计 (CAD) 技术、机械系统运动学、动力学、数值计算方法、有限元技术等诸多技术糅合在一起, 快速有效地解决问题。设计者可以利用计算机技术实时地将设计意图通过计算机表现出来, 并可以方便快捷地对模型进行修改, 在模型上加以各种物理特性, 用来代替物理样机, 进行几何、功能、制造、试验等方面的分析, 将分析的结果通过动画显示、图表等方式直观的表现出来。其优点概括起来如下:①减少了设计费用;②可以辅助物理样机进行设计验证和测试;③可以减少产品开发过程中所需的时间, 使产品尽快上市;④可以在相同的时间内“试验”更多的设计方案, 这是物理样机无法比拟的;⑤可以减少产品开发后期的设计更改, 进而使得整个产品的开发周期最小化;⑥与常规的仿真相比, 它涉及的设计领域广, 考虑也比较周全, 因而可以提高产品的质量;⑦由于虚拟样机技术支持并行设计, 使得设计小组之间的沟通变得便捷。
1.4 虚拟样机建模技术
根据虚拟样机的特性, 虚拟样机建模应具有如下特点[4]:
1) 多主体/多层次性。建模活动由多个学科、多个领域的设计小组协同工作。
2) 多目标/多模式性。各领域的应用背景、工作条件、参与角色不同, 设计目标、协同方式、工作流程也各不相同。
3) 异地/异构性。支持异地、异构情况下的建模活动。
4) 开放性/柔性。支持多种模型的装入和卸出, 支持模型的灵活配置, 以及剪裁/重组/重用等操作。
传统的产品建模已取得了一定研究成果, 但主要集中在单领域产品的建模。对于复杂产品, 传统建模方法难以在系统层次上进行统一表达, 不能有效支持产品全生命周期的集成化开发过程。图2提出了未来建模技术的几个发展方向。
2 虚拟样机开发工具
虚拟样机技术在工程中的应用是综合了先进的三维建模技术、现代仿真分析技术、数据存储交换技术以及并行分布处理技术, 通过功能强大、性能稳定、界面友好的虚拟样机软件实现。目前, 国外多家软件公司涉足这个领域, 相继出现了一些比较有影响的软件, 如美国MSC.Software公司的ADAMS, 美国CADSI公司的DADS, 韩国的RcurDyn, 德国航天局的SIMPACK。采用的三维建模软件有Pro/E, UG, Solid Edge等, 用于仿真分析的软件主要有Matlab, ANSYS, Matrix等[5]。在虚拟样机的商业软件中应用比较广泛的是美国原MDI公司开发的ADAMS软件, ADAMS一方面是虚拟样机分析的应用软件, 用户可以运用该软件非常方便地对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析。另一方面, 有时虚拟样机分析开发工具, 其开放性的程序结构和多种接口, 可以成为特殊行业用户进行特殊类型虚拟样机分析的二次开发工具平台[6]。以利用ADAMS软件进行虚拟样机设计为例, 其一般的工作过程可按图3所示步骤完成。
3 应用实例
3.1 农业机械虚拟样机技术的设计流程
长期以来, 由于农业机械自身的特点和作业对象的复杂性, 农业机械的研制过程中的理论分析和综合计算过程复杂, 计算量大, 依靠人工很难完成。
这就造成了很多机械的设计只有理论分析, 而没有精确的计算和验证;或者用作图法或经验法对一些复杂的机构进行拼凑。由于这些问题的存在, 使我国农业机械的设计长期在低水平上徘徊, 制约了其发展。基于ADAMS的虚拟样机技术是在制造第1台物理样机前, 利用计算机技术建立该产品的数学模型, 通过基于实体的可视化仿真分析, 模拟该系统在实际工作环境中的运动学和动力学特性, 并反复修改设计, 从而得到最优方案。本文将利用ADAMS软件对东方红75型拖拉机变速箱进行虚拟样机设计, 为拖拉机变速箱的开发设计创建一个仿真平台。选取变速器模型一挡为仿真对象, 研究变速器一挡在运行过程中, 齿轮啮合力情况, 得到与理论啮合力计算值最接近的虚拟样机模型。
3.2 虚拟样机模型创建
在三维设计软件Pro/E中创建变速器Ⅰ挡模型, 并利用Mech/Pro接口将模型导入ADAMS软件中, 在虚拟样机传递进入Adams以后, 根据需要建立maker点, 添加齿轮约束副。将一轴和z=17的齿轮用固定副连接, 二轴和z=45的齿轮用固定副连接。东方红75型拖拉机变速器的计算参数如下:P=75kW, n=1 500r/min=9 000d/s, 输入扭矩T=217 045N·mm;二轴输出扭矩为1 264 000 N.mm。给主动轴和从动轴添加旋转副, 主动轴添加恒定转速驱动 (9 000d*time) 。给二轴添加初始速度, 再添加一个反方向的负载转矩 (-1 264 000N.mm) , 在主动齿轮和从动齿轮之间施加碰撞接触力 (contact) , ADAMS为接触作用的仿真提供了极大的方便, 通过修改接触副中接触刚度及其非线性指数、阻尼系数、最大阻尼时的击穿深度、接触面静态及动态摩擦因数, 接触作用形式可以仿真至相当高的程度。经过计算可得出刚度系数k=1 174 900, 取阻尼系数c=35N·s/mm, 非线性指数e=2.2, 最大阻尼时击穿深度为0.1mm, 建立好的变速器传动系统仿真模型如图4所示。
3.3 动力学仿真分析
设置仿真时间为0.3s, step=1 000, 在输入轴转速n=1 500r/min下测试主动轴和从动轴的速度曲线如图5和图6所示。
