基于ADAMS二次開發(fā)的零部件約束庫建模仿真研究_圖文

1、基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（）! 基于二次開發(fā)的零部件約束庫建模仿真研究戴聞，劉強(qiáng)，袁松梅（北京航空航天大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，北京）引言近年來，由于虛擬樣機(jī)技術(shù)具有的開發(fā)成本低、速度快、靈活性強(qiáng)、可以有效地減少設(shè)計(jì)反復(fù)和有利于實(shí)現(xiàn)并行設(shè)計(jì)及物理樣機(jī)所無法比擬的優(yōu)勢，該項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)越來越廣泛地應(yīng)用到實(shí)際機(jī)械系統(tǒng)的方案討論與設(shè)計(jì)驗(yàn)證中來。而作為實(shí)現(xiàn)虛擬樣機(jī)技術(shù)最為強(qiáng)大和應(yīng)用最為廣泛的專業(yè)軟件之一的也逐漸受到更多的重視。是以近年發(fā)展起來的多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論為基礎(chǔ)而開發(fā)出的目前世界范圍內(nèi)使用最廣泛的大型機(jī)械系統(tǒng)仿真分析軟件。它使用交互式圖形環(huán)境和零件庫、約束庫、力庫，創(chuàng)建完全參數(shù)化的機(jī)械系統(tǒng)

2、幾何模型，其求解器采用多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論中的拉格朗日方程方法，建立系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程，對(duì)虛擬機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析，輸出位移、速度、加速度和反作用力曲線。軟件的仿真可用于預(yù)測機(jī)械系統(tǒng)的性能、運(yùn)動(dòng)范圍、碰撞檢測、峰值載荷以及計(jì)算有限元的輸入載荷等。在應(yīng)用進(jìn)行機(jī)械系統(tǒng)的多體動(dòng)力學(xué)仿真時(shí)，常常會(huì)遇到需要將常用的一些機(jī)械關(guān)鍵零部件在仿真環(huán)境中進(jìn)行約束建模簡化的問題，而這種約束簡化往往又對(duì)仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性起到非常關(guān)鍵的影響。同時(shí)，由于關(guān)鍵零部件較多，往往成為一種重復(fù)性工作，較為復(fù)雜繁瑣。因此找到一種行之有效的零部件約束簡化方法同時(shí)將其生成模塊化的零件庫的形式以方便今后調(diào)用，便成為了研究的必

3、要。二次開發(fā)簡介一方面是虛擬樣機(jī)分析的應(yīng)用軟件，用戶可以運(yùn)用該軟件非常方便地對(duì)虛擬機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析。另一方面，又是虛擬樣機(jī)分析開發(fā)工具，其開放性的程序結(jié)構(gòu)和多種接口，可以成為特殊行業(yè)用戶進(jìn)行特殊類型虛擬樣機(jī)分析的二次開發(fā)工具平臺(tái)。軟件包括核心模塊（基本環(huán)境）、（求解器）以及其它擴(kuò)展模塊如（仿真后處理模塊）等。本研究主要應(yīng)用下的二次開發(fā)。這種方法利用最基本的模塊下的，和等工具進(jìn)行開發(fā)。開發(fā)過程相對(duì)來說簡單易學(xué)，但必須在環(huán)境下運(yùn)行。具有很強(qiáng)的用戶化設(shè)計(jì)功能，可以根據(jù)需要定制用戶界面和設(shè)計(jì)應(yīng)用程序（如圖），來模擬設(shè)計(jì)環(huán)境和自動(dòng)完成設(shè)計(jì)分析過程。的用戶化設(shè)計(jì)包括定制用戶界面、宏命

4、令用法和條件循環(huán)命令摘要：在介紹分析了虛擬樣機(jī)技術(shù)及仿真分析軟件的基礎(chǔ)上，運(yùn)用二次開發(fā)的方式，基于寬頻多模態(tài)的零部件結(jié)合部等效模型簡化的方法，開發(fā)了相關(guān)關(guān)鍵零部件的模型約束庫，并將其應(yīng)用到對(duì)高性能運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的動(dòng)態(tài)特性仿真研究當(dāng)中，驗(yàn)證了建模方法的準(zhǔn)確性。關(guān)鍵詞：；二次開發(fā)；約束建模中圖分類號(hào)：文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：文章編號(hào)：（），（，）：，：；圖圖形用戶界面對(duì)象層次關(guān)系制造業(yè)信息化機(jī)械工程師年第期用法三部分內(nèi)容，它們建立在命令語言基礎(chǔ)上，是工程應(yīng)用中進(jìn)行二次開發(fā)的有效工具和核心內(nèi)容。在進(jìn)行二次開發(fā)時(shí)，通過設(shè)計(jì)圖形對(duì)象，編寫參數(shù)化函數(shù)，直接對(duì)圖形界面對(duì)象進(jìn)行操作，最終形成仿真模型與優(yōu)化數(shù)學(xué)模型的集成。設(shè)計(jì)對(duì)

