装配仿真（通用8篇）
装配仿真 篇1
本文在对装配仿真技术进行研究的基础上, 对机翼结构与装配技术和装配工艺及仿真验证进行详细分析。
1 装配仿真技术
数字化装配仿真技术简称装配仿真技术, 人们通常对该技术的理解停留在运用虚拟的形式对该转配技术展开设计。从现实角度来看, 首先, 物体的物理模型受到虚拟模型的映射而产生;另一方面, 现实物体装配过程以虚拟转配过程来进行代替检验。现阶段, 应用该技术最主要的目的是希望实现有效验证相关设计成果是否能进行有效组装和拆卸, 并提供相关验证结果, 供设计人员在接下来的工作中更好地进行参考和设计。同时, 还可以实施装配规划, 通过多次组合和尝试, 最终得出最佳装配工艺方法, 对接下来真实的配件生产产生极大的指导作用。现阶段, 该技术在真实的生产过程中主要包含人机工程仿真、装配顺序仿真等内容。
该技术在使用过程中最大的优点在于设计产品的过程中, 虚拟环境能实现有效检验和优化设计方案和制作工艺。由于虚拟装配在实际装配实施以前进行, 能在实际操作之前及时了解该设计及装配中的缺陷和不足, 从而减少实际生产过程中的失误[1]。现阶段, 飞机装配过程中, 数字化装配仿真技术的应用越来越广泛, 该技术的水平也得到不断提高。
2 机翼结构与装配技术
本文在对装配仿真技术及其在飞机装配中的应用进行研究的过程中, 以机翼结构和装配工艺为例进行讲解。值得注意的是, 飞机整体的构造中, 较高的精度要求存在于机翼外形构造中, 在某通用飞机的机翼中, 翼肋和纵墙等是其主要构成部分, 而内部拥有较多的钣金部件, 大量的装配及复杂的结构是导致复杂装配工艺产生的基础, 因此, 在进行装配的过程中, 机翼装配型架必不可少。
现阶段, 机翼转配过程中采用的联接工艺仍以传统的铰接和螺纹联接等为基础, 再加上机翼的外形在飞机中具有非常重要的作用, 却需要应用小刚度的薄壁和钣金部件, 因此, 容易在装配过程中导致变形和应力的发生, 从而使定位工作必须由装配型架来完成, 其在使用过程中以确保装配件被夹紧为主, 并在装配中提供较高的准确度[2]。在进行实际制作的过程中, 零配件的固定应由定位器来进行, 促使其始终保持应当的位置;而机翼外部造型精确度的确定应由卡板来实现。
在装配机翼的过程中, 应根据不同的状况进行实际操作, 通常状况下可以首先在蒙皮、翼肋等部件的组装过程中应用单个零件, 同时还包含耳片和加强筋等部件的安装;其次, 翼尖和副翼的组装过程中, 应由次级组件来进行;最后, 总体装配机翼[3]。
3 装配工艺及仿真验证
在对装配工艺及仿真验证进行探讨的过程中, 本文仍以机翼为例进行讲解。首先, 应确定仿真环境, 这里应用DELMIA, 之后导入工装型架和三位数字两种模型, 当然, 这两种模型是经过精心设计的, 在该环境中, 调整相应位置的联系。创建装配仿真工艺流程的过程中, 需要严格按照装配顺序来实施, 并在该过程中将工装信息和装配仿真工艺紧密连接起来, 在这一切准备活动以后, 就能有效构建并调整相关工艺流程顺序, 并将相关资源模型和产品指派到设计好的流程和节点中, 充分验证有效性在该流程中的体现。
3.1 验证装配顺序
在验证装配顺序的过程中, 应充分考虑相关资源信息、流程和产品信息等, 同时还应充分运用已经定义好的装配路径, 以促使三维动态仿真在产品的装配流程中真正实现。分析装配流程的过程中, 应在DPM中实现, 从而充分有效分析并检测距离与间隙、运动空间及装配所需的时间等。在计算机中, 统计并结合各种分析结果, 并将相关数据分析结果及时提供给设计人员, 促使设计人员更加直观地面对相关装配空间、路径及顺序中的不足, 并在接下来的设计中对其进行优化, 指导促使整个装配工艺实现科学合理。
3.2 检查装配干涉
在应用DELMIA进行装配仿真时, 该环境会提供大量的干涉检测功能, 例如, 仿真工具条内部存在的摩擦检查设备, 能对运动过程中不同零部件和工装等产生的干涉进行充分检测。一旦干涉被系统发现, 就会自动警报, 同时会在对干涉进行检验后自动将报告提供给工作人员, 干涉区域、内容及零件等是该报告的主要内容, 这样会促使相关工艺设计人员就能及时分析干涉产生的原因, 同时也能以最快的速度调整和修改不科学的装配工艺。例如, 在对机翼实施装配仿真时, 可能会出现开合时蒙皮同卡板产生互相干涉, 同时还会体现出降下架时机翼的局部干涉。这样一来, 设计人员就能在相关报告的基础上仔细分析, 及时调整。但是, 尽管如此, 机翼在实际生产过程中仍会产生一定程度的干涉现象, 此时, 还应继续进行分析, 从而得知不同零件在生产过程中会产生一定程度微小的误差, 这些误差不断积累, 在实际应用过程中就会产生较大的问题, 从而引起严重的装配变形等现象。尽管如此, 应用该技术进行装配仿真后, 在实施生产中仍比传统生产技术中的误差和干涉较少。
4 结语
在科学和信息技术不断进步的背景下, 我国在进行飞机装配过程中应用了装配仿真技术, 促使设计人员能在虚拟的环境中更具体地观察飞机各部件的组装及设计环节, 并及时发现设计中存在的不足, 进行修正, 从而使实际生产过程中的失误大大减少, 提高飞机制作效率, 有效降低成本。同传统飞机装配技术相比, 该技术的应用具有重要价值, 值得我国相关部门进行研究和应用。
参考文献
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装配仿真 篇2
摘 要：通过对某接线板装配生产线布局的分析，发现其工序安排不合理、空间分配不合理和设备摆放不符合人因等问题。运用5W1H和ECRS方法对该装配生产线的工序流程，人员空间布局，作业工具及配件的空间布局进行了改善。运用ED仿真软件针对此装配生产线的布局进行仿真优化，可减少该流水线的作业人员，降低用工成本，缩短生产线长度及作业时间，提高作业效率。
关键词：ED仿真；生产线；布局优化
中图分类号： TH16 文献标识码： A 文章编号： 1673-1069（2016）19-147-2
0 引言
生产线的合理布局能较好地响应精益化大批量生产、JIT、敏捷制造、成组技术等思想，同时消除由于建设时期对企业发展战略和产能规划预想不足，整体物流规划、产线布局考虑不完善而导致的半成品、成品、配件等随意摆放的现象。实现生产线合理布局，不仅有助于合理利用空间、人力、物力，降低企业成本，还能提高企业生产效率，保证产品质量与稳定性。某新型接线板装配生产线是传统的直线型流水线作业，通过程序分析、作业分析及作业空间分析，发现其在工艺流程、空间布局和物件摆放等方面存在问题，影响作业效率。运用基本改善方法，提出合理的优化方法并运用ED 仿真软件进行可行性分析，从而达到合理利用空间，节约人力物力的改善目的。
1 装配生产线布局现状及存在问题
1.1 接线板装配生产线布局现状
本次研究的新型接线板共有三条流水式手工组装生产线，每条生产线有18名作业员工，较其他生产线，它的生产能力较低。因此选择该产品的新型接线板装配生产线（JR）为研究对象并进行研究改善。
其装配流程包括以下工序：①开关点焊电源线；②开关电源线组件铜片点焊；③铜片焊接LED灯；④底座装铜片和开关；⑤上盖装保护门；⑥理线和盒盖；⑦打螺丝（6个）；⑧检查外观并贴合格标签；⑨装下装饰条；⑩耐压测试；11接地电阻导通测试；12装上装饰条；13装电源插座保护套；14最终检查并贴标签；15装袋封口；16装箱封箱。共由16道工序组成，作业人数需18人，共耗时290.90S。其中工序4需要附加件铜片和开关，工序7需要附件螺丝，工序9和12需要附件装饰条，工序8和14需要合格标签。每道工序间为传统直线型流水线作业，通过采集每道工序的作业用时发现，在作业过程中存在等待空闲和紧张作业的工序，流水线存在不平衡。装配生产线布局规划现状图如图1所示。