结果证明, 传动比i=2.647 与模型实际情况相符。为了和仿真分析结果进行比较, 首先利用一般的机械设计经典公式来计算齿轮啮合力及齿轮的激振频率。对于1对5挡齿轮, 按照发动机的最大扭矩工况477.5 N·m /2 500r/min计算齿轮间的啮合力。
齿轮切向力为
undefined=11 235.30N
齿轮径向力为
Fr=Fttanα=4 089.31N
齿轮轴向力为0 ;齿轮激振频率f为f=Zn/60=425Hz。其中, Z为齿轮齿数, n为转速。
由于采用的是直齿轮, 所以本文样机中X方向和Y方向有啮合力的存在, Z方向没有啮合力的存在。
X方向啮合力时域及频域图如图7所示。Y方向啮合力时域及频域图如图8所示。从图7、图8可以看出啮合力的大小及变化。当齿轮的第1对轮齿啮合后, 接触行为便一直存在。啮合力的大小变化是因齿轮在克服负载转矩做功过程中两接触轮齿啮合时造成的接触变形量的变化引起的, 啮合力的大小一方面随着负载的增加而增大, 另一方面呈周期性波动。
由图7中可以看到, X向啮合力在均值4 100N附近上下波动;从图8中可看到, 啮合力在均值11 200N附近上下波动;同时可以看到仿真的齿轮啮合力的平均值和理论计算的结果非常接近, 没有发生大的偏差。从频域看, 齿轮啮合力呈现周期性变化, 去除直流分量以后, 得到其啮合频率为430Hz, 与理论的频率425Hz相吻合, 说明虚拟样机模型正确, 符合实际。
4 结束语
虚拟样机 (VP) 技术是当今非常活跃的, 前沿的研究领域, 是先进制造技术的发展方向。它有着广阔的发展前景及市场, 利用强健的仿真技术来降低技术风险, 提高产品质量, 缩短研制周期, 降低成本。本文正是在研究虚拟样机技术的基础上以拖拉机变速箱为例对其进行了实例论证, 建立最接近原型的变速器模型, 为进一步优化改进变速器提供了虚拟仿真平台。当然, 虚拟样机技术目前还不成熟, 还有很多工作要做。今后的一段时间里, 应进一步加强虚拟样机在农业机械设计开发中的推广应用, 增强我国农业机械产品的竞争力。
摘要：虚拟样机技术作为新兴的产品开发设计方法, 已成为提高现代产品设计性能的重要手段。为此, 阐述了虚拟样机技术的定义、体系、特点以及建模技术, 并运用虚拟样机技术在ADAMS软件中模拟仿真拖拉机变速箱的Ⅰ挡运行过程, 生成最接近实际的虚拟样机模型。
关键词：虚拟样机,建模,ADAMS,变速箱
参考文献
[1]FanDai, Wolfgang Felger, Martin Gobel.Applying Virtual Re-ality to Electronic Prototyping-Concept and First Results:Virtual Proto-typing:Virtual environments and the productdesign process[M].ChapMan and Hall Press, 1995.
[2]Kerttula M, Salmela M, Heikkinen M.Virtual reality proto-typing-a framework for the development of electronics andtelecommunications products[C]//Proceeedings of 8th IEEEInternational Workshop on Rapid System Prorotyping, 1997.
[3]Wang G Gary.Definition clarification and review on virtualprototyping[C]//Proceedings of the 2001 ASME DesignTechnical Conference and Computers in Engineering Confer-ence, DETC2001/CIE 21265, Pittsburgh, Pennsylvania, 2001.
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[5]王长春.基于ADAMS的虚拟样机技术及其在农业机械上的应用[J].农机化研究, 2007 (9) :184-186.
变速器虚拟样机仿真 篇3
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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[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.
变速器虚拟样机仿真 篇4
印刷是一门理论与实践并重的综合性学科,在印刷教学与培训中,若要提高印刷水平,理论支持是必不可少的; 另一方面,要印刷出高质量的产品,必须通过实践才能熟练上手,否则会造成人力、物力、财力的巨大浪费。
目前,各印刷专业高校教学课上所开展教学工作的形式大都是使用文字、图片或屏幕展示静态照片与动态视频等,得到的教学效果并不理想[1]。即使是现场教学,也由于设备有限并且考虑到时间、空间、安全等因素,而造成学生对设备内部的结构以及印刷机总体工作流程无法充分了解,难以表现机器运转过程中的动态特征与内部状态,以致教学效果不理想。