5、象包括窗體（）菜單（）對(duì)話框（）、宏（）等。零部件約束庫建模研究機(jī)械結(jié)構(gòu)是由許多零部件通過不同種類的結(jié)合部聯(lián)接而成的，在機(jī)械產(chǎn)品的制造過程中，整機(jī)的動(dòng)態(tài)特性在很大程度上取決于機(jī)械系統(tǒng)各個(gè)零部件之間結(jié)合部的動(dòng)態(tài)特性。結(jié)合部都屬于“柔性結(jié)合”，這種特性會(huì)對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性產(chǎn)生很大影響，表現(xiàn)為機(jī)械結(jié)構(gòu)的整體剛度降低、阻尼增加，從而使得結(jié)構(gòu)固有頻率降低，振動(dòng)形式復(fù)雜化。因此，在機(jī)械系統(tǒng)裝配過程中，必須考慮結(jié)合部及其動(dòng)態(tài)特性的影響，以保證整體機(jī)械結(jié)構(gòu)良好的動(dòng)態(tài)性能。如圖，以交叉滾子直線導(dǎo)軌為例，當(dāng)結(jié)合部受到外加復(fù)雜動(dòng)載荷作用時(shí)，結(jié)合部會(huì)產(chǎn)生多自由度、有阻尼的微幅振動(dòng)（即變化的微小相對(duì)位移或轉(zhuǎn)動(dòng)），從而使

6、結(jié)合部有可能表現(xiàn)出既有彈性又有阻尼，既儲(chǔ)存能量又消耗能量的“柔性結(jié)合”的本質(zhì)及特性。因此，從定性出發(fā)，可將結(jié)合部等效為若干彈簧和阻尼器構(gòu)成的動(dòng)力學(xué)模型。同樣的，對(duì)于在機(jī)械系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用的螺栓等零部件，常用的辦法是將其按固定約束副處理，但是并不能很好地反映出系統(tǒng)的實(shí)際特性。而在對(duì)其進(jìn)行動(dòng)力學(xué)建模仿真時(shí)也可以將其簡化為彈簧阻尼器單元，將接觸面的結(jié)合部剛度、阻尼值簡化到相應(yīng)彈簧單元中，再定義其約束和運(yùn)動(dòng)關(guān)系，從而能較好地模擬實(shí)際工作狀況（如圖）。在中應(yīng)用之前介紹的二次開發(fā)的方式，通過設(shè)計(jì)對(duì)象，編寫參數(shù)化函數(shù)，運(yùn)用提供的編程語言編寫宏，以完成對(duì)所需零部件的建模、施加約束和仿真等步驟。進(jìn)而完成模塊化的零

7、部件約束庫的搭建，為今后的應(yīng)用打下基礎(chǔ)。面向高性能運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的仿真研究為了驗(yàn)證該零部件約束庫的正確性，將得到的交叉滾子導(dǎo)軌和螺栓連接的等效簡化模型應(yīng)用到某高性能直線運(yùn)動(dòng)工作平臺(tái)（如圖）的仿真研究中。該高性能運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的加速度能達(dá)到，因而其動(dòng)態(tài)性能，尤其是高頻工作狀態(tài)下的動(dòng)態(tài)特性是其主要的性能指標(biāo)。定義完約束和作用力之后，對(duì)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，通過觀察仿真得到的系統(tǒng)頻率響應(yīng)圖（如圖、圖）可以發(fā)現(xiàn)，該仿真結(jié)果能夠很好地反映出實(shí)際的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性，進(jìn)而可以證明這一套約束建模方法是行之有效的。結(jié)論為了更好地模擬仿真出實(shí)際機(jī)械系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，本文應(yīng)用基于寬頻多模態(tài)的零部件結(jié)合部等效模型簡化的方法，運(yùn)用二次

8、開發(fā)的方式建立了相關(guān)的關(guān)鍵零部件的約束庫，找到了較為有效一套建模仿真方法，同時(shí)避免了重復(fù)性建模和加載的弊端，為今后進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械系統(tǒng)的精確仿真打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。參考文獻(xiàn)馮景華，吳南星，余冬玲機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)及的圖交叉滾子直線導(dǎo)軌等效簡化模型圖螺栓連接等效約束簡化模型圖導(dǎo)軌約束庫參數(shù)輸入界面圖螺栓約束庫參數(shù)輸入界面圖高性能直線運(yùn)動(dòng)平臺(tái)圖導(dǎo)軌簡化模型在平臺(tái)仿真中的應(yīng)用圖螺栓簡化模型在平臺(tái)仿真中的作用圖系統(tǒng)軸頻率響應(yīng)圖圖系統(tǒng)軸頻率響應(yīng)圖機(jī)械工程師年第期制造業(yè)信息化! !理論基礎(chǔ)研究機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，（）：高級(jí)培訓(xùn)教程邢俊文，陶永忠，譯北京：清華大學(xué)出版社，張學(xué)良，等機(jī)械結(jié)合面動(dòng)態(tài)特性及應(yīng)用北京：