1.2 接线板装配生产线布局存在问题分析
针对该装配流水线的装配流程、工位大小位置、工人作业方式等，结合装配生产线布局现状图，运用程序分析、操作分析、动作分析、布局分析和模特分析等发现主要存在以下几点问题：
①接线板装配生产线工序安排存在不合理。
部分工序作业压力大，部分作业空闲。装下装饰条和装电源插座保护套这两个工序的作业时间明显短于平均作业时间。
由图1可以看出工序2、3、4之间没有遵循最短路径原则，形成了工件的逆流。
②接线板装配生产线空间分配存在不合理。
作业人员空间分配不均，个别工位距离间隔特别大，个别工位距离间隔特别小，没有实现标准化。
配件工具的摆放位置占据空间过大，虽然不影响作业，但是形成浪费。
③接线板装配生产线摆放没有符合人因。
工序6作业过程中使用的插座盖自带包装壳，出于回收思想，在作业人员的右侧放置垃圾袋。但每次将包装壳丢进垃圾袋中都需要一手将袋口打开，一手丢入，既浪费时间，也使作业人员易产生疲劳感。
2 装配生产线布局的改善
2.1 装配工序流程改善
运用5W1H和ECRS思想对该装配生产线的工序流程进行改善。通过5W1H逐一对生产流程各个步骤进行分析，结合ECRS进行必要优化，改善后装配生产线布局图如下图2。
工序9、10和工序12、13的作业时间较短，作业方式简单不会互相产生干扰，可以合并为一个作业，既平衡生产线，又节约人力成本。
2.2 装配生产线人员空间布局
运用模特分析法以及作业空间分析，将工位距离标准化，使作业空间既不会太狭小导致设备位置不好，流水线作业过程中作业不便，又不会浪费作业空间。
在合理分配流水线作业空间后，流水线上有足够的空间将工序3的作业位置放于流水线上。这样既避免了工序2、3、4形成的流水线逆流现象，也有效的减少工位3在流水线外侧所占用的空间。
2.3 装配生产线作业工具及配件的空间布局
在安排好作业人员位置以后，根据模特作业分析法，将作业动作分解。根据作业方式最轻松、作业距离最短、作业范围最小的原则，合理摆放作业工具，并采用器具上挂的方式，方便作业也节约空间。
改进工序6中的垃圾袋，将其敞口设置改为固定开口，将双手作业变成轻松的单手操作。
2.4 装配生产线布局改善方案可行性分析
在确立改善方案以后，为确保方案的可行性与合理性，借助Enterprise Dynamics（ED）仿真软件，对改善方案进行模拟仿真。仿真模型建立如下图3所示。
通过ED仿真，减少人力、时间、资金的浪费，提高生产效率，节约运行周期以及缩短决策时间。仿真在企业设施规划中扮演着越来越重要的角色，也正是用这种虚拟手段，更直观地反应改善方案的可行性。
3 结语
通过对新型接线板装配生产线（JR）布局的改善结合ED仿真软件的可行性分析，可减少该流水线的作业人员2名，降低用工成本；将原长为18米的生产线缩短为16米并且解决生产线中存在的逆流；缩短流水线作业时间20秒，可提高该装配生产线的作业效率。
参 考 文 献
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[4] 卢海洋，栗继祖.工业工程在F公司生产线平衡中的应用[J].物流技术，2014，12（03）：295-299.
装配仿真 篇3
推进剂加注设备是火箭发射系统的重要组成部分,操作、维修人员的业务水平对火箭发射活动具有重要影响。操作失误和维修不当轻则造成设备故障,延误发射,重则引起推进剂泄漏事故,造成人员和装备损失。利用虚拟现实技术进行加注设备装配操作训练,有助于操作和维修人员熟练地掌握加注设备的操作和维修技能,避免利用实际加注设备进行训练的种种限制。本文研究加注设备虚拟装配仿真训练系统的开发过程。
1 系统功能和技术框架
加注设备虚拟装配仿真训练系统具备以下三项主要功能:
1) 加注设备基础知识学习功能。
以帮助文档和虚拟场景相结合的形式讲解加注设备的功用、结构、原理、操作使用和维护修理等知识。设备知识包括系统级和部件级两个层级。系统级知识的学习在完整的加注设备虚拟场景中进行,用户进入场景“实地”观察系统构成、设备功用与布置、管路走向等,并可通过弹出菜单项选择进入相关帮助文档,学习系统工作流程、操作使用方法和维护修理知识。在系统级虚拟场景中可点选重要设备进入部件级学习,部件级学习在单个设备虚拟场景中进行,可观察各设备的三维实体结构和装配关系,也可选择进入相应帮助文档,学习设备的工作原理和使用维护方法。操作、维修人员通过这些知识的学习,获得加注设备工作原理和操作维护的基本知识。
2) 加注设备装配模拟训练功能。
以动画演示和虚拟交互操作相结合的形式练习加注设备的拆卸和装配工艺过程。在系统级虚拟场景中,可以选择观摩零部件更换和维护保养演示,这种演示为顺序动画形式,用户不能干预或参与装配;也可选择交互拆装操作,用户可通过鼠标、键盘对设备进行选择、旋转、拖动和释放,进行零部件更换和维护保养的操作训练,此时用户完全自主拆装。用户还可点选重要设备进入单个设备的拆装训练环境,同样可选择观摩单个设备的拆装演示或自主进行设备的交互拆装训练,此时可将设备完全拆卸成零部件。通过交互拆卸和装配训练,用户可熟悉设备拆装的工艺流程。
3) 加注设备装配工艺规划。
以装配工艺规划算法[1]为基础,提供拆装序列规划、路径规划和特定故障拆装训练平台。针对加注设备的特定故障,用户可通过此平台拟定维修方案并进行维修训练。当某设备发生故障后,维修人员初步确定拆卸的方案(通常只需拆卸少量零部件),再利用此平台规划拆卸序列和路径,得出最优的拆卸工艺方案。再以此拆卸工艺方案为基础,生成操作、维修综合实验环境,人员通过此环境,针对具体的故障和维修方案,采用最优的装配工艺进行拆装训练,有针对性地获得特定故障的维修技能,提高维修的工作效率。
图1所示是推进剂加注设备虚拟装配仿真训练系统的技术框架,分为界面层、应用层和支撑层三部分。界面层是对仿真应用的集成和调度,实现用户功能,并为用户提供友好的操作界面。应用层是面向特定需求的仿真实现,通过设备知识的搜索和综合、装配过程仿真和装配工艺规划三部分实现加注设备知识学习、拆装过程演示和交互操作、拆装工艺方案规划和训练环境生成等核心功能。支撑层包括仿真应用所需的三维模型和数据库、系统开发和运行所需的支撑软件等。
2 建立三维实体模型
为实现装配仿真训练系统,首先要建立加注设备的几何模型,模型必须真实地表达设备的结构,即模型尺寸要准确,配合间隙要精确,装配关系要与实际相符,而且外观必须逼真。本文选用Autodesk Inventor建立加注设备的几何模型,它基于特征进行参数化的实体造型,建立的模型既有直观的外形,又有精确的尺寸配合。
加注设备包括各种管道、阀门、泵、推进剂贮罐和操纵台等,使用Inventor建模[2],首先根据零件的尺寸参数,画出零件的特征草图,然后使用特征操作,如拉伸、旋转、扫掠、阵列等构建出零件的几何特征。当建好设备的所有零件几何模型以后,通过各种约束,如配合约束、角度约束、相切约束等约束零件间的相互位置关系,组成设备的整体模型。如图2所示是的安全阀的几何建模过程。
建立好各种分离设备的几何模型后,根据加注设备真实连接关系组合成系统模型,利用Multigen Creator[3]进行渲染,构建加注系统各工作区域场景,如图3所示为泵房和罐室场景。
3 加注设备的装配仿真
