CATIA仿真（共6篇）
CATIA仿真 篇1
0 引言
进行仿真的目的就是要是在产品设计阶段,借助建模与仿真技术,及时和并行地模拟出产品未来制造过程,并预测及评价产品性能和产品的可制造性,从而更有效、更经济和更柔性地组织生产,达到产品的开发周期和成本最小化、产品设计质量的最优化和生产效率的最大化。显然,对产品加工模拟仿真技术作为虚拟制造的关键技术之一就显得尤为重要。
成形法齿轮加工的主要特点是:刀具结构简单、成本低和不需要专用机床。特别是在加工大模数齿轮时,通常采用成形铣刀。而大模数齿轮粗加工要求:一方面要求尽可能提高齿轮加工效率;另一方面要在粗加工结束后,为下道工序提供较好的工艺性。但铣完齿间后,在齿廓的渐开线部分留有不均匀的余量,且在齿根和齿顶余量较大,对齿廓表面热处理以及后续成形磨削时砂轮磨损不均性有很大的影响。为此本文提出采用铣刀(顶部修圆半径等于0.38m)数控单分齿铣削斜齿轮的方法,对铣刀中心间距与齿数、模数以及齿间各部分余量的关系进行分析,并在CATIA下进行模拟仿真加工验证。
CATIA是目前机械工程中最流行的CAD支撑与三维造型软件,它具有较强的实体造型功能,尤其是控制程序VB,结构精炼且常驻于主程序内部,故其代码运行速度快,数据共享方便。
1 斜齿轮成形铣削原理
齿轮的加工方法很多,有铸造、热轧、冲压、模锻、粉末冶金、冶金和切削法等。但是,最为常用的还是切削法,切削法加工也有很多方法,但从加工原理看,可以概括为范成法和仿形法两大类。
范成法又称为展成法,共轭法或包络法,根据包络法形成共轭齿廓的原理,它是利用一对齿轮相啮合传动,两轮的齿廓线互为共轭包络线的原理来进行加工的方法,其常用的刀具有齿轮型刀具:如齿轮插刀和齿条型刀具:如齿条插刀和齿轮滚刀等.仿形法是利用与齿轮的齿槽形状相同的刀具直接加工出齿轮齿廓,其常用刀具有盘状铣刀和指状铣刀等,铣齿仿真的难点:在进行铣齿的切削仿真设计中,其中最大的难点是对刀具和轮坯的空间关系和运动关系的数学描述和建模,尤其是存在误差因素时对刀具和轮坯之间运动关系的建模。就这个难点,以仿真模型的建立,铣齿加工质量分析为主要内容。下面具体介绍用仿形法仿真加工斜齿轮的加工过程。
2 仿形法斜齿轮加工仿真的实现
1)创建齿轮毛坯
斜齿圆柱齿轮毛坯模型的建立较简单,为一圆柱,具体参数如表1所示。
2)齿轮铣刀的创建
加工斜齿轮时,铣刀与斜齿轮齿廓的接触线为一条空间曲线,且该曲线的形状与齿轮参数和铣刀直径有关。因此铣刀的轴向截形并不等于斜齿轮的法向齿形,而要通过数学公式去推导[3]如图1所示。
已知渐开线螺旋面的方程为:
其法线的分量为:
又由于螺旋面上的接触线的矢量条件式为:
再由螺旋面的关系式:
联立式(3)、式(4)可得接触线方程为:
把式(1)、式(2)代入式(5)得(6):
式中:
θ—母线从起始位置绕z轴转过的角度
u—渐开线的展开角
P—螺旋线导程
将式(6)代入式(1)中可求的在(o_x,y,z)坐标系下的接触方程,再由,再由坐标变换式将接触线变换到(o′_x,y,z)坐标系下,两坐标系位置关系如图2所示,求得刀具的轴向截形:
根据工件的齿形尺寸选取一系列u值,由式4求得相应的θ,再将它们成对代入式(6)就可得一系列刀具的(R,Z)值,取其中的一部分作为刀具的离散点,如图1所示,对于不同模数、不同齿数的齿轮,都可以采用上面的方法设计铣刀。
3)在CATIA中实现加工仿真。
2.1 齿轮及其滚刀在CATIA中的建模
铣刀加工斜齿轮的过程中,铣刀围绕自身的轴线做高速转动,同时此铣刀绕着齿坯轴做旋转和沿齿坯轴向运动。
2.2 齿坯与刀具的安装角度关系
铣刀的安装必须正确,因为滚切时要求滚刀的分度圆螺旋线方向必须严格地与齿坯的齿向一致。
图4表示铣切过程中,铣刀与被加工齿轮之间的安装角度关系;Sn为被加工齿轮一转时滚刀沿工件轴向的移动量;铣刀安装角度等于被加工齿轮和铣刀在滚切过程中节圆上的螺旋角β。
2.3 齿坯与刀具的相对运动情况
由于斜齿轮轮齿沿齿宽上是螺旋线,所以铣切斜齿轮时要求铣刀在轴线走刀S轴的同时,齿坯还要附加运动—围绕轴线作旋转运动,如图5所示。
铣刀由A到A1时,齿坯还有多转一个距离BA1,否则只能切出直齿来。所以按照斜齿轮螺旋角β与导程T的关系,只要满足滚刀轴向一个导程T时,齿坯整好附加多转或者少转一圈,就能加工出斜齿轮。我们根据齿坯与刀具的相对关系,固定齿坯的位置不变,将齿坯和刀具的运动位置关系全部转换成刀具相对于齿坯进行位置调整。