为此搭建“印刷机虚拟教学系统”,在构建虚拟实验室的架构方案时参考“3D-Virtools-Moodle”[2], 并参考三维虚拟交互技术在建筑史教学中的应用[3],使学生能够在虚拟的空间中自由学习,以此来满足对印刷机内外部构造可视化及对其工作流程进行仿真的需求。
1虚拟教学系统概述
构建主动交互式虚拟环境,开发虚拟教学系统对于改进传统教学方式的不足,主要有以下作用:
1解决实验设备老,旧,少的问题。由于经费紧张设备更新不及时,高校很多设备出现不同程度的老化现象,国外新型设备也无法引进,供学生使用的实验设备数量又有限。虚拟教学使学生能在电脑上学到各种实验设备的操作方法。
2解决安全隐患问题。在虚拟环境中进行培训远比在现实环境里安全。虚拟环境中学生的误操作,不会导致设备的损坏或人员的伤亡。
3解决时间与空间的限制问题。学生不需要到专业实验室或在规定的时间进行实验。只要有网络便可以随时随地进行学习。
4使学生脱离了枯燥的课本教学。通过计算机将虚拟演示、交互培训和考试结合在一起,提高了教学效率,扩充了教学的功能,增加学生的学习积极性。
这些对于提高学生发现问题、解决问题的能力以及创新思维形成有极大的影响。虚拟现实技术通过对实物的仿真建模,使得实验场景真实再现,学习者通过键盘、鼠标等对虚拟实验设备进行操作从而达到实验教学目的。
1. 1系统框架
针对印刷是一门以实验为基础的学科[4]。印刷机虚拟教学系统,通过软件的形式模拟印刷机的各种实际操作流程,包括印刷机的操作与调节、印刷故障的分析与排除、印刷过程控制等多个方面的功能,其目标是能够通过软件仿真来对实际印刷过程各个环节的操作进行模拟。
学生通过在一个逼真的虚拟环境中与虚拟印刷机实时的交互操作,让他有一种身临其境的感觉,以达到教学目的,并能够通过网络接口实现对系统的远程访问。系统详细框架如图1所示,整个教学系统由三个模块组成: 视觉模块主要包括印刷机的建模和图形引擎; 交互模块主要包括印刷机相关控制及操作; 控制模块主要包括外围的一些操作和显示设备。
1. 2系统设计流程
构建印刷机虚拟教学系统首先按其功能结构需要来进行划分[5],使用Solid Works建立三维模型,然后经过photoshop辅助贴图后把模型导入到3DSMas中对模型进行渲染和优化,最后将三维模型导入到Virtools开发环境中,对场景中所需的实体对象进行初始化,然后实时监控场景实体状态,同时通过脚本对交互行为进行控制及管理。如图2所示为具体系统设计流程。
1. 3该系统需要解决的问题
为了满足对印刷机内外部构造可视化及对其工作流程进行仿真的需求,开发印刷机虚拟教学系统重点需要达到以下效果:
1为满足对印刷机内外部构造可视化的要求, 对印刷机需进行360度全景浏览,以及对印刷机局部地区放大详细观察,甚至是内部结构的观察。
2为完成印刷过程的模拟,使受训者能够通过外部交互设备与虚拟场景进行交互,其中包括模拟手动操作以及模拟操作面板的按钮操作等不同行为模式。并且为了保证场景的逼真效果,在交互过程中不能出现模型之间的穿透现象。
3印刷机作为大型设备,其零部件较多,需进行规范化的管理,并且在满足虚拟教学系统的功能需求的前提下没有卡顿的现象。
下面将针对以上问题提出解决方案。
2印刷机虚拟教学系统关键技术研究
2. 1动态生成技术
印刷机作为大型设备其零部件极多,以海德堡印刷机为例其德国零部件中心一般常备就有十三万种零件。虚拟教学环境的图形渲染是实时的[6]。为了实现内外部构造可视化以弥补现实教学中的不足以及保证印刷机虚拟教学系统的流畅性,需使用一个自适应的过程,即当视角到了某个范围或角度时场景内的模型相应地实时变化,以保证如此大的场景在运行时没有卡顿现象。
动态生成技术的应用是将大场景中的元素进行有组织、有规律的分解,形成主场景文件以及多个子加载文件,如把印刷机各色组的印刷模块进行划分, 并通过虚拟场景管理方法按需进行实时地重构,通过动态加载和生产来实现印刷机虚拟场景的成型。其中主场景包含了动态加载方法、生成对象的管理模块等,图3为动态生成虚拟场景的原理图。
设虚拟环境中,视点View( 位置坐标[Px,Py, Pz]) ,与所需操作的设备或物体( 位置坐标C( i) = [Cx( i) ,Cy( i) ,Cz( i) ]) 的空间距离为D( i) ,则:
根据公式( 1) 距离D( i) 的计算,可以通过脚本来控制实时模型,从而达到动态生成,以解决了印刷机虚拟场景过大而造成卡顿的现象。
2. 2碰撞检测技术
在模拟印刷机过程时牵涉到大量零部件相对位置关系,它们相互独立却又关系紧密。如在刮墨回墨的过程中刮墨刀,液压泵,刀架等形成一个联动系统。如图4为刮墨过程演示图。
调节刮墨刀的压力以及印刷过程演示时都会涉及到刮墨刀与丝网的接触问题。在此过程中,通过碰撞检测使之不发生穿透现象,同时也可以通过Test检测来模拟压力测试,距离测量以及模拟调试等,使虚拟印刷过程更加逼真。
由此可见碰撞检测毫无疑问是印刷机虚拟教学系统必须要解决的问题[7]。更何况印刷机在工作时有很多模块同时运转,因此对于碰撞检测的要求也就更高,不仅需要有碰撞检测功能,为了达到教学目的还需要保证运行速度以及真实性。
1球形包围盒检测法
最常见的可以使用球形包围盒检测法来检测两个不规则 的运动物 体在虚拟 场景中是 否发生碰撞。
首先动态拾取操作对象,然后分别对需要检测的虚拟对象创建球形包围盒( 即碰撞检测边界) 。获取两个球体各自的半径r1、r2,以及两个球心之间的距离Dis。根据球形包围盒碰撞检测算法,判断两个实体是否发生了碰撞。