装配仿真是加注设备虚拟装配训练的核心功能,本文采用VP[4]进行仿真开发,在VP中通过对场景(scene)、观察者(observer)、观察通道(channel)、环境变量(environment)、运动方式(motion)等参数进行设置,构建推进剂加注设备装配仿真的虚拟环境。利用VP所提供的功能模块和程序开发接口,实现加注设备的装配过程演示和交互装配操作。
给模型设定一系列的路径控制点,通过路径控制点控制模型在通过此路径控制点时的位置、姿态,然后利用导航器Navigatror连接路线中的各个散布控制点,形成一条完整的运动路径,模型可以自动地按照指定的运动路径在场景中运动。通过对PathNavigator中的setStartDelayTime,setKinematicstate等参数的设定,确定零件拆卸的先后顺序和拆卸动作的快慢。对点的位置或拆卸时间等参数进行修改,可以改变拆卸过程演示方案。图4(a)所示是电磁阀的拆卸演示过程。
通过鼠标的拖动改变零件在场景中的位置,来实现装配的交互操作。首先获取鼠标在计算机屏幕上的位置坐标(x,y)和零件的三维空间位置坐标(x',y',z'),并通过设置观察者坐标和姿态,获得装配场景的正视图,用鼠标的(x,y)坐标来改变零件的(x',y')坐标值,然后切换到装配场景的侧视图,固定零件的x',y'的值,利用鼠标的x坐标信息来改变零件的z'坐标值,实现零件的拖动。如图4(b)所示是球阀的虚拟交互装配的过程。
4 装配工艺规划
装配工艺规划针对特定的加注设备出现的特定故障,分析修理过程中的拆卸和装配方案,并通过对不同装配方案的比较,得出最优的装配方案,为维修工作提供指导。装配工艺规划分为装配序列规划和装配路径规划。
4.1 装配序列规划
装配序列规划[6]即产生一个装配顺序,在经济最优化的前提下,把分离的零件装配在一起,形成目标产品。
本文采用的装配序列规划原理为:采用联结图法建立加注设备的装配模型,表达零件的装配信息。采用子装配体的概念对装配模型进行简化。然后利用零件间的优先约束关系分析拆卸模型,建立设备的优先关系矩阵。通过对设备装配模型和优先约束关系矩阵的分析,生成设备可行的拆卸序列。采用遗传算法对设备的拆卸序列进行优化,优选出最佳的装配序列。
对图5所示的闸阀进行装配序列规划,得到一组最佳拆卸序列为:1,6,2,3,7,9,10,8,4,5,11。
4.2 装配路径规划
装配路径规划[5]就是寻求一条装配零件从装配起点到装配目标点的空间运动无碰路径。本文采用粒子群优化算法进行装配路径规划。图6是在有三个障碍物的空间中,采用粒子群优化算法从起点S到终点T寻找的一条最短无碰路径,路径长度为205.945。
5 系统开发
本文利用VC++2003.net编程实现仿真训练系统界面程序[6],通过进程调用的方式对各功能模块进行调度和集成,形成加注设备虚拟装配仿真训练系统。图7(a)所示是设备知识学习界面,图7(b)所示是设备拆装演示界面。
6 结论
本文设计了推进剂加注设备虚拟装配仿真训练系统的功能和技术框架,建立了设备的几何建模,开发了加注设备的装配演示、交互操作仿真以及工艺规划模块,并对系统进行了集成。开发的虚拟装配仿真训练系统对加注设备操作和维修人员的业务学习和技能训练有重要帮助。
摘要：设计了火箭推进剂加注设备虚拟装配仿真训练系统的功能和技术框架,建立了加注设备的三维实体模型,开发了加注设备的拆装演示、交互装配操作和装配工艺规划模块,并编制了功能模块调度与管理界面程序。设计的系统对加注设备操作和维修人员的业务学习和技能训练有重要帮助。
关键词：加注设备,虚拟装配,训练系统,设计
参考文献
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飞机数字化装配仿真技术综述 篇4
飞机是一个复杂的系统, 飞机的研制则是一个技术密集、知识密集、人才密集、资金密集的行业[1,2], 具有研发周期长, 安全性和可靠性要求高的特点。飞机装配是飞机制造过程中一个重要的环节且工作量繁重, 据相关资料统计, 飞机装配在整个飞机制造中占到了40%~50%的工作量[3], 可以看出, 飞机的装配效率严重制约了飞机的研制周期。长期以来, 国内外科研机构和相关航空企业都非常重视飞机制造技术的研究, 不断推出新的技术和理念, 并取得了一系列具有意义的成果。近年来, 围绕缩短飞机研制周期, 特别是针对新机研制周期, 提高质量和效率等方面的问题, 航空工业大力推广并行工程技术的应用。通过在早期数字化样机 (Digital Mock-Up, DMU) 技术基础上进一步引进基于模型定义 (Model Based Definition, MBD) 技术, 采用先进的仿真技术, 实现了在设计阶段就对飞机制造过程包括飞机装配等环节进行了仿真、分析和优化, 达到缩短飞机研制周期的目的。因此, 开展仿真技术的研究, 开发满足飞机装配要求的仿真系统就显得尤为重要。
1 飞机装配仿真技术的发展
飞机装配具有工作量大、工艺装备多、协调关系复杂、变形误差难以控制等特点。传统的飞机制造技术以模拟量传递为主, 采用各种标准工装 (模线、标准量具、标准样板和标准样件等) 、专用装配工装、大量的二维图纸和工艺文件等生产制造出全尺寸实物样机。然而, 在飞机的设计制造过程中难免会有错误和设计不合理的问题, 等到飞机实际装配过程中或实物样机生产出来才发现问题, 就会造成大量的产品、资源的返工以及产品设计、工艺工装设计的修改, 给航空制造企业人力、物力、财力等带来不可估量的损失, 严重影响飞机研制进度。
20世纪50年代, 美国麻省理工学院 (MIT) 首先提出CAD/CAM技术的概念[4], 随着后期技术的成熟, CAD在美国的航空工业得到了成功的应用, 其中洛克希德飞机制造公司第一个研发出了实用的CAD/CAM绘图软件[5]。进入20世纪70年代, 计算机技术、信息技术、网络技术、CAD/CAM等技术得到了快速的发展和进步, 美国、欧洲等发达国家都积极开始研究和发展飞机数字化设计与制造技术。
到20世纪80年代, 随着CAD/CAM、CAPP和CIMS等技术的发展, 以美国为首的西方发达国家纷纷开始实施先进的数字化设计制造技术, 并率先应用到飞机研制中。数字化设计技术为实现先进的数字化制造技术的发展奠定了良好的基础。
20世纪90年代后期, 计算机技术继续向集成化、智能化、标准化的方向发展, 美国华盛顿州立大学的Sankar Jayaram等与美国国家标准技术研究所共同研发了世界上第一个装配仿真系统[6], 随后便出现了很多计算机软件如CATIA、UG、I-DEAS、Pro-E等, 以美国Boeing公司、欧洲的空中客车 (Airbus) 公司为代表的两大飞机制造业巨头, 在飞机的研制中率先全面采用了数字化样机 (DMU) 和预装配技术 (Digital Pre-Assembly, DPA) , 在飞机的设计和制造中实现了三维数字化产品定义、三维数字化的工艺和工装, 代替了全尺寸实物样机, 避免了传统飞机研制中因更改带来的工艺、工装等一系列的返工、缩短了产品的研制周期、降低了成本、提高了产品质量、令资源得到了最大的优化配置, 从而使飞机制造模式发生了重大变革, 达到了真正的飞机无纸化设计制造、装配仿真技术 (Assembly Simulation) 和数字化产品定义 (Digital Product Definition, DPD) , 替代了真实零部件的装配, 极大地提高了飞机的研制效率, 节约了成本和时间。
