基于Solidworks與SimMechanics的剛體動力學(xué)聯(lián)合仿真方法

1、基于 Solidworks 與 SimMechanics 的剛體動力學(xué)聯(lián)合仿真方法摘要：介紹一種易于應(yīng)用到工程實(shí)際中的Solidworks與SimMechanics/Matlab軟件包聯(lián)合仿真方法。以汽車懸架系統(tǒng) 的振動特性分析為例，詳細(xì)闡述了Solidworks三維實(shí)體模型向SimMechanics/Matlab的模型的轉(zhuǎn)化方法和過程、 Solidworks三維實(shí)體建模的注意事項(xiàng)以及SimMechanics/Matlab模型的仿真功能。該方法充分發(fā)揮兩個(gè)軟件包各自的 優(yōu)勢，降低復(fù)雜系統(tǒng)的仿真建模難度，提高建模速度。關(guān)鍵詞：Solidworks; SimMechanics/Matlab；聯(lián)合仿

2、真；汽車懸架系統(tǒng)Solidworks軟件具有強(qiáng)大的三維實(shí)體建模功能，能夠通過拖曳操作快速進(jìn)行直觀的三維幾何實(shí)體建模， 對零部件進(jìn)行動態(tài)的干涉檢驗(yàn)，隨時(shí)檢測模型是否存在問題1o SimMechanics是高度集成在Simscape環(huán)境 中，用于三維剛體系統(tǒng)動態(tài)分析的子模塊，而Simscape是在Simulink/Matlab基礎(chǔ)上的擴(kuò)展工具模塊，用于 多種不同類型物理系統(tǒng)的建模與仿真。SimMechanics建模方式可以直觀地表現(xiàn)出物理系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)，自 動構(gòu)建可以計(jì)算系統(tǒng)動態(tài)特性的數(shù)學(xué)方程，這些方程又可同其它Simulink模型結(jié)合運(yùn)算，大大拓展了復(fù)雜 剛體系統(tǒng)的仿真能力。但是，SimMech

3、anics建摸過程需要預(yù)先確定每塊剛體的物理參數(shù)（質(zhì)量、慣量）、 連接的運(yùn)動副屬性以及幾何坐標(biāo)變化關(guān)系等，整個(gè)過程抽象、繁瑣、不直觀、獲取參數(shù)困難，極易導(dǎo)致建 模錯(cuò)誤。為了提高建模效率，MATLAB 利用 SimMechanics Link utility 提供 Solidworks CAD 平臺接口，使 Solidworks 建立的三維幾何實(shí)體模型自動轉(zhuǎn)化生成SimMechanics模型，模型中各構(gòu)件的質(zhì)量和慣量以及坐標(biāo)參數(shù)可以 自動轉(zhuǎn)化為SimMechanics模型所需要的動力學(xué)和幾何參數(shù)，降低了在SimMechanics中進(jìn)行這些物理參數(shù)初 始值人工設(shè)置的難度和仿真建模過程出現(xiàn)錯(cuò)誤的機(jī)率

4、氣因此，結(jié)合兩款軟件的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行聯(lián)合仿真，可以 提高工作效率，減少產(chǎn)品研發(fā)所需的時(shí)間成本。目前，國內(nèi)外學(xué)者應(yīng)用該聯(lián)合仿真方法在剛體系統(tǒng)動力學(xué)分析方面進(jìn)行了大量的研究工作3-8o從現(xiàn)有 資料分析，這些研究工作主要側(cè)重于剛體系統(tǒng)的動態(tài)仿真結(jié)果分析，對該方法的使用過程、步驟以及可能 出現(xiàn)的問題介紹并不詳細(xì)。本文以汽車懸架系統(tǒng)的動態(tài)仿真分析為實(shí)例，詳細(xì)介紹兩種軟件聯(lián)合仿真的具 體應(yīng)用過程、注意事項(xiàng)以及可能出現(xiàn)問題的解決辦法。1整車懸架系統(tǒng)Solidworks三維實(shí)體建模Solidworks提供了比較齊全的數(shù)據(jù)格式，這使得軟件間聯(lián)合仿真工作成為了可能，也極大地拓展了 Solidworks的應(yīng)用領(lǐng)域。仿真模