2.4 斜齿轮成形
将已经调整好的斜轮齿坯和刀具在初始位置,通过VB编辑宏指令进行多步布尔运算得到刀痕线,在CATIA中进行特征操作得出如图6所示完整的斜齿轮单齿槽,通过阵列和再次的布尔运算最终得到如图7的完整斜齿轮。
3 斜齿轮精度的判定
由于加工方法的不同,齿轮的齿面旋线显然不完全相同,理想齿轮当基本参数确定时曲线长度可以求出,而生成齿轮的曲线可以通过测量工具量得,因此可利用此点比较加工的精度。双圆弧齿轮在加工过程时,主要是因为刀具的齿顶是双圆弧。现在以双圆弧齿为例,作精度比较。仍取标准轮齿参数,按照公式(8)得到对应直径的螺旋线长度如表2所示。
齿根圆直径≤R≤齿顶圆直径
D—分度圆直径
通过对标准齿轮和铣刀加工齿轮齿顶和基圆螺旋线的长度的比较可以看出,齿顶螺旋线的长度误差为:11.219×10-8m,而且是最大误差,达到精度的要求。这说明用标准的渐开线铣刀铣切出的斜齿轮与实际加工的斜齿轮误差很小。
在CATIA中选择“测量项”对双圆弧加工齿的齿顶和基圆螺旋线进行测量,结果如表3所示。
注:LA_T—螺旋线长度
在实际生产中,由于铣刀的磨损等影响,
导致了铣切出的齿轮精度下降,对于能否实际应用存在在不确定。随着各种技术的不断完善,我们可以将已经磨损的刀具反映到三维软件中,按照这种铣切方法及其精度检验方法,我们可以在三维软件中进行,进而判断铣刀的磨损程度及铣刀的可信度。大大提高了生产效益。
4 结束语
通过详细仿真铣齿齿加工规律,给出了相对位置及其运动的相互关系,据此采用CATIA软件仿真铣齿机的斜齿轮加工,并且通过齿顶和基圆螺旋线的误差计算,得到铣齿加工的精度。为斜齿轮加工提供了一种新的软件模拟方法,同时可以改变刀具的渐开线精度来得到不同精度的斜齿轮,为大模数齿轮的实际加工提供依据。
参考文献
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CATIA仿真 篇2
关键词：全景天窗机构,CATIA—DMU,运动仿真,校核分析
0 引言
近几年来,汽车全景天窗已经逐渐成为了汽车的一个重要配置。随着人们对驾乘舒适性要求的不断提高,全景天窗以时尚气息和优越性赢得了消费者的青睐。如何提高对其进行虚拟的运动仿真及问题检验是天窗设计的关键。
本文主要是根据全景天窗的实际运动轨迹,结合目标设定值,运用CATIA软件建立了天窗简化数模,模拟其实际运动轨迹,对全景天窗进行三维运动校核分析。根据根据校核结果分析原因,并对数模的不足之处进行及时修改。
1 天窗的校核内容
采用CATIA中的DMU(“Digital Mock-Up”的简称)模块对天窗的数字样机模型施加符合其运动方式的运动副和驱动命令,实现对天窗的运动模拟仿真,从而形象地分析天窗的运动状态,优化天窗结构的总体布置,提高天窗零件间的相互匹配能力。
天窗的校核主要包括:
1)静态校核:主要验证天窗机构在静态状况下,各零部件是否符合设计要求,即不存在静态干涉;
2)动态校核:主要验证天窗机构在运动状态下,各零部件的间隙是否足够,是否存在动态干涉;
3)前玻璃最高点Z向校核:根据相关设计要求,保证前玻璃在运动过程中,其最高点Z向变化量不得超过45mm;
4)前玻璃的加速度:根据相关设计要求,拉索在以50mm/s2的速度运动时,前玻璃的加速度不得超过400mm/s2。
2 天窗机构的运动仿真
在CATIA软件中,天窗机构的运动仿真基本流程如图1所示。
2.1 建立各零部件的数模
要模拟天窗的实际运动过程,首先要有相关零件的三维数模,包括:车顶玻璃、驱动机构、运动执行机构、框架总成及其他附件等,其结构图如图2所示。
根据参考已有的天窗实物,通过逆向和正向的方式初步建立简化的三维数字模型。该分类没有按照设计BOM来分,而是依照仿真要求来分的。
2.2 天窗系统的虚拟装配
按照自底向上的设计方法,进入CATIA装配设计模块中导入已经建立的简化三维数字模型。为了简化运算模型,提高运算速度,应对运动执行机构进行相应简化,同时对其他对运动仿真影响不大的结构进行相应的简化或合并(如将导轨和排水槽合并为一个零件)。为了方便以后的运动分析,建立了运动执行机构。创建天窗的虚拟装配模型如图3所示。
2.3 运动副的添加及控制规则的设置