式( 2) 中对Dis与r1 + r2做比较。如果发生了碰撞时即将进行碰撞响应。在Virtools里首先用参数操作Get Distance得到物体A和物体B之间的距离,然后计算各个圆的半径,最后的检测用功能模块Test来实现。对应不同的对象使用不同的响应方案。如图5所示球心包围盒检测法流程图。
2盒式检测法
盒式检测法是定义一个长方体盒子,它有顶点八个、边十二条和面六个。根据需要计算三种不同的碰撞形式如表1所示。然而要完成这三种碰撞检测数据处理量较大。因此每次相交检测时进行一定特殊的选取方式,为了把计算量降到最小。
3印刷机虚拟教学系统碰撞检测的选取
对于印刷机虚拟教学系统的零部件而言,选取盒式检测法来做碰撞检测。因为其零件的形状相对比较规则,并有自己的标准件库,采用盒式检测法能够满足系统对于运算性能的需求。
2. 3 LOD模型处理方法
对于大型印刷机来说,整个印刷机每一个设备都涉及到众多的模型结构的渲染处理,包括静态的和实时的。一个工件,如印刷辊子,同一时间辊子有几十个静态模型和动态模型需要同时得到处理,这给系统处理与计算带来非常大的负担,考虑到印刷机虚拟教学系统是面向大众的,对于家用电脑,这种程度的计算及实时渲染已经大大地超过了其处理能力。因此需要通过一定的处理方法来降低实时的数据处理量且不影响使用。
在印刷机虚拟场景中的某一个视点或者视向, 每次只能看见部分模型,而其中看得见的也有远近之分,远了看不清细节情况。为此,在不影响整个虚拟系统的分析处理以及整体功能的前提下,将模型层次细节显示技术的简化处理。
在不影响视觉效果的条件下,对同一物体建立几个不同精度的几何模型,根据物件与视点的距离来选择显示不同细节层次的模型,从而加快系统图形处理和渲染的速度。
在距离观察者距离d分别为5m、20m、50m、100m时,所看到的细节情况随着距离d的增加由详细到模糊逐渐变化,就根据这种情况定义静态模型的各个距离模型m( i,d) 。可见m( i,d) 是一个随距离变化的连续函数,但这样处理的难度仍然非常大, 难以解决面临的问题。为此,通过使用分段模型函数来构成第i个模型集M( i) ,以有效地降低处理负担模型在运行处理时,按照视点的距离d的改变进行触发并替换模型。算法如式( 3) 所示。
经过上述处理后,5m内的所有工件能看到细部结构,同时将去除100m范围外所有的工件模型。从而在不影响应用的情况下提高了处理速度。图6是不同距离观看印刷机时所看到的整体外观,以及内部构造的对比图。
3印刷机虚拟教学系统交互的实现
在印刷机虚拟教学系统中其交互主要体现在控制虚拟场景中的印刷机实体模型[8],通过选择被操作实体模 型,控制其运 动,操作虚拟 面板仿真 演练。
除了使用数据手套、三维鼠标、位置跟踪器等专有的交互硬件,也可以采用普通的键盘和鼠标来完成交互任务。例如三维实体模型的拾取、运动等操作可以通过鼠标事件来完成,一些既定任务的快速模拟等可以通过键盘事件实现。
在Virtools中实现虚拟物体的移动和旋转使用的BB模块实现过程如图7所示。
每一次循环都执行了一次Bezier Progression( 贝塞尔级数) ,Delta值与所构建物体的Vector的坐标值之间的乘积,即被设置对象沿着乘积的数值,做一次相应的位移。在对象旋转控制中,Bezier Progression中Delta数值的Multiplication是和Angle( 角度) 之间进行的。位移S的运算方程如式( 4) 所示,旋转角度M的运算的方程如式( 5) 所示。
印刷机虚拟教学系统使用户通过网络进行在线学习[9]。该软件主要功能有以下5点:
1自由观察仪器设备。
2自动浏览与原理演示功能。
3仪器操作练习。
4实验过程模拟。
5分析故障诊断[10]。
以丝网印刷机为例,其最终实现的印刷过程如图8所示,在这里只列举了主要的步骤。
用户可以模拟真实的操作面板进行仿真操作, 如图9所示为虚拟操作环境。
其次应用动态生成技术,根据虚拟场景中的不同视点和视向,场景模型实时地替换,在保证显示模型质量的同时提高流畅度。同时通过隐藏外壳的同时精细化内部模型,以满足内部构造可视化的需求。
4结束语
当前印刷专业学校教学过程中需要解决的重点问题是如何弥补传统实验教学中的缺陷,提高教学效率,降低教学成本,快速培养出合格的人才。而虚拟现实技术的发展,使人们开始使用计算机网络这种现代化的手段进行网络化教学。通过建立虚拟的学习环境来模拟设备和维护流程中的实际操作,使学生获得一种身临其境的操作学习体验。相比于传统培训方式,虚拟教学主要具有以下几项优势:
1培训的环境不受限制。
2重复性操作培训不受时间限制。
3误操作时没有设备损坏和生命危险。
变速器虚拟样机仿真 篇5
旋转机械广泛应用于电力、石化、冶金、航空、航天、机械制造等各部门, 大部分都属于工厂中的关键设备。将虚拟样机技术应用到风机转子系统的故障仿真中, 对具体风机转子系统建模, 从旋转机械故障机理和特征入手, 仿真了风机转子系统的裂纹故障, 探究一种用于旋转机械设备的新的故障预测与故障诊断方法。
二、带裂纹故障的风机转子系统的建模
整个风机系统由电机、液力耦合器、加速机、风机组成, 单吸入多级双支撑结构。风机的进出气口分别位于定子两端, 方向均为侧向垂直向下。风机两端采用滑动轴承, 轴承与齿轮的润滑由润滑油站的油泵强制润滑。电机转速2985 r/min, 电机功率1120k W, 风机额定转速4800 r/min, 风机定子质量14 916 kg, 转子组质量1246.5 kg, 低压侧叶轮316 kg, 高压侧叶轮309.2 kg。