5、型采用目前主流轎車的承載式車身，前懸架為麥弗遜獨(dú)立懸架，后懸架是多連桿獨(dú)立懸架。主 要分為試驗(yàn)臺、車輪、懸架、車身幾個(gè)部分氣首先建立所有零部件三維實(shí)體模型，然后根據(jù)各零部件實(shí) 際的裝配和聯(lián)接關(guān)系，在Solidworks裝配環(huán)境中裝配成整車模型，如圖1所示。在建模過程中，為了避免出現(xiàn)錯(cuò)誤，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)要求：（1 ）首先，裝配前要確定實(shí)際懸架的空間布置及各零部件的連接方式， 確保各零部件的裝配關(guān)系正確，這是決定最終仿真結(jié)果是否正確的關(guān)鍵因 素之。（2 ）建模時(shí)要簡化裝配體結(jié)構(gòu)，根據(jù)功能把裝配體拆分成具有獨(dú)立功 能的子裝配體，然后再把各個(gè)子裝配體與車身進(jìn)行裝配。這樣既可以節(jié)省時(shí)間減少出錯(cuò)率，又便于

6、后期運(yùn)動干涉情況檢查。如圖1中所示的整車模圖1整車裝配圖型（除試驗(yàn)臺）是將其分為車身模型、兩側(cè)麥弗遜懸架模型子裝配體及兩側(cè)多連桿懸架子裝配體，共五大 具有獨(dú)立關(guān)系子裝配體。各個(gè)子裝配體保存數(shù)據(jù)文件時(shí)，要選擇保留所有零部件以及幾何參考，否則會在 仿真時(shí)因?yàn)闆]有閉合面而顯示不出模型動畫。（3）模型在Solidworks中裝配完成后，要檢查一遍配合關(guān)系，刪去多余的輔助配合關(guān)系，否則轉(zhuǎn)化到 SimMechanics后，不但影響仿真速度而且容易出現(xiàn)仿真錯(cuò)誤。如圖1中麥弗遜懸架的下叉臂與車身的裝配, 如果按照實(shí)際連接關(guān)系有同軸和共面4處裝配關(guān)系，而實(shí)際運(yùn)動過程中下叉臂為一個(gè)整體，因此只需要定 義其中一個(gè)分

7、支連接的2處裝配關(guān)系，相對于實(shí)際簡化了2處裝配關(guān)系。整車模型的類似情況較多，將多 余輔助配合關(guān)系刪除，可簡化裝配與轉(zhuǎn)化后的仿真模型，縮短仿真時(shí)間，提高仿真效率。（4）在進(jìn)行閉環(huán)裝配時(shí)，建議采用單向裝配方法，盡量不要雙向同時(shí)裝配，因?yàn)殡p向同時(shí)裝配容差能 力較弱，零部件微小初始幾何誤差最終都會導(dǎo)致裝配失敗，出現(xiàn)運(yùn)動干涉的情況。如圖1中的多連桿懸架 在汽車行駛過程中，會進(jìn)行復(fù)雜的空間運(yùn)動，同時(shí)由于上方有兩處球鉸連接使其運(yùn)動范圍有限。由于以上 兩點(diǎn)原因，多連桿懸架對所組裝零部件的幾何尺寸和裝配完成后初始位置要求較高，一旦有微小尺寸誤差 或初始位置超過實(shí)際運(yùn)動范圍，均會導(dǎo)致懸架無法運(yùn)動。針對以上問題，采