进入DMU运动机构模块,建立一个运动机构。根据全景天窗的实际运动情况,首先将“排水槽+导轨”定义为运动基准,后玻璃固定在导轨上,运动执行机构在导轨中前后移动,从而实现前玻璃的升降功能。根据这些运动特点来添加机构的运动副,运动模型即建立完成。在添加约束的过程中,要注意对已有的约束进行转配约束转换,避免过约束影响运动分析。表1为关于天窗各个零件所添加的运动副的名称及原理。
在天窗运动分析中,运动执行机构和前玻璃可以运动,驱动命令必不可少,可以在建立运动副使直接定义驱动命令,也可在运动副创建之后定义驱动命令。为了让天窗模拟运动更加接近于真实,将拉索的速度设置为50mm/s,即编辑点曲线9运动的法则曲线。
2.4 天窗的运动模拟仿真
进入DMU运动机构模块,设置合适的运动副并添加驱动力后,机构的自由度为0,表示机构的自由度都被约束完,CATIA弹出系统提示信息,提示机构可以进行运动模拟仿真。
在“DMU运动机构”工具栏中选择“使用法则曲线进行模拟”按钮,根据要求选择相应的选项,从而完成天窗机构的运动模拟,结果如图4所示。
3 天窗系统的校核分析
3.1 天窗的静态校核分析
在天窗装配设计阶段按要求进行各个零部件之间的约束定义后,还需要对天窗机构进行装配干涉检查(即静态校核),以便及早发现问题,及时修改,减少错误。通过激活Clash命令,并按照相对应的对话框中选择检查类型和范围,进行静态校核。如有干涉现象,分析原因,及时修改更正。天窗的静态校核部分结果如图5和图6所示。
由于后玻璃与导轨通过螺钉连接,必须保证后玻璃上的安装支架与导轨上的安装孔相贴合。通过CATIA的静态校核的结果显示:后玻璃与导轨的接触类型是接插件,该值为0mm,符合设计要求,故该静态校核合格。
为了防止雨水通过前后玻璃之间的缝隙进入车内,所以后玻璃前段存在一条长长的橡胶材料密封条,以便前玻璃完全关闭时,前后玻璃能达到良好的密封效果。通过CATIA的静态校核的结果显示:前玻璃和后玻璃的接触类型是碰撞,该值为-7.35mm,在设计要求的范围内,故该静态校核合格。如若不能达到设计要求,应对不合理的机构进行修改,根据干涉检查结果分析干涉原因,并按给出的干涉提示,结合实际的天窗结构,进行及时修正,直至该天窗数模能通过静态校核。
3.2 天窗的动态校核分析
运用CATIA软件仿真技术对天窗的运动模拟进行详细动态干涉检查(即动态校核),可以在天窗投产前有效地检查天窗各个零部件的间隙及极限干涉情况,降低后期投产风险及相应成本。
在运动仿真过程中,通过以下方法检查动态干涉:将DMU运动仿真模块中的clash detection命令设为on或stop,则在运动过程中将碰撞的区域显示为红色并停止运动,从而可以详细观察具体干涉部位。图7为天窗的动态校核结果。
从动态校核结果来看,运动执行机构中的驱动连杆和辅助连杆与后玻璃出现了干涉现象。由于后玻璃的左右两侧均存在一条密封条,以确保后玻璃与车顶的密封条紧密贴合,防止雨水从车顶渗入车内。因此驱动连杆和辅助连杆将轻压后玻璃左右两侧的密封条,从而形成了动态校核结果中的情况。进一步对干涉结果进行检测,该干涉的值均为-3.11mm,如图8所示,该值在设计要求的范围内,因此该动态校核结果合格。如若不能达到设计要求,应对不合理的机构进行修改,根据干涉检查结果分析干涉原因,并按给出的干涉提示,结合实际的天窗结构,进行及时修正,直至该天窗数模能通过动态校核。
3.3 前玻璃最高点Z向的校核
根据国家标准《GB/T30037-2013汽车电动天窗总成》中的相关要求,结合企业自身的技术要求规范,要求天窗的前玻璃起翘高度不得超过38mm,即前玻璃最高点Z向变化不得超过38mm。因此在天窗设计完成后,要对天窗前玻璃最高点进行Z向校核,从而达到国家和企业要求的规范。
在对前玻璃Z向进行校核时,选择激活传感器按钮,根据需要选取相应对话窗口中输出的参数。天窗前玻璃最高点Z向变化曲线如图9所示。
根据上述变化曲线可知,前玻璃最高点Z向变化均在35mm以下,这说明该天窗在运动过程中满足国家和企业要求的相关规范,该设计合理。
3.4 前玻璃加速度的校核
根据相关研究表明:汽车天窗水平运动过程除了在电机起动的短时间内有个加速过程外,其余时间是一个基本保持匀速运动的过程,这个过程一般不会有大的冲击和噪声产生;却多次发现在斜向运动过程的初始阶段有较大噪声。所以要对前玻璃的移动速度进行相关设定。