上述CAD/CAM、CAPP、CIMS和预装配等技术的出现和发展解决了对产品的设计验证, 但并没有考虑对产品装配过程有关的装配工艺、工装等的协调性、可行性问题, 缺乏实际装配前的数字化三维工艺设计验证。进入21世纪, 经过航空制造业长期的生产实践, 在产品数字化定义、数字化预装配技术、CAPP技术、产品数据管理 (PDM) 基于模型的定义 (MBD) 等技术基础上发展出了先进的数字化装配仿真技术。在飞机的研制过程中, 我们利用三维数字化设计软件, 按真实尺寸建立飞机的所有零件的几何模型, 并且充分的考虑与产品有关的装配工艺、工装等设计, 进行全数字化装配三维工艺仿真, 对三维工艺设计进行验证。为后续实际产品科学合理的装配工艺、工装等的设计提供全方位的指导。与传统装配技术相比, 基于数字化的装配工艺过程仿真技术具有直观、调整灵活、技术成本和风险低的优点, 能够方便地进行装配仿真分析和验证, 以减少装配设计的缺陷。飞机数字化装配工艺过程仿真已成为飞机研制过程的关键技术。
飞机数字化装配仿真技术是一门多学科、多领域交叉发展的高端技术[7,8], 在国内外航空制造企业中得到了广泛应用。美国的Boeing公司、洛克希德·马丁公司、欧洲的空中客车 (Airbus) 公司等一批航空制造公司采用数字化装配仿真技术使飞机设计水平和研制效率大幅度提高, 原型机的设计、更改和返工量减少了50%以上, 尤其是装配仿真技术的应用使实际装配问题减少了50%~80%, 制造成本也降低了40%, 飞机的研制周期缩短了近40%~60%[9], 用户满意度和认可度也大幅提升。目前, 在我国航空制造企业, 飞机数字化制造技术得到了迅速地推广和应用, 飞机制造过程中数字量传递替代了模拟量的传递方式, 使我国的飞机制造业生产方式发生了质的变化。近年来, 在我国的飞机装配技术方面, 也广泛采用了飞机数字化装配仿真技术, 例如, 我国新支线客机ARJ21、中国首架国产大型客机C919、枭龙战机等飞机的研制也利用了装配仿真技术, 减少了装配问题和返工, 大大缩短了飞机的研制周期。但是与发达国家相比, 我国航空工业飞机装配仿真技术的全面普及和应用还有很长的路要走。
2 飞机数字化装配仿真的关键技术
2.1 基于模型的数字化定义
基于模型的定义是波音公司最先提出来的, 并且在波音787客机的设计制造上实践了这一新的技术。基于模型的数字化定义技术 (MBD) , 是将产品的所有相关的工艺描述、属性、管理等信息都附着于产品的三维模型中的先进数字化定义方法。MBD在三维实体模型中提供了完整的产品信息, 集成了三维模型和二维图样中的所有设计制造信息。基于MBD的三维实体模型作为产品制造过程中唯一的依据, 代替了传统的以二维工程图样为主, 三维几何模型为辅的制造模式。
MBD数据集分为MBD的零件数据集和MBD的装配数据集。零件的MBD数据集主要包括实体几何模型、坐标系统、尺寸、公差和标注、工程说明及其它相关定义数据;装配数据集包含了装配过程中的产品模型、工装模型、工序信息, 装配顺序信息等工程要求文件, 是进行装配过程仿真和容差分配仿真的依据。如图1所示为基于MBD的装配模型定义[10]。
在基于MBD的数字化制造技术下, 采用三维数字化产品与工装协调建模、三维装配工艺设计与仿真及基于MBD的产品数据管理系统集成技术等, 产生飞机装配工艺流程数据的同时, 设计相关的飞机三维结构生产图解和装配过程视频, 以更好地用于指导现场装配生产。MBD技术完整表达了与产品相关的工程数据、工艺数据、工装数据等信息, 通过MBD技术的应用实现了生产过程的高度集成, 提高了产品质量和生产效率, 有效地改善了现场的生产环境, 真正的实现了100%的无纸化三维数字化集成制造。
2.2 数字化装配工艺过程仿真与优化
自20世纪80年代后期, 数字化制造技术在欧美发达国家迅速发展起来, 欧洲空中客车 (Airbus) 公司的A400M军用运输机[11]、美国Boeing公司的Boeing777型客机、洛克希德·马丁公司的JSF战斗机X-35等飞机的研制过程中相继全面地采用了先进的三维虚拟装配仿真和验证技术, 应用装配工艺仿真技术使飞机的设计变更大大减少, 缩短了工艺规划时间, 提早发现装配过程中的各类问题, 消除了装配缺陷, 从而提高了产品质量、生产效率并降低了经济成本。三维数字化装配工艺仿真是在计算机软件环境中, 调用产品和资源的三维模型, 设计各部分的装配工艺过程, 并利用软件模拟零件、组件、部件等数字模型的移动、定位、夹紧、装配、下架等工序过程, 通过产品的上架装配和拆卸的三维装配仿真, 验证检查产品、资源设计和工艺设计的缺陷, 以及时发现问题和优化工艺设计, 得到最佳的方案。
浙江大学王青教授[12]、新加坡国立大学S.K.Ong[13]等在干涉碰撞检测、装配路径规划、空间位姿调整等数字化装配工艺仿真方面取得了很多重要的研究成果, 开发出了装配规划验证系统。目前, 较为成熟的商用数字化仿真技术软件是达索公司的DELMIA和西门子公司PLMSoftware的e M-POWER[14,15]。如图2所示为基于DELMIA的飞机数字化装配工艺过程仿真流程图。
DELMIA软件是目前航空工业普遍使用的一款由法国达索公司出品的模拟仿真软件, 在航空、航天、航海、汽车和船舶等制造业有着广泛的应用。下面以DELMIA仿真软件为例, 阐述飞机数字化装配工艺仿真与优化的以下几个方面内容:
1) 装配干涉的仿真。在DELMIA软件环境中, 把设计好的三维数字化零部件按照设计好的装配工艺流程进行移动、定位、夹紧和装配等过程, 通过DELMIA软件检查产品与产品、工装与产品是否存在干涉, 当发生干涉碰撞时, 系统会给出提示, 并提供干涉区域和干涉量, 这样工艺设计人员就可以根据提示的信息查找分析发生干涉碰撞的原因。如图3所示为尾椎整流罩组件装配过程中的干涉碰撞检查实例。
2) 装配顺序的仿真。按照预先设计好的装配工艺流程, 在DELMIA%DPM虚拟环境中对产品的装配过程进行仿真, 验证检查装配顺序是否正确合理, 是否存在无法安装的情况, 以及时更正。如图4所示为某型飞机机翼在装配型架上的装配顺序仿真。
3) 人机工程仿真。在DELMIA人机工程分析模块环境中, 按照装配工艺流程, 对人在装配过程中的的可视性、可达性、可操作性、舒适性、安全性、工作人员之间的协调性等进行仿真分析, 如果存在操作死角、安全隐患等以便尽早调整优化工装。如图5所示为飞机机翼装配过程的人机工程仿真示意图。
总之, 应用数字化装配工艺仿真技术, 既保证了装配工艺的可行性, 提高了装配效率和质量, 还充分考虑了装配过程的时间、成本等因素, 并兼顾设备、人员、空间等资源的利用率, 通过装配仿真结果优化装配工艺, 最终得到最佳的装配工艺方案, 显著提高了飞机的研制效率以及航空制造企业的经济效益[16]。
2.3 数字化容差分析与优化
要保证飞机总装配结束后飞机结构强度、空气动力性能等指标, 就必须严格控制装配精准度, 而装配的精准度是通过飞机装配过程的累积误差体现的。因此, 在飞机的装配过程中要提高装配精准度、一次装配成功率、装配工艺性以及降低成本[17], 就需进行装配误差累积分析与容差优化以便获得合理的容差分配方案。