适当简化后, 风机的虚拟样机模型如图1、图2, 包括低压侧叶轮, 高压侧叶轮, 风机主轴, 滑动轴承和机壳。
三、风机主轴的静力分析
风机主轴材料为45#钢, 弹性模量200 GPa, 泊松比0.3, 密度7800kg/m3。建立有限元模型前, 先对实体模型进行适当简化, 忽略螺孔、倒角、退刀槽等细小局部的影响。
ANSYS在对不规则空间实体进行网格划分时, 往往只能采用4面体单元, 不但会大大增加单元的个数, 浪费资源, 而且还会造成计算精度的下降, 因此, 在进行三维仿真分析时, 在允许的情况下应尽量采用6面体单元来建模。
在进行风机主轴的静力分析时, 将主轴单元简化为前端 (低压侧叶轮端) 固定、后端游动的简支梁结构。在安装轴承处施加约束, 其中在靠近低压侧叶轮端的轴承处让UX=UY=UZ=0, 在靠近高压侧叶轮端的轴承处让UY=UZ=0。将两叶轮的重力施加在主轴相应位置圆柱的上表面, 将电机转矩施加在叶轮主轴相应位置圆柱的下表面, 并以力的形式平均加载在每个节点上。低压侧叶轮重力F1=3096.8 N, 高压侧叶轮重力F2=3030.16 N, 输入转矩M=3583 N·m。施加约束和载荷后的风机主轴单元有限元模型如图3所示。
通过计算发现最大应力出现在低压侧叶轮一端轴肩根部 (与现场裂纹产生的位置一致) 。在负荷较大的情况下, 此处最易遭到破坏。图4为风机主轴受载情况下第一、第三和von-mises应力分布云图。
四、带裂纹故障的风机转子系统的振动特性分析
为了模拟有裂纹故障的风机转子的动力学特性, 在低压侧叶轮一端轴肩根部, 即最大应力处, 建立一整周最深为4 mm的裂纹 (图5) , 并生成相应的mnf中性文件。
此外, 该风机所用轴承是滑动轴承, 当工作角速度由零逐渐上升至ω时, 轴颈与轴承表面间自然形成收敛楔隙的卷吸效应逐渐增强, 油膜力逐渐托起转子。理想工作状态下, 轴颈中心是沿着一条静态平衡线上浮, 直到油膜中产生的合力与轴颈上作用的载荷平衡时, 轴颈中心就稳定在静态平衡线上某一点, 即静态工作点处。在一般工况下, 转子实际处于受外界扰动的非稳定状态, 此时轴颈的中心绕着静态工作点涡动, 油膜中除了产生上述的静态油膜力外, 还将派生出由轴颈的位移和速度扰动产生的附加动态油膜力, 而转子则是在外激励和动态油膜力的共同作用下处于非定常状态工作的。油膜的动态特性可用相应的刚度和阻尼矩阵表示, 即式 (1) 。
油膜轴承的动力学模型如图6所示, kx, y, ky, x, cx, y, cy, x分别称为交叉刚度系数和交叉阻尼系数, 它们表示油膜力在两个相互垂直方向的耦合作用。油膜刚度系数、阻尼系数和轴颈上作用的质量, 表示未扰动时油膜力对轴颈的动力学特性。但上述8个系数是相对于一个平衡位置, 即平衡位置与8个系数是相互对应的, 工程上把考虑油膜动特性的滑动轴承当作弹性支撑考虑。
通过对支撑点处振动情况的测试可以看出, 当有裂纹存在时, 时域图中低压侧叶轮端的振动幅值明显偏高, 激起了振动的高阶成分, 2×、3×和4×并伴随有明显的1/2×和3/2×的分频成分, 从转子振动特征的轴心轨迹可以看出, 低压侧叶轮端轴心轨迹为明显的8字形。除此之外, 转子轴心振动特征含有较明显的一、二、三阶正进动和一、二、三阶反进动。转子振动的正、反进动量, 都准确地反映转轴裂纹故障。图7、图8分别为风机正常运转时和有裂纹故障弯曲振动时的时频图和轴心轨迹。
五、结论
将虚拟样机技术运用到风机转子系统的裂纹故障研究中。对建立的虚拟样机模型进行仿真, 从中提取了有效的故障信号, 总结了故障的特征现象。基于虚拟样机的故障仿真技术, 使整个故障过程更加直观清晰地呈现在人们的面前, 其重复性大大方便了实验数据的采集、分析和处理工作, 很大程度上提高了诊断的准确性和可靠性。
变速器虚拟样机仿真 篇6
关键词：虚拟样机技术,乳化液泵,仿真
0 引言
借助于虚拟样机(Virtual Prototyping)技术,用户和设计人员可以在计算机上建立机械系统的模型,伴之以三维可视化处理,模拟在现实环境下系统的运动学和动力学特性。它以对象的动力学/运动学模型为核心,其它相关模型为补充,利用多领域建模工具和仿真技术建立对象的虚拟样机原型系统。由于虚拟样机完全按照对象最本质的因素建模,在动力学特性上非常接近于物理样机,因而对虚拟样机的仿真评估可以代替对物理样机总体设计性能的评估[1]。利用虚拟样机技术,可方便地修改设计参数,省时省力,可缩短研究周期,提高研究质量。
本文利用虚拟样机技术集成化的特点,以多体系统动力分析仿真软件ADAMS为核心,结合用CAD软件Pro/E建立的三维实体模型,建立了RB315/31.5型乳化液泵的虚拟样机,通过仿真得到了柱塞、连杆的动力学和运动学精确的分析结果。
1 RB315/31.5型乳化液泵三维实体模型的建立
几何模型是物理模型的基础,考虑到仿真软件ADAMS自身所提供的三维绘图工具并不适合于复杂几何体的构建,所以采用三维CAD专业软件Pro/E作为建模的前处理器。根据乳化液泵的结构以及工作原理,在不影响乳化液泵功能的前提下进行了合理的简化,建立了RB315/31.5型乳化液泵的三维实体模型,见图1。
2 RB315/31.5型乳化液泵物理模型的建立