根据相关设计要求,拉索在以50mm/s的速度运动时,前玻璃的加速度不得超过400mm/s2。根据图10变化曲线可知,前玻璃的加速度值均在400mm/s2以下,这说明该天窗在运动过程中符合相关设计要求,该设计合理。
4 结论
根据以上三维数模运动仿真分析结果,可以得到以下基本结论:
1)天窗机构在静态状况下,各零部件符合设计要求,不存在静态干涉(除前后玻璃结合处的密封干涉);
2)动态校核:天窗机构在运动状况下,各零部件的间隙足够,不存在动态干涉(除驱动连杆和辅助连杆与后玻璃左右两侧的干涉);
3)前玻璃最高点Z向变化量在相关技术要求范围值内;
4)前玻璃的加速度在相关设计要求范围内。
综上所述,该天窗设计符合设计要求。
参考文献
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[2]李晏,吴挺,等.汽车电动天窗机构运动分析及其凸轮廓线优化的研究[J].汽车工程,2010,32(3):266-269.
[3]邱垂翔.基于CATIA的某轻型商用车麦弗逊前悬架三维运动校核方法[J].研究与开发,2013,3:77-79.
[4]吴基安,董素荣.汽车电动车窗(天窗)的结构与工作原理[J].汽车电器,2001(1):23-26.
CATIA仿真 篇3
一、CATIA软件介绍
CATIA三维软件广泛用于汽车、航空航天、轮船、军工、仪器仪表、建筑、电气管道、通信等领域。波音飞机除了发动机以外的所有零部件以及总装均采用CATIA软件进行设计, 从概念设计到调试运行实现无纸化办公。在汽车行业, 通用 (同时使用UG) , 福特, 大众, 宝马, 沃尔沃, 标致雪铁龙, 丰田, 本田, 雷诺, 菲亚特, 三菱, 博世, 现代, 起亚以及中国的上汽, 一汽, 东风等大公司均使用CATIA软件。同时美国军方也是其忠实的用户。因其具有强大的曲面、结构设计能力, 无以伦比的精度, 越来越多的汽车制造企业和设计公司加入了其使用行列。
二、桑塔纳2000轿手动变速器结构及特点
桑塔纳2000型轿车五挡手动变速器由传动机构、操纵机构、变速器壳体等主要部分组成, 因其结构简单、噪音低、操作灵活且工作可靠, 在手动变速器之中具有典型的代表意义。经长期的市场考验以及工艺改进, 该变速器在结构以及整车匹配方面已相当成熟。其结构示意图如1所示。
注:1.四档齿轮;2.三档齿轮;3.二档齿轮;4.倒档齿轮;5.一档齿轮;6.五档齿轮;7.五档锁环;8.换档机构壳体;9.五档同步器;10.变速器壳体;11.一、二档同步器;12.变速器壳体;13.三、四档同步器;14.输出轴;15.输入轴;16.差速器结构。
特点:桑塔纳2000手动变速器的齿轮变速机构由平行布置的输入轴和输出轴组成, 动力由发动机经离合器的从动部分传递到变速器输入轴, 通过齿轮改变传动比后由输出轴输出, 最终通过主减速器的主动锥齿轮轴将动力输出给半轴。同时设有自锁、互锁以及到挡锁止装置, 使得变速器工作更加可靠。
三、桑塔纳2000变速器传动比及传动路线
桑塔纳手动变速器挡位由5个前进挡与一个倒车档构成, 其传动比为0.8~3.455, 能较好地实现从低速到高速的动力传递, 充分发挥发动机的扭矩输出, 为汽车提供良好的动力。各挡位传动比如表1所示。
一档:变速器操纵杆从中间位置向左、向前移动, 实现:动力→输入轴→输入轴一挡齿轮→输出轴一挡齿轮→输出轴上一二挡同步器→输出轴→动力输出。二档:变速器操纵杆从中间位置向左、向后移动, 实现:动力→输入轴→输入轴二挡齿轮→输出轴二挡齿轮→输出轴一二档同步器→输出轴→主减速器→动力输出。三档:变速器操纵杆从中间位置向前移动, 实现:动力→输入轴→输入轴三四挡同步器→输入轴三挡齿轮输出轴三挡齿轮→输出轴→主减速器→动力输出。四档:变速器操纵杆从中间位置向后移动, 实现:动力→输入轴→输入轴三四挡同步器→输入轴四挡齿轮输出轴四挡齿轮→输出轴→主减速器→动力输出。五档:变速器操纵杆从中间位置向右、向前移动, 实现:动力→输入轴→输入轴五挡同步器→输入轴五挡齿轮→输出轴五挡齿轮→输出轴→主减速器→动力输出。倒档:变速器操纵杆从中间位置向右、向后移动, 实现:动力输入轴输入轴倒挡齿轮输出轴倒挡齿轮输出轴倒挡同步器输出轴主减速器动力反向输出。