1978年C.Hillyard[18]提出应用计算机辅助技术来设计零件的尺寸和形位公差以来, 国内外就针对容差分析与优化展开了大量的研究工作, 同时也为实现与CAD/CAM集成奠定了基础。目前数字化装配容差设计过程主要包括:装配容差建模、装配误差累积分析、装配容差分析、装配容差优化等。现阶段在三维装配仿真软件中都提供了容差设计模块, 但只是用于三维实体模型的容差标注, 而缺乏对装配容差设计有效的分析和优化。如DELMIA软件就缺少进行装配容差分析的模块, 使用DELMIA进行装配仿真时使用的模型是不带公差的理想化模型, 没有装配容差分析优化功能。
为了实现数字化容差分析与优化功能, 装配容差设计子系统是基于CAA二次开发工具开发的, 并与DELMIA或CATIA软件集成的应用系统。如图6所示为基于DELMIA开发的装配容差设计子系统体系结构。该子系统已在国内航空制造企业得到了广泛应用, 经实践该系统有效地减少了装配仿真路径规划的任务量, 在实物装配之前就发现因容差分配不合理而引起的干涉问题, 提高装配仿真的效率和容差分析的准确度。
3 展望
随着飞机数字化制造技术的不断发展, 仿真技术将在航空领域应用越来越广泛, 给航空制造业带来巨大变化, 将促进航空制造业向数字化、信息化和智能化方面发展。目前飞机数字化装配中的标准规范体系如MBD技术标准体系、装配容差设计技术体系等还需进一步的发展和完善。随着虚拟现实、人工智能、物联网、大数据、云计算等新技术的发展, 以数字化、智能化、高度集成化为特点, 基于增强现实技术为核心的装配仿真技术将成为飞机数字化装配的发展趋势, 并将大大促进和推动飞机的智能制造和精益制造技术的发展, 使飞机制造技术又迈上一个新的台阶。
摘要：通过装配仿真技术可以实现在虚拟环境下对产品设计、工艺规划和资源的验证, 从根本上改变了必须依赖实物的传统装配工艺方法, 使得我们能够在产品设计阶段对工艺进行分析和优化, 实现了并行工程的理念, 大大缩短了产品研制周期, 提高了效率, 降低了成本。而在制造业, 特别是航空制造业大力推行并行工程技术的今天, 由于产品数字化设计和基于模型定义技术的应用, 更加彰显装配仿真技术重要性。装配仿真技术已成为数字化产品设计时代的一种必不可少的先进技术手段, 具有广泛的应用前景。
装配仿真 篇5
柔性薄板类零件广泛应用于汽车、飞机等机械产品的生产中,其常用的装配连接形式为铆接和点焊。装配过程中的零件制造和夹具定位误差的存在会导致零件连接配合区域存在间隙或理论上的干涉现象。柔性件装配是一个经过定位及夹紧消除间隙后,施加连接操作的过程。不同于刚性零件,柔性件在装配过程中会因为过定位夹紧和连接力的作用而导致其弹性变形以及接触状态的不断变化,已有的刚体装配模型不适应于柔性薄板零件装配偏差的分析。因此,构建柔性薄板装配过程仿真模型,进而确定装配偏差的影响因素对于保证产品质量至关重要。
典型的薄板装配通常分为定位、夹紧、连接和夹具释放4个步骤[1],国内外众多学者对其装配过程和偏差分析进行了大量研究。Liu和hu[2,3]将有限元与统计分析相结合,采用影响系数法建立了零件偏差与装配回弹之间的线性关系,掀起了对薄板装配偏差分析的热潮,但其不足在于未考虑装配过程中零件间的接触现象。Liao和wang[4]研究了薄板装配中零件接触力对装配偏差的非线性影响,借助ANSYS有限元软件实现了基于非线性接触模型的钣金件装配偏差计算。Kang xie[5]等研究了装配过程中考虑接触情况下的尺寸偏差传递,结合有限元软件,采用增强的维数减小方法,建立了零件偏差与装配偏差统计特征之间的关系。国内林忠钦、来新民[6]对车体装配偏差的基本概念和国外基于偏差流理论的偏差控制方法进行了概括和归纳,掀起了国内对汽车柔性装配偏差分析和控制的研究帷幕。张媛媛[7]采用ABAQUS对装配接触问题进行建模,提出了有限元建模中干涉消除和接触力建模方法,进而分析接触存在情况下的柔性薄板件装配偏差。
基于ABAQUS有限元分析软件,运用重启动分析、数据传递以及自由度耦合的功能,构建柔性薄板装配过程仿真模型,分析零件接触以及摩擦现象对于最终装配偏差的影响,通过与薄板装配实验数据对比验证仿真模型的准确性。
1 柔性薄板装配模型
依据柔性薄板实际的装配过程及工艺特点,采用ABAQUS有限元分析软件构建装配过程仿真模型。
1.1 薄板装配定位方式及连接形式
对于刚体零件装配,一般在夹具上设置6个支撑点分别限制零件的6个自由度即可完成定位,通常称为3-2-1定位原理。6点的配置为:3点确定第一基准面以面接触方式对零件定位;2点确定第二基准面以线接触的方式对工件进行定位;一点所在的平面以点接触的方式对工件进行定位。不同于刚性零件,柔性零件刚度低,装配过程中受力易变性,因此柔性零件通常采用N-2-1的过定位方案,即在第一基准面上选择N(N>3)个定位点对零件充分定位,通常选取薄板零件的最大投影面作为第一基准面。
薄板连接装配通常采用点焊或铆接方式,从工艺角度出发,设计时需要在零件接头处保留一定的重叠区域称为配合区。典型的配合区连接方式包括搭接、对接及角接等(图1)。搭接接头可通过沿零件表面方向的滑动减小误差的传递,因此薄板零件装配多采用该种配合形式,对于装配过程的研究亦采用该连接形式。
1.2 柔性薄板装配过程
根据实际装配过程,柔性薄板装配通常情况下可以分为如下4个连续的步骤(图2)。
1)待装配零件定位,消除刚体位移。此处可采用3-2-1的定位方案,对于大尺寸薄板零件,可采用N-2-1的定位方案,以此充分约束零件的6个自由度,达到消除刚体位移的目的。
2)将零件夹持到名义装配位置。由于零件不可避免地存在制造偏差,定位后的零件可能偏移名义的装配位置,导致零件之间及零件与夹具之间存在间隙,采用过定位夹具及连接工具(铆枪或焊枪)施加夹紧连接力将零件夹持到名义连接位置,消除间隙。
3)连接,将待装配零件连接在一起。
4)释放夹具及连接工具,装配体自由回弹,装配完成。
1.3 ABAQUS柔性薄板装配过程仿真
对于柔性薄板装配过程的仿真,其关键问题在于:1)对连接工艺的模拟;2)对夹紧消除连接配合区域间隙之后施加连接紧固过程的实现。
针对连接工艺的模拟,因连接接触作用对于整体装配尺寸偏差影响较小,仅将连接操作简化为两结点之间的6个自由度耦合。ABAQUS中能实现此操作的有TIE绑定或MPC多点约束中的梁约束。但以上2种自由度耦合只能定义在初始分析步中,在后续分析步中继承,而柔性件装配是一个定位、夹紧消除间隙后施加连接的过程。因此,薄板装配的连续过程无法在一个分析模型中实现。
针对夹紧消除连接配合区域间隙之后施加连接紧固过程的实现,根据装配过程的实际需求以及重启动分析与数据传递的技巧,将装配过程分为2个分析模型。分析1对待装配零件施加定位、压紧到连接前的理想位置,并在分析末尾设置重启动分析参数,实现装配中的定位和夹紧步骤;分析2以分析1仿真结果作为本次分析的开始,定义连接,使装配后模型在夹紧后的弹性势能的作用下回弹至平衡位置,完成连接、回弹步骤。至此即通过2个仿真模型完成柔性件装配的全过程。
基于以上对柔性薄板装配过程中相关问题的有限元方法的处理,对基于ABAQUS的柔性薄板装配过程仿真做总结与归纳,如图3为ABAQUS柔性薄板装配仿真流程图,具体实施分为如下4个步骤。
1)构建带有制造偏差的装配零件模型,网格划分,选择定位点,采用3-2-1或N-2-1的方案对零件定位;对于可能在装配过程中发生接触的区域定义接触对,可采用点-面或面-面的接触模式,并在接触切向设置摩擦因数,完成定位。
2)选取过定位夹紧点及装配连接点,施加夹紧连接位移将零件压紧到理想连接位置,此处亦可通过调整位移数值模拟夹具及连接工具的定位偏差,因接触为典型的非线性现象以及零件制造偏差的存在,在夹紧过程中可能存在大位移现象,此处采用静力通用非线性分析,创建分析、求解完成整体过程中的定位、夹紧两步骤。