8、用自上而下或自下而上的單向 連接方法，可以避免上述問題的發(fā)生。（5）轉(zhuǎn)化后很可能出現(xiàn)“模型初始位置不對”的錯(cuò)誤，這主要是兩種情況，一種是Solidworks中裝配 體傾斜導(dǎo)致，解決方法在Solidworks中把裝配體浮動擺正，或者直接在Simulink環(huán)境模塊和結(jié)構(gòu)模塊之間 加一個(gè)transform模塊糾正。另一種情況是某些剛體初始位置不對，這也可采用剛體模塊前加transform模塊 來糾正。Solidworks 與 SimMechanics 的軟件關(guān)聯(lián)using smexportonshanp e()圖2 將CAD模型導(dǎo)入Simscape Mulitbody的方法中安裝相應(yīng)的插件（smli

9、nk.r2019a. win64using smexportonshanp e()圖2 將CAD模型導(dǎo)入Simscape Mulitbody的方法中安裝相應(yīng)的插件（smlink.r2019a. win64和本文選取的轉(zhuǎn)化路線是先在CAD軟件（SolidWorks）中 建模，然后轉(zhuǎn)成XML文件和STEP文件，再導(dǎo)入到 SimMechanics中進(jìn)行仿真。需要說明的是：MATLAB軟件版 本的不同，可能出現(xiàn)SimMechanics軟件包有1代和2代不同 版本的選擇。2代軟件包在MATLAB R2012a中推出的， R2017b版本之前二者并存，R2017b版本之后完全取代1代 軟件包。2代軟件包功

10、能更加完善、合理，仿真速度和效率 更高，因此文中以MATLAB R2019a版本為例介紹軟件間的 關(guān)聯(lián)過程，MATLAB其它早期版本關(guān)聯(lián)過程與其大同小異。軟件關(guān)聯(lián)是模型轉(zhuǎn)化的前提，主要是通過在MATLABinstall_addon.m ）來關(guān)聯(lián)兩款軟件。具體過程：主要是分為Smlink插件安裝和文件導(dǎo)出及導(dǎo)入操作兩部分 內(nèi)容。Smlink插件安裝方法如下：（1）在MathWorks網(wǎng)站下載與當(dāng)前使用的MATLAB版本對應(yīng)的插件，登錄后就可以下載，無需解壓 壓縮文件。（2）以管理員身份打開MATLAB，將所下載的文件所在路徑設(shè)置為MATLAB路徑。（3）在命令欄輸入:install_addon

11、（ smlink.r2019a. win64.zip）。（4）提示成功后，繼續(xù)輸入：regmatlabserver。（5）最后關(guān)聯(lián) Solidworks，輸入：smlink_link sw。（6）全部提示成功后，打開 Solidworks 菜單工具_(dá)插件，勾選 Simscape Multibody Link （ Simscape Multibody 的前身為 SimMechanics ）。根據(jù) Solidworks 不同版本，Simscape Multibody Link 會顯示在不同位置：Solidworks 插件欄、菜單欄或者工具欄中。Solidworks模型向SimMechanics模型

12、的轉(zhuǎn)化在Solidworks裝配環(huán)境（SimMechanics Link插件只能在裝配體模式下才會出現(xiàn)）中，通過軟件數(shù)據(jù)轉(zhuǎn) 換技術(shù)，將裝配體轉(zhuǎn)變成XML文件（此文件存儲著裝配體的詳細(xì)模型描述數(shù)據(jù)）和STEP/STL文件（此文 件包含了裝配體零件的幾何性質(zhì)）。在MATLAB的命令運(yùn)行窗口運(yùn)行“smimport（ XX.xml）”，（XX為模 型文件名），可將Solidworks導(dǎo)出的XML文件和STEP/STL文件轉(zhuǎn)化形成SimMechanics下的SLX格式模型 文件和一個(gè)數(shù)據(jù)文件，轉(zhuǎn)化結(jié)果如圖3所示。由建模以及轉(zhuǎn)化過程來看，僅僅要求給出Solidworks建模所 需要的零部件幾何尺寸、材料屬