四、运用CATI软件进行结构仿真
结构仿真过程:变速器拆解-零部件测绘-绘制零件模型-完成装配模型。此次结构仿真设计只涉及变速器齿轮传动机构部分, 变速器壳体部分只作为装配过程的尺寸参考, 不进行结构仿真。装配总成模型如图3所示。
五、结语
本次仿真设计以CATIA软件为基础, 齿轮变速机构为桑塔纳2000型五挡手动变速器, 在仿真设计过程中以各挡位齿轮齿数为前提, 对变速器进行拆装与测绘, 整个过程采用逆向设计思维, 将该变速器的齿轮变速机构进行1:1结构仿真, 建立三维结构装配图, 从而更深入了解各挡位的动力传递路线以及各挡位工作齿轮的结合过程, 同时可以直观地展示换挡拨叉推动锁环式惯性同步器的移动, 以及自锁、互锁、倒挡锁的工作原理和工作过程。
参考文献
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[4]濮良贵主编.机械设计[M].北京:高等教育出版社, 2006, 第8版
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CATIA仿真 篇4
由信息技术支持的根据空间变异,定位、定时、定量地实施一套现代化农事操作技术与管理的系统,统称为精准农业(Precision Agriculture),其核心是根据作物生长的土壤性状,调节对作物的投入。在我国实施精准农业示范和研究工作具有重要的战略意义,作为精准农业系统之一的智能化农机具系统起着不可或缺的重要作用[1]。
现代农业对精密播种机械的要求越来越迫切。安徽省地形多为丘陵地带,播种作业规模多为中小型,且种子种类多,如芝麻、花生、大豆等,对播种机械提出了更高的要求[2,3,4,5]。
本文研究一种适应多类种子播种的手推式株距可调精密播种机的结构和运动特性,并以韩国姜式播种机为例,先进行CATIA建模,后进行ADAMS多体动力学仿真分析。该研究平台的建立为进一步分析土壤不平度、土壤力学特性以及播种机结构等因素对播种效率的影响提供了有效手段,为研究小型精密播种技术奠定了基础。
1 播种机整体结构
为适应山区和丘陵地区使用,手推式播种机结构简单、轻便,便于携带和作业。设计时,可采用轮式支撑以减小土壤阻力,并调节推力支架与地面角度以优化开沟深度和克服土壤阻力因素,降低作业人员疲劳强度。播种器的设计应能适应不同大小种子播种要求,且株矩在一定范围内可调节。另外,播种机整体设计可靠性要高,成本低[2,4]。图1所示是一款韩国姜式播种机三维模型,结合具体实物在CATIA环境中绘制。本文基于其具体物理尺寸建立虚拟样机,进行结构和运动学仿真,分析其工作特性。该播种机由支架、行走机构、排种器和传动装置组成。
1.推杆支架 2.播种装置 3 .地轮 4.传动装置 5.开沟器 6.覆土器 7.镇压轮
作业人员手施力于推杆支架,由地轮和镇压轮支撑播种机向前运动。地轮通过传动装置带动播种装置中的排种器旋转。在播种过程中,首先要由开沟器开沟,种子排入土壤后再由覆土器为播种沟覆土,最后由镇压轮将播种沟压实。
2 播种机关键部件建模与分析
2.1 窝眼式排种器
对播种机而言,其播种方式和播种质量主要取决于排种器,播种株矩调节主要取决于传动装置,排种器是播种机的核心部件。图2是排种装置的具体结构。采用了窝眼轮排种器,其工作部件是一个绕水平轴旋转的窝眼轮,窝眼轮转动时,种子容器中的种子靠重力滚入窝眼内,经刮种器刮去多余的种子后,窝眼内种子随窝眼沿护种板转到下方,靠重力下落。此机具适宜于播粒度均匀的种子,而以播球状种子最好[4,5]。此外,可制作多个窝眼轮备用,也可将窝眼轮制成滑套式,滑套可轴向移动以调节窝眼轮横向大小,简洁方便,易于操作。选用不同型孔的排种器可以匹配不同大小种子进行排种作业。
1.刮种器 2.排种器 3.排种器窝眼 4.种子容器
2.2 双链联合传动
播种机传动装置采用双链联合传动,传动路线如图3所示;传动装置三维建模如图4所示。
主链条两链轮之间的中心距a1=236.4mm;链节型号为08A型滚子链,节距p=12.7mm,链条共有50个链节组成;与滚子链相配套的主从动链轮齿数z1=z2=11,链轮分度圆直径d1=45.07mm。侧链条两链轮之间的中心距a2=123.2mm,链节型号同主链条,侧链共有28个链节组成,侧链中主从动链轮齿数z3=z4=8,链轮分度圆直径d2=33.19 mm。