3)建立新的分析模型,采用数据传递操作导入前一分析夹紧完成后的网格模型,预定义初始状态场导入与变形后的网格匹配的夹紧完成后的计算结果,采用与前一分析相同的定位方案对零件定位,并设置接触属性,选取连接点,采用TIE或MPC约束模拟铆接或点焊连接,完成连接。
4)创建分析,让装配完成后的模型在上一分析夹紧完成后产生的弹性势能的作用下自由回弹,完成回弹步骤。此处采用仅释放夹紧夹具及连接工具的过定位释放方案。
2 实例分析
运用ABAQUS对柔性薄板装配过程进行仿真,在柔性薄板装配试验台上完成柔性薄板装配实验并采用三坐标测量机测得最终装配偏差。将仿真数据与实验数据进行对比,分析接触以及摩擦现象对于装配偏差的影响。
2.1 Z型板与平板装配仿真
图4为Z型板与平板零件几何模型,两板厚度均为1 mm,其中Z型板装配连接一端翘曲5°用以模拟零件制造偏差。各装配零件材料属性如表1所示。
采用ABAQUS建立装配零件的有限元网格模型,单元类型为S3,图5为薄板装配方案。Z型板采用4-2-1的过定位方案,具体实施为定位点F11、F12、F13和F14约束y向自由度,约束z向自由度的有点F12和F13,F11约束x向自由度;平板选取定位点F21和F22约束x、y和z三个方向自由度,以上各定位点约束自装配开始至最终均不释放。因本实例尺寸相对较大,另在Z型板折边上选取夹紧点C11和C12在x方向上施加位移约束,在平板上选取C21和C22约束y向自由度实现过定位夹紧。以上4个过定位点在装配完成之后释放约束。因此,本实例采用的是过定位释放方案。
图5在2块薄板零件连接配合区域选取4对连接点,以Z型板上连接点为主结点约束平板上对应点的全6个自由度模拟连接操作,各连接点匹配关系为W11/W21、W12/W22、W13/W23和W14/W24。因Z型板配合区域的翘曲导致其上各连接点在y向上偏离理想连接位置,另在C11和C12上分别施加1 mm和0.5 mm的位移约束模拟过定位夹具偏差,施加方向为x向。如表2所示为各连接点处制造偏差与夹紧点处定位偏差数值。
在下列3种情况下对装配过程进行分析仿真:1)不考虑接触作用;2)考虑法向接触现象不计摩擦影响;3)同时考虑接触法向接触与切向摩擦现象。当考虑摩擦现象时,摩擦系数取f=0.3。以薄板法向尺寸作为最终装配质量评估方向。各关键测点为:Z型板上点K11、K12,平板上点K21、K22,装配后两板共有的连接点W11/W21、W12/W22、W13/W23和W14/W24。表3为3种假设下所得各关键测点处装配偏差。
2.2 Z型板与平板装配实验
为验证本文采用ABAQUS对柔性薄板装配过程进行仿真的可行性,设计柔性薄板装配试验台(图6),对Z型板与平板进行装配实验。
根据图4实例几何模型及表1相关材料参数制作薄板零件并设计装配过程实验,实验中相关数据采集使用三坐标测量机(型号为MISTRAL070705)。如图7为薄板零件实物。各零件预制直径为22 mm的圆孔与装配实验台定位杆配合,实现确定性定位。点焊与铆接均为不可拆卸连接,为实现零件的重复利用,采用直径为5 mm的螺栓连接模拟点焊或铆接工艺连接。Z型板预制8 mm直径连接孔,因定位及夹紧误差,很难确定两板连接的准确位置,因此,平板采用长度为18 mm的槽孔配合圆孔连接,保证在小滑动情况下板件亦可实现连接。
a)根据柔性薄板装配工艺,装配实验通过如下4步实现:
1)零件定位:采用N-2-1定位理论对薄板零件定位。因制造偏差的存在,待装配零件连接配合区域存在间隙,如图8所示。
2)过定位及连接夹紧:采用夹紧夹头配合定位夹头将零件夹紧到理想连接位置,消除装配间隙。如图9所示,两板连接配合区域已完成闭合。
3)连接紧固:实验中采用螺栓与弹簧垫圈配合以保证连接的可靠性,如图10为连接完成后示意图。
4)过约束及连接夹头释放:释放连接及过定位夹头,因各夹头处夹紧力消失,装配体会发生一定的回弹现象。运用三坐标测量机测量各关键点处回弹后坐标,确定最终装配偏差。如图11为回弹后所需个关键点示意图。表4为装配完成后各关键测点处的装配偏差。
b)从3个方面对实验及仿真数据进行分析:1)分析接触现象对于装配偏差的影响;2)研究摩擦现象对于装配过程的影响机制;3)验证本文构建的薄板装配过程模型的有效性。分析数据来源于表3和表4。
不考虑接触现象时,ABAQUS仿真相对于实验数据在各关键点处装配偏差的平均相对误差为53.9%,因此,接触现象对装配偏差有较大影响,由图12同样可以看出仿真数据相对实验结果相差较大。
仅考虑法向接触时平均相对误差为15.3%,取摩擦系数f=0.3时平均相对误差为11.0%。即考虑摩擦作用时仿真结果更贴近真实值。由图12和图13可以发现2种假设前提下装配偏差与实验数据均有相近的数值。因此,仅考虑法向接触、同时考虑法向接触与切向摩擦采用ABAQUS仿真柔性薄板装配过程均可较准确的对装配偏差进行预测,但要更精确的得到计算结果,应充分考虑切向摩擦作用的影响。
c)经分析,结论如下:1)接触现象对于装配偏差有较大影响,其作用不可忽略;2)切向摩擦现象对于装配偏差有一定影响;3)本文基于ABAQUS的柔性薄板装配过程仿真可较准确的模拟装配过程,预测装配偏差。
3 结语
柔性薄板类零件广泛应用在汽车及飞机制造领域,准确预测装配尺寸偏差对于保证产品质量具有重要意义。基于ABAQUS有限元分析软件,运用重启动分析、数据传递技术和自由度耦合技巧,构建了柔性薄板装配过程仿真模型,分析了法向接触以及切向现象对于装配偏差的影响。通过仿真与实验所得装配偏差数据的对比分析,验证了仿真技巧的正确性。
参考文献
[1]Dahlstrm,S.,Camelio,J.A.Fixture Design Methodology for Sheet Metal Assembly Using Computer Simulations[J].ASME International Mechanical Engineering Congress and Exposition,2003(11):15-21.
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[3]Liu,S.C.,Hu,J.S.Variation Simulation for Deformable Sheet Metal Assemblies Using Finite Element Methods[J].Journal of Manufacturing Science and Engineering,1997(119):368-374.
[4]Liao X.,Wang G G.Non-linear dimensional variation analysis for sheet mental assemblies by contact model[J].Finite Elements in Analysis and Design,2007,44(10):34-44.
[5]Kang Xie,Lee Wells,Jaime A.Camelio.Variation Propagation Analysis on Compliant Assemblies[J].Considering Contact Interaction,2007(129):934-942.
[6]来新民,林忠钦,陈关龙.轿车车体装配尺寸偏差控制技术[J].中国机械工程,2000,11(11):1215-1221.