2.1 Pro/E与ADAMS的数据转换
Pro/E和ADAMS之间有两种数据转换方法:一是在Pro/E中将模型定义为IGES、STEP、Parasolid等格式的图形文件,在ADAMS中通过ADAMSIExchange模块输入,用这种方法在传递模型时,会出现模型的几何精度较低、传输时间较长等现象,还可能出现丢失重要信息且不易精确定位等问题[2];二是利用Pro/E与ADAMS的专用接口软件Mechanism/Pro进行转换,Mechanism/Pro是ADAMS专门开发的用于Pro/E和ADAMS之间的数据接口,它采用无缝连接的方式,不但提高了模型的仿真精度和工作效率,还可以定义运动部件之间的约束、连接方式。本文中采用Mechanism/Pro进行模型数据传递。
为了让ADAMS便于识别导入的几何模型,将Pro/E装配图的各零件分别定义为物理模型的基础——部件(Part)。定义部件可以选用自动定义,也可单独定义。若选用自动(Automatic)定义,则Mechanism/Pro模块会自动将各装配零件(见图2中左侧列表)一一定义为部件,并多加一新部件(大地),作为其它部件运动的参考基准。也可根据各部件的动力学性质及相互关系,单独对装配体中各零件进行定义,起相应的名称,将乳化液泵的箱体定义为大地。为简化模型,还可以将没有相对运动的零件定义为同一部件。
部件定义后,就可向ADAMS进行转换,也可以先在Mechanism/Pro内对模型添加约束、驱动与载荷后再传输。但由于在Mechanism/Pro内对模型添加约束、驱动与载荷没有在ADAMS中方便,故本文采用向ADAMS直接传输模型。
2.2 创建约束副和驱动
2.2.1 创建约束副
约束可以确定部件之间的依附关系及相对运动关系,使模型中各个独立的部件联系起来形成有机的整体,这是将几何模型转化为物理模型至关重要的一步。约束施加的正确与否直接影响物理模型、动力学数学模型的准确性,也就会影响动力学分析的正确性。通过对乳化液泵进行动力学分析,建立了乳化液泵各部件间的运动约束关系,见表1。
箱体:机架与大地固定,因此在两者之间添加固定副(Fixed Joint),约束两者之间3个旋转和3个平移自由度。曲轴:相对于箱体做自转运动,因此在曲轴与箱体之间添加旋转运动副(Revolute Joint),只保留一个方向的旋转自由度。连杆:前端连接曲轴曲拐并绕曲轴曲拐轴线旋转,因此在连杆与曲轴曲拐之间添加旋转运动副(Revolute Joint );后端与滑块连接,并绕滑块销轴旋转,因此在连杆与滑块之间添加旋转运动副(Revolute Joint),保留一个平面的平动和一个轴的转动。滑块:在箱体滑道里滑行,因此在滑块与箱体之间添加滑移副(Translation Joint),只保留一个方向的平动。柱塞:固定在滑块上,因此在柱塞和滑块之间添加固定副(Fixed Joint),约束两者之间的3个旋转和3个平移自由度。泵头:固定在箱体上,因此在泵头和箱体之间添加固定副(Fixed Joint),约束两者之间的3个旋转和3个平移自由度。
2.2.2 创建驱动
乳化液泵在工作时,曲轴在机械或电机驱动下旋转,将机械能转化为液压能。因此,在乳化液泵物理模型中只对曲轴定义旋转驱动(Rotational Motion)。
另外驱动施加的位置对曲轴的内应力影响很大,为使仿真更精确,应对曲轴实际受力的位置加以定义,此处将驱动加在曲轴输入端轴径中点。
2.2.3 施加载荷
作为一个完整的物理模型,运动约束和部件受力往往是不可少的。乳化液泵在工作过程中,各个柱塞都要经历压缩与膨胀两个过程,会受到乳化液的作用力,正因为有此作用力,曲轴各曲拐压力会不平衡,因此在乳化液泵的模型中,必须施加液压作用力。
在ADAMS/Veiw中有4种类型的力,分别为作用力、柔性连接力、特殊力和接触力。因此,要采用函数表达式的形式定义液压力。获得柱塞所受液压力的数据文件,在ADAMS/View中根据数据文件绘制液压力的样条曲线,然后采用样条函数AKISPL表达式定义柱塞上的作用力(Single Component Force),见图3。
对几何模型施加运动学约束、驱动约束、载荷后,便建立了乳化液泵的刚性动力学模型,见图4。
3 仿真结果分析
3.1 连杆运动和受力分析
在仿真中研究连杆的运动速度,见图5,它为5个连杆合成图。图5表明连杆y方向的速度呈正弦变化,与连杆位移的理论计算式undefined相符合(其中:R为乳化液泵曲轴曲拐的偏心半径;φ为曲轴的转角;L为连杆的长度;L0为连杆质心到与滑块铰接处的距离)。并且在传动轴转速提高的情况下,连杆加速度急剧增大,由此造成很大的惯性力,见图6,这是乳化液泵振动的重要原因之一。
3.2 柱塞运动分析
柱塞的速度呈规则周期变化,与柱塞位移的理论计算式undefined相符合,见图7。同连杆一样在曲轴转速提高的情况下,柱塞加速度急剧增大,见图8,也造成很大的惯性力。图7和图8只给出了柱塞1的质心速度和加速度曲线,柱塞2～5的与之类似,只是存在一个相位差。
4 结论
虚拟样机技术在以后的仿真研究中必将成为一个备受关注的研究方向,通过建立虚拟仿真环境进行研究分析,可以降低试验成本,提高试验效率,缩短试验周期,对于研究分析轴向柱塞泵性能具有重要意义。
参考文献
[1]巫世品,王晓笋,胡建正,等.车辆行星传动系统虚拟样机技术研究与实践[J].中国机械工程,2005(3):550-553.