主链条和侧链条之间通过六棱柱的传动轴进行动力的传动,其水平距离d=107 mm。与窝眼轮相配合的轴链轮的齿数z5=10。
1.主链条主动链齿 2.主链条 3.主链条从动链齿 4.六棱柱传动轴 5.侧链条从动链齿 6.侧链条 7.窝眼轮链齿 8.侧链条主动链齿
播种机总的传动比为
在理想情况下,地轮与地面接触且不滑转,地轮旋转1.25周,排种器旋转1周。
链轮与传动轴直接采用成形联接,工作过程中没有弹性滑动和打滑,尺寸紧凑,能保持准确的平均传动比和高的传动效率(约98%)。手推式播种机因人工操作,间断性和随意性较大,利用链传动是精密播种机传动的最佳选择[6]。
2.3 株距控制技术
株距可调是提高播种机适应性和改善播种质量的重要指标。根据土壤以及作物的特点选择适当的株距播种对农作物的生长和发芽率起重要作用[7,8]。合适的行距和株距可使作物受到充足的阳光照射,提高作物光合作用效率。图1中的播种机是单行型的,其播种行距由操作人员确定;但排种株距可采用两种方式实现:一是改变传动装置传动比,二是选配不同窝眼数量的排种器。
播种机传动装置传动比的改变通过选配不同链齿数z2的主链条从动链轮实现。在选择相同排种器时,z2选取越大,排种株矩越大。
窝眼轮排种器拆装方便,可现场选配不同窝眼数量的排种器调节播种株矩。图5为两种窝眼轮三维视图和尺寸图,两个窝眼轮在播种器中的安装方式以及运作方式都一样。
(a) (b)
株距s按式(2)计算,即
式中 s―株距(mm);
dd―地轮直径(mm),dd=260;
i―从地轮到窝眼轮传动比,i=1.25;
n―窝眼数,图5(a)中n=4,图5(b)中n=6。
分别计算得到:当n=6时,s≈108.85 mm;当n=4时,s≈163.25 mm。
综上,改变排种窝眼轮数目和选配不同的传动链轮,可以实现调节播种株矩的目的,以适应不同作物生长需要。
3 播种机仿真分析
ADAMS是以计算多体动力学为基础,包含多个专业模块的虚拟样机开发系统软件,利用它可以建立起复杂机械系统的运动学和动力学模型,通过对虚拟样机的仿真试验分析,可以有效实现结构改进、缩短开发周期。ADAMS软件基于IGES,STEP,STL/DWG/DXF等产品数据交换库标准文件格式实现其与其他CAD/CAM/CAE软件之间数据双向传输,从而实现同一数据在不同软件间的共享。
本文中基于CATIA软件建立整机模型。CATIA中的模型可以保存为IGES和STEP格式,但若用这两种格式导入装配体的话,导入的装配体成立一个PART,丢失了装配关系,且各部分显示为形面状态,无solid信息。ParaSolid为著名几何造型核心系统,可以提供精确的几何边界表达,能够在以它为核心的CAD/CAE/CAM系统间可靠地传递几何和拓扑信息。文中先将在CATIA中建立的模型保存为stp格式,再将其通过Solidworks软件转换成Parasolid格式,然后导入ADAMS软件中。这种方法很好地实现了CATIA和ADAMS之间的图形交换问题[9,10]。对导入ADAMS/View模型,还需要定义各部分的材料属性。图6为在ADAMS中定义各部分之间运动副和驱动副后的运动仿真模型。
精密播种机的运动仿真主要是研究各个部件之间的运动、受力情况和运动稳定性。设置仿真时间t = 10 s,仿真步长stp = 100,仿真类型为动力学分析(Dynamics)。基于ADAMS中提供的各个运动副在仿真过程中的受力、速度、加速度、位移等的测量信息对播种机运动进行分析。在仿真时以窝眼式排种轮作为检测目标,验证模型的准确性以及排种轮的工作性能。图7为排种轮的角加速度和角速度图。从图7中可知看出,在播种机启动运行一段时间后,保持手推速度不变时,窝眼轮的旋转速度稳定性很高,只是在启动过程中会有很短时间的加速过程。由此可知,建立的模型排种准确性高,运行可靠。
4 结论
通过CATIA软件建立了某典型手推式单行珠距可调精密播种机三维模型,并通过Parasolid格式导入到ADAMS软件中进行多体动力学分析。仿真表明了模型建立准确,运行可靠。
搭建的联合仿真平台为进一步分析土壤和播种机结构等因素对播种效率的影响,以及结构优化以提高播种机适应性等提供了有效手段,为研究适应安徽省山区、丘陵地带小型精密播种技术奠定了基础。文中采用的方法可以应用于其他类似研究领域。