装配仿真 篇6
螺栓组连接是阀门法兰连接常用的连接形式。阀门螺栓组的装配质量是影响阀门产品综合性能的重要因素。随着螺栓连接在阀门法兰装配中的广泛应用, 阀门螺栓组装配工艺越来越引起人们的关注[1]。对阀门螺栓组装配工艺的探究也变得越来越重要。螺栓法兰连接的正确安装对保证法兰接头的结构完整性和连接密封性两者都具有重要意义[2]。螺栓法兰连接的螺栓安装工艺直接影响着垫片及法兰面的变形, 从而影响了法兰的密封性。针对阀门法兰螺栓装配的上述问题, 采用有限元分析对阀门环形螺栓组装配工艺进行分析。
1 阀门法兰有限元仿真总体方案
目前国内外阀门法兰螺栓组装配工艺较多, 而且针对不同的工况装配工艺也不尽相同。本文拟定4种装配顺序对阀门环形螺栓组装配工艺的影响进行分析。阀门环形螺栓组装配工艺有限元仿真整体方案如图1所示。
2 阀门法兰螺栓组三维模型及边界条件
由于阀门螺栓组装配模型有上法兰、下底座、垫片、螺栓等多个零部件组成, 而且螺栓装配的接触问题是典型的非线性问题, 如果每个零件建立完整的模型所占用的计算机资源较多, 计算时间过长。因此, 对不影响主要分析结果的零件特征简化, 建立简化的螺栓组装配模型模拟实际的装配[3]。将螺栓螺纹部分去掉, 采用ANSYS自带的螺栓预紧力来模拟通过螺纹实际加载到螺栓上的力。阀门法兰的三维模型如图2所示。
阀门法兰整个装配整体的刚度依赖于阀门法兰的接触状态, 在上法兰与螺栓、上法兰与垫片、垫片与下法兰等接触表面其相互依存的依赖关系并不是线性的。阀门法兰螺栓的接触问题是典型的非线性接触, 本文定义阀门法兰主要接触如图3所示。
3 阀门环形螺栓组装配工艺有限元分析
阀门环形螺栓组装配的方式主要有两种:一种是手工装配, 即螺栓按照规定的次序逐个装配;一种是自动化装配, 可以满足几个螺栓的同时装配。为了便于分析装配顺序对于法兰变形和应力的影响, 给阀门法兰的螺栓进行顺时针标号如图4所示。
1) 依次加载装配工艺。
阀门螺栓组依次加载时每个螺栓按临近次序装配, 顺序按顺时针装配, 总共分10步装配完成。每个螺栓的加载力均为10k N。
阀门螺栓组依次加载时引起法兰和垫片的变形和应力分布极其不均匀, 对于整个装配体, 在螺栓处应力和变形较大, 其他位置的变形相对较小 (如图5) 。在螺栓头出现应力集中, 在螺栓杆处中间部分的应力在200MPa左右, 其受力规律符合螺栓受力随螺纹距离的不同而不同。通过图6分析可知减小每次施加的预紧力, 逐步加载可以改善变形的均匀性, 在一定预紧力的前提下, 拧紧次数越多, 变形就越均匀, 最大应力也有所减小, 但拧紧次数增加降低了劳动生产率。
2) 对角加载装配工艺。
从图7可以看出对角加载时, 上法兰面的变形区域由原来的不规则趋向半偏的变形变为向两侧拉长的菱形变形。对角加载相对于顺序加载的情况, 在加载过程中出现的最大应力和最大变形有所减小, 但减小的幅度不大。整体的应力值大小与位置分布情况和顺序加载时大体相同。在多次加载的过程中, 对角加载和顺序加载一样表现出随着拧紧次数的增多, 最大应力逐渐减小, 最大变形也逐渐减小, 但减小幅度不大。
3) 同时加载装配工艺。
从图8中可以看出同时加载时, 装配体整体变形的均匀程度有所不同, 上法兰面的变形区域由原来的不规则的半偏变形和菱形变形转变为圆形变形, 但整体的应力值的大小与位置分布情况和顺序加载时大体相同。相对于对角加载而言, 同时加载的最大应力和最大变形略小于对角加载时的最大应力和最大变形, 且最大应力出现的位置仍然有所变化。随着加载次数的增多, 最大应力逐渐减小, 最大变形也逐渐减小, 但减小幅度不大。
虽然同时装配时, 法兰整体的变形均匀, 但考虑到同时装配螺栓的数目不同可能对法兰整体变形有所影响, 因此分析同时加载的螺栓个数不同的情况, 得出如图9所示的变形结果。2个螺栓同时装配时法兰整体变形仍然表现出略微的不对称, 如图9 (a) ;而5个螺栓同时装配时法兰整体变形为较为规则的五边形, 如图9 (b) ;10个螺栓同时装配时法兰整体变形为完全规则的圆形, 如图9 (c) 。
4 结语
1) 针对阀门法兰整体而言, 在螺栓加载的过程中, 下法兰的应力、变形、应变相对较小;上法兰、垫片和螺栓的应力、变形、应变相对较大, 最大应力出现在螺栓处。
2) 顺序装配时, 引起法兰变形不均匀, 变形偏向一侧。对角顺序装配的法兰变形的不均匀程度要好于逐个顺序装配的不均匀程度, 变形区域呈菱形。同时加载时的变形均匀程度最好, 变形区域呈圆形。
3) 顺序装配、对角装配时, 同等预紧力的情况下, 采用的拧紧次数越多, 最大应力逐渐减小, 最大变形也逐渐减小。
4) 同时加载时, 螺栓数目越多, 载荷对称度越好, 则产生偏载荷越小, 法兰的变形越均匀。
参考文献
[1]陈凯.螺栓紧固力分析[J].科学实践, 2010 (25) :309-310.
装配仿真 篇7
工程图学课程教学理论与实践相结合是非常重要的, 特别是学生的动手及创新能力的培养, 是理论性和实践性都较强的课程, 因此实验教学环节对学好这门课程至关重要。通过加强实践教学环节, 才能使学生真正理解和掌握该学科的理论知识。
工程图学课程的教学是很具体形象的, 它注重机构的运动及动作, 在理论教学中由于缺乏真实感受, 学生听课时常会感到枯燥乏味、内容很难理解;机械类课程中的实验设备大多很昂贵, 有些情况下, 不能完全满足相应的实验要求, 尤其是对每个学生而言, 学生实验通常是分组, 对有些实验, 实验设备很少时, 分组的人数会很多, 这样学生在做实验时会没有很多机会熟练掌握;因此, 如果能在教学中进行虚拟仿真实验教学, 不但在一定程度上可以弥补实验资源的匮乏, 而且可以提高学生观察问题、分析问题和解决问题的能力, 以求达到掌握一门专业技术技能。
1 虚拟仿真实验应用于教学中的现实意义
目前国内大多数高校的实验还是采用传统方式, 即老师讲解、演示, 再由学生自己动手。而国外已经从传统实验转为实物实验与虚拟实验相结合, 充分利用先进的计算机设备进行虚拟仿真实验教学, 取得了较好的效果。
传统的教学模式以教师为中心, 知识的传递主要靠教师对学生的灌输, 作为认知主体的学生在教学过程中自始至终处于被动状态, 其主动性和积极性难以发挥, 不利于培养学生的发散性思维、批判性思维和创造性思维, 也不利于创造性人才的培养。虚拟仿真实验突破了传统教学手段上的局限。学生自己动手操作, 亲身参与整个实验过程的操作, 通过将实际生产的工艺过程以影像、动画等生动的形式表示, 从而增强学生的感性认识和学习兴趣, 提高教学效果, 使其实践能力、观察能力及归纳能力等都得到很好的锻炼。虚拟实验技术创设了一个人性化的学习环境, 使学生能够在自然、互动的气氛中进行学习。基于以上思考, 尝试在《工程图学》教学中应用“虚拟仿真实验教学”进行教学改革的探索。
2 虚拟仿真实验设计目标
虚拟实验的开发工具主要是网络虚拟现实建模语言 (VRML) 和三维建模软件。VRML是一种用于建立真实世界的场景模型或人们虚构三维世界的场景建模语言。VRML的基本目标是建立因特网上的交互式虚拟对象、场景、三维模型, 基本特征包括分布式、三维、交互性、多媒体集成、境界逼真性等, 是目前Intenet上基于“WWW”的三维互动网站制作的主流语言。
虚拟现实系统的设计要达到以下目标:
a) 要使参与者有“真实”的体验。这种体验就是“沉浸”或“投入”, 即全心地进入, 简单地说就是产生在虚拟世界中的幻觉。理想的虚拟环境应达到用户难以分辩真假的程度, 甚至比真的还“真”。这种沉浸感的意义在于可以使用户集中注意力。为了达到这个目标, 就必须具有多感知的能力, 理想的虚拟现实系统应具备人类所具有的一切感知能力, 包括视觉、听觉、触觉, 甚至味觉和嗅觉。
b) 系统要能提供方便的、丰富的、主要是基于自然技能的人机交互手段。这些手段使得参与者能够对虚拟环境进行实时的操纵, 能从虚拟环境中得到反馈信息, 也能便系统了解参与者的关键部位的位置、状态、变形等各种系统需要知道的数据。实时性是非常重要的, 如果在交互时存在较大的延迟, 与人的心理经验不一致, 就谈不上以自然技能的交互, 也很难获得沉浸感。
3 零、部件测绘实践虚拟辅助教学
《工程图学》课程为机械类专业一门主要技术基础课, 是一门理论性和实践性都较强的课程, 因此实验教学环节对学好这门课程至关重要。通过加强实践教学环节, 才能使学生真正理解和掌握该学科的理论知识。本项目的实施内容主要是采用inventor 2008, 3D max, AutoCAD及vrml软件系统设计虚拟实验系统, 使之能够对齿轮油泵 (图1) 、减速器 (图2) 、虎钳 (图3) 的装配进行动态模拟, 通过影像、动画等生动的形式对装配过程进行动态模拟, 可以充分发挥学生的主观能动性, 有利于学生获得丰富的感性认识, 激发学生进一步提出问题与寻求解决问题的兴趣, 有助于拓宽学生的知识面, 有效地支持理论学习。
零部件测绘实践虚拟辅助教学技术的做法是, 以实物模型为基本要素、以实物模型测绘为主线, 用计算机虚拟现实的方法, 制作图画和动画形式为主的直观形象, 去解析零部件的形状结构和测绘过程。
将虚拟辅助教学融于测绘实践教学的过程是:布置测绘任务;观测分析实物模型;教师依据实物模型通过虚拟辅助教学课件集中指导;学生依据实物模型, 参照虚拟辅助教学课件自主测绘;教师集中讲评。
虚拟辅助教学主要构件是以虚拟图象为主, 配有少量文字说明的电子文档。分别是:以动画为主去表达零部件形状结构的图画集, 以对零部件形状结构分析和视图分析为主的图画集, 以对零部件测绘方法和过程指导为主的图画集, 以对尺寸、技术要求、图样、作业要求指导为主的图画集。
4 零、部件测绘实践虚拟辅助教学技术的特点
a) 基于实体的虚拟。计算机虚拟现实、虚拟三维图与构形思维和视觉及视觉心理密切相关。实践表明:没有实体模型做基准, 没有构形思维和视觉及视觉心理的支持, 计算机虚拟现实、虚拟三维图就会成为没有意义的作品;另一方面, 没有构形思维和视觉及视觉心理知识去指导计算机虚拟现实、虚拟三维图的创作, 也不能获得效果良好的作品。
b) 基于图学素质对测绘对象 (零、部件) 的选择。选择好测绘对象是保障零、部件测绘实践教学效果的首要条件。简单化和过度复杂化都不可取, 都可能给大学总体教学带来损害。选择测绘对象 (零、部件) 的第一因素是考虑对学生图学素质培养的要求, 其次是考虑后续课的需求。阀类、泵类、夹具类 (虎钳) 、减速器类是常选测绘对象, 其主要原因是便于教学。按图学素质培养的要求考虑, 所选零、部件的测绘内容应当尽量多的涵盖图学主要的核心内容。例如, 表达方法典型、全面, 结构具有代表性。按后续课的需求考虑, 所选零、部件的测绘内容要含有后续课的主要要素。
5 结语
开发零、部件虚拟测绘装配实验是为了拓宽实验教学平台, 改进测绘方法, 提高测绘效率和品质, 减轻教学负担。这一教学技术的核心涉及到传统测绘的方方面面, 也涉及到现代教育技术的深层理论和技术问题。当然虚拟仿真实验不能完全替代实物实验, 但可以探索将其作为实物实验及课堂理论教学的补充。
摘要：工程图学课程是理论性和实践性都较强的课程, 在理论教学中由于缺乏真实感受, 学生听课时常会感到枯燥乏味、内容很难理解, 因此, 在教学中进行虚拟仿真实验教学, 不但在一定程度上可以弥补实验资源的匮乏, 而且可以提高学生观察问题、分析问题和解决问题的能力。因此, 在《工程图学》教学中应用“虚拟仿真实验教学”进行教学改革的探索。
关键词：实践教学,虚拟仿真实验,工程图学
参考文献
[1]张群艳.机械基础虚拟实验开发的实践[C].杭州:浙江理工大学, 机械类课程报告论坛2008文集.
装配仿真 篇8
链传动由链条与链轮之间的啮合来传递两平行轴之间的运动和动力。因其平均传动比较准确，传动效率较高，传动过程中链轮压轴力较小，传递功率大，过载能力强，适应低速重载环境，能适应多尘、油污、腐蚀和高强度等恶劣环境，成为现代工业中最常用的传动方式之一。其中，应用最广泛的是滚子链传动。本文给出SolidWorks2011环境下滚子链造型、路径配合装配及运动仿真的方法，为链条的计算机辅助设计及强度校核提供参考。
2 零件建模
(1)链轮的建模。在SolidWorks软件插件“GearTrax”中，可实现链轮、齿轮、带轮等零件的参数化设计，在如图1所示界面下，设定所需参数，点击右下角的“建”按钮，即可方便地得到链轮造型。
(2)链节的建模。滚子链链节由内链板、外链板、销轴、套筒和滚子组成。在SolidWorks软件中，分别将这几个零件单独建立模型(如图2、3、4)。然后再进行装配。查阅链节相关机械设计手册，得到装配链节所需零件。
创建装配体文件，导入上述零件组成一个链节，添加“同轴心”和“重合”装配关系，得到如图5所示两个链节。
3 链条的装配
(1)装配准备
按照链条装配后实际的运动轨迹创建如图6所示零件，拉伸深度与销轴相等。将其导入装配体环境，再将图5中两种类型的链节导入装配体中。
(2)链条装配
点击工具栏中的“配合”-“高级配合”。点击“路径配合”-“零部件顶点”(选择其中一个链节中销轴一端面的添加点)-“路径选择”-“选择组”，接着选择路径配合零件的边线(如图7)，依次点击出现的两个相切符号，然后点击确定。第一个链节的另一面的配合重复上述操作，第二个链节只需与第一个链节做“同心圆”和“重合”配合。依次导入其它链节，只做一面的路径配合即可。链条配合完成之后，隐藏“路径配合”所需零件，配合就此完成(如图9)。
4 运动仿真
(1)链条的单独运动。在SolidWorks2011版本中，启动“活动插件”-“SolidWorks Motion”。点击“运算比例”，-“运算类型”-“Motion分析”。然后点击“马达”，在弹出的对话框选择“路径配合马达”类型。马达方向、方式、速度、时间根据需要给出。链条单独运动设定即完成。最后，点击“计算”-“播放”即可进行链条运动仿真。
(2)链与链轮的统一运动。在上述链条配合的基础上，完成链条与链轮的配合(如图10)。然后，在两个链轮上分别添加旋转马达，“马达位置”选择与链轮同心的固定件上，“要相对的零部件”必须选择链轮。运动方式选择“等速”，数值根据链的运动距离或速度，运用L=πd公式，计算得出。最后，点击“计算”-“播放”即可进行统一运动仿真。
5 结语
本文给出了滚子链造型、装配及运动仿真的方法。在操作过程中，首先第一个链节两侧链板都需进行路径配合设置，从第二个链节开始，只需设置一面。其次，在运动仿真过程中，提供了多种马达类型，必须选择路径配合马达。
参考文献
[1]濮良贵,纪名刚.机械设计[M].北京:高等教育出版社,2007.
[2]赵罘,王平.SolidWorks2008中文版典型范例[M].北京:清华大学出版社,2008.
[3]陈超祥,叶修梓.SolidWorks零件与装配体教程[M].北京:机械工业出版社,2010.