变速器虚拟样机仿真 篇7
黑龙江垦区是我国的粮食主产区,广袤的大平原耕地集中连片,特别适合集约化、规模化和大机械化作业,但是农田杂草的控制技术一直是制约大农业可持续发展的难题。传统的杂草控制方法就是靠人工除草或者采用化学药剂来灭草。人工除草劳动强度大、耗时费力和作业效率低;化学药剂往往又因为土壤旱涝或作业后下雨而达不到预期的效果,从而造成经济上的损失,而除草剂的残留毒性给作物和土壤造成一定的化学污染与环境污染,这与农业可持续性发展宗旨相违背[1,2]。因此,机械除草作业是旱作农业可持续发展的一项关键性生产技术。虽然我国中耕机的研制起步较早,但是配套动力小,机具功能单一[3,4,5,6]。随着我国对大功率拖拉机复式作业装备需要的增加,目前现有机具已无法满足实际作业的要求,国内与之配套的复式中耕机尚处于试制阶段。本文参考国内外中耕原理,设计了一种新型的低成本、自动化程度高和中耕效率高的复式中耕机。采用虚拟样机VP(Virtual Prototype)技术对复式中耕机建立虚拟样机模型,进行其外形设计、运动仿真、加工过程仿真和整机性能仿真。通过运动仿真和动态干涉检查,在无需制造物理模型的条件下,检验和优化设计方案,以缩短与大功率配套的复式中耕机的开发周期,提高设计质量,实现技术先进性与实用性的统一。
1 全方位复式中耕机的结构与原理
1.1 基本结构
3ZQF型全方位复式中耕机由中耕仿行单体、除草单体、施肥器单体、地轮总成、机架、肥箱、中间传动、张紧装置和悬挂架等组成,如图1所示。
1.培土器 2.中耕仿行单体 3.深松铲 4.除草器单体5.机架 6.肥箱 7.液压油缸 8.中间传动 9.施肥器单体10.张紧装置 11.地轮总成
1.2 工作原理
3ZQF型全方位复式中耕机是集中耕仿行单体、螺旋梳齿除草器和划刀组合式施肥器于一体的,配套大型拖拉机悬挂作业,能一次完成7～9行大豆(玉米)松土、除草和侧深施肥的大型耕作机械。其工作原理:机具随拖拉机顺垄作业,整机以两个地轮(11)作为驱动动力,以链条进行传动;先以链条将动力传递给中间传动轴(8),再由传动轴将动力分配给每个除草单体(4)和肥箱(6)下部的槽轮式排肥器,进行旋转除草和侧深施肥作业;中耕单体随平行四杆仿行机构(2)作松土和培土作业,进而完成整个中耕过程;液压油缸(7)调整地轮相对机架位置,确定所需深松和侧施肥深度。
1.3 工作性能指标
3ZQF型全方位复式中耕机生产率为4～5hm2/h;配套动力为59.2～88.4kW(拖拉机);适应垄距为60～70cm;作业行数为7行;速度为6～8km/h;松土深度为15～25cm;施肥量为75～100kg/hm2;梳齿轴间距为20cm;齿迹间距为5.4cm;行间除草率≥95%;苗间除草率为≥75%;伤苗率≤5%。
2 全方位复式中耕机的关键部件设计
2.1 中耕机单体结构
中耕机单体结构如图2所示。中耕前体(5)与机架相连,后框体(2)与前框体(5)之间通过四杆仿形机构(4)相连,再加上两侧平衡弹簧(3)的回复特性,即可以完全适应田间作业的工况。整体大部分构建由钢板焊接而成,在满足精度的情况下可节约大量成本。深松铲(6)通过刀库与中耕前体连接,通过销钉和凹槽配合来调节入土深度,通过丝杠(7)可以微调节仿行轮(8)与培土器(1)之间的垂直高度,即改变所需的培土高度,满足中耕作业的实际要求。
1.培土器 2.中耕后框体 3.平衡弹簧 4.平行四杆5.中耕前框体 6.深松铲 7.调节丝杠 8.仿行轮
2.2 除草器结构
除草机具有随机间苗式、选择间苗式和专用间苗等3种结构形式。根据整机配备和农艺要求,除草器单体设计成螺旋梳齿式,如图3所示。整个除草单体通过箱体上的两个连接杆(3)吊装在机架上,两锥齿轮箱(4)嵌套在带键槽的驱动轴(5)上,由链轮带动驱动轴(5)旋转,然后通过两对锥齿轮的配合来实现动力传递。两对锥齿轮又由两个独立的箱体装配,齿轮箱可通过箱体上的调节手柄(2)来调节箱体间的距离,实现两除草单体轴(7)之间距离的调整,满足苗行距不一致的要求。
1.外壳体 2.调节手柄 3.连接杆 4.齿轮箱5.驱动轴 6.锥齿轮 7.除草单体轴 8.软连接
2.3 施肥单体结构
施肥单体结构采用划刀组合式,如图4所示。划刀式开沟器(4)工作幅宽较小,不至于开出过宽的肥沟,避免影响作物的根系生长。开沟器通过调节杆(2)固定在刀库(3)中。改变调节杆在刀库中的位置,就可以实现施肥深度的微调节。输肥管与施肥管(1)连接,在施肥管的下端设计成变径管,用于缓释尿素颗粒肥下落和防堵。加装分施板可以实现肥料分施,并保证施肥量和施肥深度的准确。