13、性、裝配關(guān)系等參數(shù)，無需人工設(shè)定SimMechanics建模所需的剛體重心位 置、SimMechanics仿真模型的完善上述轉(zhuǎn)化后的仿真模型，要進(jìn)行仿真還是存在一些問題， 通過查閱MATLAB官網(wǎng)了解到SimMechanics Link在進(jìn)行模型 轉(zhuǎn)化時(shí)，由于自身功能的限制，并不是所有信息都可以轉(zhuǎn)化， 如表1所示，部分信息需要轉(zhuǎn)化后手動進(jìn)行添加。要實(shí)現(xiàn)整車振動仿真分析，還需要完善以下幾個(gè)方面：MechanicalTranslatable byGeometric propertiesVInertial propertiesVMechanicalTranslatable byGeometric p

14、ropertiesVInertial propertiesVCoordinate transformsVJointsVDistance/angle constraintsVGraphic propertiesVInitial conditionsV(Position)Internal mechanicsXExternal mechanicsXSensing & actuationX表1 SimMechanics Link轉(zhuǎn)化功能介紹(2)彈簧阻尼減震器是以剛體形式轉(zhuǎn)化的，需要在轉(zhuǎn)化后的模型中設(shè)定剛度和阻尼，在SimMechanics 中能直接設(shè)定相應(yīng)的剛度和阻尼。而對于非線性阻尼減震器可以通過

15、給定非線性阻尼力數(shù)學(xué)模型，在Simulink中搭建非線性阻尼力子功 能模塊，然后引入到SimMechanics主模塊的相應(yīng)位置四。例如，該仿真算例采用的非線性阻尼器是利用 Sigmoid函數(shù)建立的磁流變阻尼器力學(xué)模型11o這種磁流變阻尼器數(shù)學(xué)模型如下所示：Fm (1 Fm (1 - e)1 + e-+ Cov式中，F(xiàn)m為磁流變阻尼器最大屈服力，”為磁流變阻尼器的非線性系數(shù)?；谏鲜龅拇帕髯冏枘崞髯枘崃?shù)學(xué)模型，使用Simulink建立其仿真模型，如圖4所示。利用Simulink的信號發(fā)生器模塊，給試驗(yàn)臺輸入諧波信號模擬路面激勵，同時(shí)采用信號輸出顯示模塊 檢測車身位移和速度。注意，Simulin

16、k信號是無量綱數(shù)值信號，而SimMechanics信號是有量綱的物理信號, 二者必須經(jīng)過Simulink-PS Converter模塊轉(zhuǎn)換后才能相互連接。如圖5所示為完善部分子功能后，打包處 理得到的SimMechanics仿真模型。5整車懸架系統(tǒng)振動仿真功能實(shí)例下面以正向動力學(xué)分析為例，列舉仿真分析功能。在上述非線性磁流變阻尼器仿真模型基礎(chǔ)上，給定 外激勵頻率f = 0.2Hz、幅值A(chǔ) = 0.05m、最大屈服力F” = 200N，磁流變阻尼器非線性系數(shù)”分別為不 同值情況下的仿真結(jié)果。圖6(a)是由Scope模塊給出的車身位移時(shí)間歷程曲線，圖6(b)是由Graph XY模塊 給出的車身狀態(tài)

17、相圖(以位移和速度表示)曲線，圖6(c)是由powergui模塊給出的車身位移頻譜曲線。由于SimMechanics模塊高度集成于MATLAB中，可以利用MATLAB強(qiáng)大的數(shù)據(jù)可視化處理能力，拓 展SimMechanics仿真數(shù)據(jù)的后處理能力。圖7給出了 /3 = 50，不同F(xiàn)”情況下，經(jīng)過MATLAB數(shù)據(jù)處理后 的車身位移幅頻曲線。以上仿真結(jié)果可以看出，SimMechanics對復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)的仿真分析具有效率高、功能強(qiáng)的特點(diǎn)05位移y (m)-4-20246位移 _y(m) xlO-4-1-0.500.5位移p (m)xlO-3xlO-4Frequency (Hz)Frequency (Hz)DC = 9.679e-05 , THD= 475.04%uajo 汶)浮wDC = 0.0001029 , THD= 584.87%DC = 0.0001022 , THD= 719.93%,5.5 zFrequency (Hz)圖6