参考文献
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CATIA仿真 篇5
关键词：CATIA,ADAMS,虚拟样机,仿真
曲柄机构是一种应用广泛的机构,当其曲柄运动时,连杆平面上的描点的轨迹为连杆曲线。连杆曲线丰富多样,可复演各种复杂轨迹应用于工程实际中。本文针对曲柄机构的工作特点,利用三维设计软件CATIA建立曲柄机构三维模型,通过与机械动力学仿真软件ADAMS的接口软件,实现数据交换,在ADAMS中建立曲柄机构虚拟样机模型,对虚拟样机进行运动仿真,验证了该虚拟样机模型的正确性[1]。
1 机构模型建立
1.1 机构介绍
图1为曲柄机构的简图,构件1为旋转曲轴,构件2、4为连杆,构件3为摇臂、构件5为滑块。整个工作装置共有1个球铰、1个移动副、5个转动副。原动力(旋转驱动)加在曲轴上。
自由度计算:
其中:n为活动的构件数;PL为低副数;PH为高副数;F为自由度数。
1.2 CATIA环境的虚拟装配
运用CATIA软件的Part零件设计模块建立货舱门锁机构各零件的三维实体模型,利用Mechanical Design中的Assembly Design装配模块进行货舱门锁机构的虚拟装配,进行虚拟装配主要考核该设计方案的装配性、维修性及零部件间的运动干涉情况。CATIA软件提供的零件装配方式包括重合、对齐、偏移一定距离等装配方式[2]。完成后的曲柄工作机构三维模型如图2所示。
2 虚拟样机运动仿真
2.1 模型导入ADAMS
在CATIA实体设计中完成曲柄工作机构建模之后,利用Simdesigner软件将CATIA环境下的曲柄工作机构三维模型以*.cmd格式import到ADAMS中,并在ADAMS/View下对各构件的名称、材料等基本信息进行设定[3]。
2.2 创建约束副
导入到ADAMS中的模型各构件之间还没有任何约束,为了进行运动仿真,必须在各个构件之间加上约束关系。因此,在曲柄1与连杆2之间创建球形副,在连杆2与摇臂3、连杆4与摇臂3之间创建旋转副(Revolute Joint),滑块5和大地之间创建移动副(Translational Joint)。
2.3 创建驱动
主工具箱中选择旋转驱动,将其施加在曲柄与大地构成的旋转副(Revolute Joint)上,设定仿真参数,速度为120°/s,时间为2s,200步。图3为创建了约束和驱动的曲柄工作机构的仿真模型。
2.4 仿真结果
通过ADAMS/Postprocessor模块对仿真结果进行分析处理,得到滑块质心的位置、速度、加速度曲线,如图4所示。
3 结语
通过对曲柄工作机构的分析,借助CATIA实体设计软件强大的造型和装配功能完成了工作机构的三维建模与虚拟装配。使用接口软件成功地将CATIA环境下的工作机构装配模型文件用*.cmd格式导入ADAMS中,在ADAMS环境下创建了工作机构的约束副和驱动,实现了工作机构的运动学仿真。结果表明,利用虚拟样机技术研究曲柄工作机构的运动切实可行,为曲柄机构的设计提供了一定的理论依据,有助于缩短产品设计周期,降低产品开发成本,提高产品快速响应市场变化的能力。
参考文献
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CATIA仿真 篇6
一、虚拟模型的建立
( 一) 齿轮齿条式转向系统结构分析。现代轿车转向系统一般采用齿轮齿条式结构, 由转向盘、转向管柱 ( 万向传动装置) 、转向器、转向横拉杆、以及转向节等组成, 驾驶员通过对方向盘操控, 产生转向力矩并通过转向轴带动转向齿轮旋转, 转向齿条将旋转运动转变为直线运动, 带动转向横拉杆拉动转向节偏转, 从而实现汽车车轮的转向。当驾驶员释放转向力矩时, 转向系统由于转向轮定位参数的存在, 会产生一定的回正力矩, 从而自动地使方向盘回到原始中间位置。此功能实现取决于转向轮定位参数的准确性, 与汽车悬架系统有着密切的关系。因此需与悬架系统配合进行仿真分析。