1.施肥管 2.调节杆 3.刀库 4.划刀式开沟器
3 基于Pro/ E 的三维实体造型设计
实体模型是通过创建基本形体特征而完成的,即实体模型是特征的叠加。
零件特征的创建是一个2D截面特征到3D实体特征的过程,所以首先是2D草绘。2D图形描述结束后,便可利用拉伸、旋转、扫描、混合、混合扫描和螺旋扫描等实体建构特征来对实体的主要特征来进行建构。当实体的主要特征建构完成后,就可以利用倒角、圆角、壳和打孔等工具对局部特征进行编辑,最后完成整个实体的设计,部分零件如图5所示。
根据分析中耕机的整体结构特点,初步认定中耕机为重复单体等距装配的一个整体。为此,应该从重复的单体建模开始(如图2和图3所示),然后再将重复的单体作为一个整体,把机架作为“地”来进行装配。其间可把asm组件文件另存为igs文件,然后再消除彼此装配关系,转化成prt文件,这样就可以和其他零件一起来进行下一个asm的装配。
4 装配体的参数化特征建模
4.1 装配体的形成过程
装配设计首先应该考虑的是装配顺序的问题。首先应该确定装配“地”,而其他的组件都要转配在“地”上,这样才会实现对其正常的自由度约束。在装配期间,应该随时注意对自由度的限制,即提示栏的装配状态,从而保证之后的仿真过程不会出现错误。总装配如图6所示。
4.2 装配关系
Pro/E的装配关系大体可以分为“死装配”和“活装配”两大类,这对后期的运动仿真十分重要,因为仿真运动是基于动力在自由度之间的传递来实现的。在适当的自由度上施加伺服电动机,就可以让动力在合理的自由度间传递。当装配“地”时应以缺省关系装配,其自由度为0,是装配体中放置其他零件的基准;在中耕机的装配过程,机架就是所谓的“地”。其他组件的装配都是以“地”为基础的。
4.3 修改设计
装配的修改十分人性化,设计者可以在组件中直接打开零件文件来进行修改,而其装配关系、尺寸和方向也会随着零件的改变而马上做出反应。装配关系的修改比较复杂。对于“死装配”,前一个组件的装配对以后的装配都有着很大的影响;但在“活装配”中,改变组件的位置后,其后安装的组件将随其位置的变化而产生相应的变化。
5 基于 Pro/ E 的中耕机运动仿真
5.1 伺服电动机的设置
首先,进行伺服电动机的施加,因为整机的动力的都源于被拖拉机牵引前进时地面摩擦力引起的地轮转动,然后经过链传动到达中间传动轴,再由中间传动轴传往各个除草器和排肥器,伺服电动机应该施加在地轮上。但由于链传动在Mechanism模块的模拟相对来说比较复杂,更不能进行链条的配合,因此只能在各驱动轴上再施加两个同样转速的伺服电动机,才能保证仿真运动的顺利进行。
5.2 机构分析及仿真结果
当伺服电动机设置完成后,就要开始进行机构分析。机构分析可以验证仿真的可行性以及观察机构是否出现干涉,并可以生成分析文件进行回放,为后期的研究提供根据。在这里,可以设置总共生成的帧数和每帧时长,从而可以确定后期完成的仿真结果。仿真过程如图7所示。
5.3 运动结果处理
5.3.1 机械运动性能分析
打开回放窗口可以控制回放速度,并反复播放,还可将总装配体随意放大或缩小,从不同的角度进行观察。若把外部设置为隐藏,还能观察到内部零件的运动状态,直观地了解系统的动态特性,并对各运动构件进行运动和运动副的关系分析,检测机械运动是否达到设计要求,对不合理的参数进行修正。
5.3.2 动态干涉检查
在回放期间进行动态干涉检查,在“模式”区域中选择“全局干涉”类型,在“选项”区域中选择“停止回放”,如图8所示。回放时,检测装配体中所有元件的干涉情况,检测到干涉时,干涉区域加亮并停止回放,对产生干涉的零件进行修改,再继续检查,直到所有运动状态无干涉为止。依此结果制造出的实物产品在运动时就不会发生干涉。
6 结果与讨论
本文是选用集成化的PRO/E软件建立中耕机样机的零部件模型,并利用其MECHANISM模块对样机进行了运动仿真。在一些假定条件下,从理论上模拟真实机械的运动过程,不能完全代表复式中耕机的实际运动,但为揭示3ZQF型全方位复式中耕机的运动特点、检查设计参数的合理性与工作性能以及在避免制造装配后的零件出现偏差提供了参考。本文采用虚拟样机技术,建立样机的虚拟数字模型,通过动态干涉检查和运动分析,可缩短实际物理样机的开发周期,降低开发成本,同时提高设计质量。
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