9、中國科學(xué)技術(shù)出版社，齊暢高性能工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)建模與控制研究北京：北京航空航天大學(xué)，（編輯黃荻）作者簡介：戴聞（），男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)闄C(jī)電系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助分析與設(shè)計(jì)。劉強(qiáng)（），男，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)楦咝阅苓\(yùn)動(dòng)系統(tǒng)分析與控制、數(shù)控加工過程動(dòng)力學(xué)仿真及優(yōu)化和虛擬加工、與微納制造。收稿日期：基于的模式網(wǎng)絡(luò)化的航天標(biāo)準(zhǔn)連接件庫的建立付宜利，苗茹花，李榮（哈爾濱工業(yè)大學(xué)現(xiàn)代生產(chǎn)技術(shù)中心，哈爾濱）前言隨著標(biāo)準(zhǔn)化工作的不斷進(jìn)行，在設(shè)計(jì)中使用標(biāo)準(zhǔn)件可以給設(shè)計(jì)、制造、裝配、維修和備件帶來很大的方便。建立標(biāo)準(zhǔn)件庫，設(shè)計(jì)簡單明了的界面，通過修改界面上的關(guān)鍵參數(shù)便可以得到這些常用標(biāo)準(zhǔn)件的三維模型。

10、隨著信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展，構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)化的標(biāo)準(zhǔn)件庫已成為零件庫發(fā)展的一種新趨勢。目前，一直是高端市場中的主流產(chǎn)品之一。隨著三維設(shè)計(jì)的日益普及，在國內(nèi)的用戶也越來越多，因此針對(duì)航空工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)里的連接件，研究開發(fā)基于平臺(tái)的模式網(wǎng)絡(luò)化標(biāo)準(zhǔn)件數(shù)據(jù)庫，具有重要的意義。連接件庫系統(tǒng)開發(fā)的方法開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)件庫的方法很多，目前基于的標(biāo)準(zhǔn)件庫開發(fā)采用的基本方法有：電子表格法、用戶自定義特征法、關(guān)系表達(dá)式法以及編程法。這些方法各有長短，本文采用的建庫方法是以為軟件開發(fā)平臺(tái)，以和為開發(fā)工具，利用參數(shù)化建模技術(shù)，（）數(shù)據(jù)庫訪問技術(shù)以及技術(shù)，建立基于結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的可參數(shù)化三維零件庫系統(tǒng)。該方法克服了傳統(tǒng)建庫方式的不足

11、，使參數(shù)化標(biāo)準(zhǔn)件入庫程序模板化，程序代碼可重用性高，可提高標(biāo)準(zhǔn)件庫的開發(fā)速度。實(shí)踐證明是一種行之有效的建庫方式。系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)本標(biāo)準(zhǔn)件庫采用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)參數(shù)化模板的方法來生成標(biāo)準(zhǔn)件。標(biāo)準(zhǔn)件數(shù)據(jù)庫包括標(biāo)準(zhǔn)件幾何信息、非幾何信息，還包括參數(shù)化模板、預(yù)覽圖文件等。標(biāo)準(zhǔn)件庫主要由大模塊組成：數(shù)據(jù)庫接口模塊、標(biāo)準(zhǔn)件庫信息管理模塊、模型驅(qū)動(dòng)模塊。體系結(jié)構(gòu)見圖，圖中箭頭代表了數(shù)據(jù)的流向。標(biāo)準(zhǔn)件庫信息管理模塊包括用戶管理、建庫工具、標(biāo)準(zhǔn)件調(diào)用、標(biāo)準(zhǔn)件查詢、標(biāo)準(zhǔn)件管理等幾部分，主要負(fù)責(zé)與平臺(tái)無關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)件信息管理業(yè)務(wù)。模型驅(qū)動(dòng)模塊利用平臺(tái)提供的二次開發(fā)接口，通過讀取數(shù)據(jù)庫參數(shù)驅(qū)動(dòng)模板零件參數(shù)的方法來實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)件的生成。建庫的方法本標(biāo)準(zhǔn)件庫采用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)參數(shù)化模板的方法來生成標(biāo)準(zhǔn)件。首先用零件族法，創(chuàng)建零件參數(shù)化模板，并將此模板文件（）以及此標(biāo)準(zhǔn)件的幾何信息、非幾何信息、預(yù)覽圖文件等存放到數(shù)據(jù)庫中；然后用中的設(shè)計(jì)用戶調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)件庫的界面，利用平臺(tái)提供的技術(shù)編寫參數(shù)化驅(qū)動(dòng)程序；最后設(shè)置零件裝配環(huán)境。用戶只需選擇標(biāo)準(zhǔn)件的型號(hào)和尺寸，直接在裝配環(huán)境下，就能得到對(duì)應(yīng)的零件族中的某一個(gè)實(shí)例零件，實(shí)現(xiàn)摘要：基于，提出了一種以和為開發(fā)工具，以作為標(biāo)準(zhǔn)的通