( 二) 建立CATIA虚拟样机模型。本文主要采用CATIA实体与装配体模块对转向系统进行建模, 参照零部件所对应车身位置进行虚拟装配。为保证转向系统与悬架系统干涉最小化原则, 在进行转向结构设计时尽量减少干涉的可能性, 保证转向系统与悬架系统的匹配, 减小车轮沿车身跳动曲线上下运动时前轮定位参数的变化范围, 达到转向的稳定性和减少轮胎磨损目的。在零部件设计过程采用参数化设计模式, 以便在后期发现问题可及时进行修改, 优化设计方案。本文设计对象车型转向系统主要设计参数如表1 所示。根据设计参数计算得知, 要满足设计最小转弯半径, 即要在齿条最大行程时所获得的最大内轮转角位35. 68°, 最大外轮转角位27. 14°, 根据转向系统设计规范, 此计算值符合转向机构设计性能参数的理论值范围。
二、转向系统运动仿真分析
( 一) 运动仿真模型的建立。运用CATIA装配模块将转向系统所有零部件进行总成装配, 完成整体数据模型的建立与完善, 然后运用DMU电子样机模块建立运动仿真模型, 在转向系统运动分析中, 先确定各运动副之间的位置关系以及运动状态, 如前轮跳动条件下方向盘控制左右车轮转角变化以及传动装置的跳动校核等。因此在运动仿真模型中, 若建立的运动副不同, 可实现仿真效果也多种多样。
1. 前轮跳动。由悬架系统上下摆臂以及弹性元件连接从而带动转向节运动引起车轮跳动, 上下摆臂运动极限由限位块决定。可得出车轮跳动上下高度以及其运动状况。
2. 前轮转动。操纵方向盘产生转向力矩, 通过转向传动装置传递给齿轮齿条转向器, 由横拉杆带动转向节引起车轮转动, 通过转向盘最大行程、转向器传动比等可得出转向轮最大转角。
3. 前驱动轴运动。前驱动轮由半轴带动, 产生加速、爬坡等力矩。前轮作为驱动轮的同时也是转向轮, 在转向轮达到最大转向角的同时, 半轴能有力矩输入至驱动轮, 确定其扭矩输出最大夹角位置。
4. 后传动轴运动。由后桥弹性原件决定, 确定其运动轨迹, 根据运动轨迹进行后传动轴运动仿真。
本文建立的运动副为转向器齿轮齿条机构, 在运动仿真过程中, 首先需要定义齿轮齿条质量及运动的初始条件, 其次定义运动副的类型, 方向及驱动类型。齿轮为旋转副, 驱动类型为恒定, 初始条件设为15mm/s, 齿条为移动副, 无驱动, 齿轮齿条的运动方向与实际啮合状态一致, 最后选择齿轮齿条副连接, 定义旋转副 ( 齿轮) 和移动副 ( 齿条) 之间相对运动, 设置运动参数, 提交仿真数据进行运算。
( 二) 干涉检查。汽车设计的干涉检查是一项非常重要的环节, 其有效性直接决定汽车的可装配性, 一般干涉检查分为静态干涉检查和动态干涉检查。动态干涉往往是检查的关键。进入CATIA装配环境, 建立齿轮齿条之间的约束, 确定零部件之间的相互位置关系, 由于在虚拟零部件设计时采用与实际零件尺寸一致原则, 因此可准确、直观、快捷地完成整体空间布置的校核, 此阶段为静态检查工作。在CATIA软件的DMU模块中, 可获得运动部件的包络体, 即运动部件的极限运动位置, 并在运动过程中测量转向系统与周围固定部件之间的间隙, 如翼子板、车身以及悬架系统上下摆臂等, 分析是否符合车辆设计要求。校验该转向系统在整车底盘系统设计完成后的装配可行性。
( 三) 车轮定位分析。汽车前轮作为转向轮在转向时需产生一定的回正力矩, 因此其定位参数设置合理程度决定汽车行驶稳定性, 前轮定位参数的参数设置评价标准有两个, 一是在静平衡状态下即车轮中心相对车身保持静止时, 车轮定位参数与设计值的符合程度; 二是车轮中心在设定的极限区域内相对于车身上下跳动时, 前轮定位参数的稳定性和变化规律, 其中前轮前束变化规律尤为重要, 其变化程度的大小直接影响汽车行驶稳定性和轮胎磨损状况。正确的仿真分析应得出前轮前束值应当随车轮向上跳动而减少的趋势, 以保证汽车不足转向特性。而影响前轮前束数值变化规律的主要因素就是横拉杆球头与转向节臂球头的高度差, 该高度差参数设置的不合理才会导致车轮平行跳动时前轮前束变化过大。
三、结语
通过分析讨论, 运用CATIA软件来实现汽车转向系统虚拟装配设计, 并进行运动仿真分析, 可以准确地实现从设计到产品装配一系列过程的可视化。并且对设计结果进行动、静态干涉检查, 检验设计可靠性, 实现装配流程的初始方案设计。CATIA运动仿真可优化汽车系统设计的大部分复杂验证工作, 减轻设计师工作强度, 减少设计失误, 缩短设计周期, 减少前期研发资金, 因此该方法由于其可靠、高效, 已为众多汽车生产制造企业所用。
参考文献
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