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

1、基于 Solidworks 與 SimMechanics 的剛體動力學聯(lián)合仿真方法摘要：介紹一種易于應用到工程實際中的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，詳細闡述了Solidworks三維實體模型向SimMechanics/Matlab的模型的轉化方法和過程、 Solidworks三維實體建模的注意事項以及SimMechanics/Matlab模型的仿真功能。該方法充分發(fā)揮兩個軟件包各自的 優(yōu)勢，降低復雜系統(tǒng)的仿真建模難度，提高建模速度。關鍵詞：Solidworks; SimMechanics/Matlab；聯(lián)合仿

2、真；汽車懸架系統(tǒng)Solidworks軟件具有強大的三維實體建模功能，能夠通過拖曳操作快速進行直觀的三維幾何實體建模， 對零部件進行動態(tài)的干涉檢驗，隨時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基礎上的擴展工具模塊，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)的組成結構，自 動構建可以計算系統(tǒng)動態(tài)特性的數學方程，這些方程又可同其它Simulink模型結合運算，大大拓展了復雜 剛體系統(tǒng)的仿真能力。但是，SimMech

3、anics建摸過程需要預先確定每塊剛體的物理參數（質量、慣量）、 連接的運動副屬性以及幾何坐標變化關系等，整個過程抽象、繁瑣、不直觀、獲取參數困難，極易導致建 模錯誤。為了提高建模效率，MATLAB 利用 SimMechanics Link utility 提供 Solidworks CAD 平臺接口，使 Solidworks 建立的三維幾何實體模型自動轉化生成SimMechanics模型，模型中各構件的質量和慣量以及坐標參數可以 自動轉化為SimMechanics模型所需要的動力學和幾何參數，降低了在SimMechanics中進行這些物理參數初 始值人工設置的難度和仿真建模過程出現(xiàn)錯誤的機率

4、氣因此，結合兩款軟件的優(yōu)點進行聯(lián)合仿真，可以 提高工作效率，減少產品研發(fā)所需的時間成本。目前，國內外學者應用該聯(lián)合仿真方法在剛體系統(tǒng)動力學分析方面進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重于剛體系統(tǒng)的動態(tài)仿真結果分析，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。本文以汽車懸架系統(tǒng)的動態(tài)仿真分析為實例，詳細介紹兩種軟件聯(lián)合仿真的具 體應用過程、注意事項以及可能出現(xiàn)問題的解決辦法。1整車懸架系統(tǒng)Solidworks三維實體建模Solidworks提供了比較齊全的數據格式，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的應用領域。仿真模

5、型采用目前主流轎車的承載式車身，前懸架為麥弗遜獨立懸架，后懸架是多連桿獨立懸架。主 要分為試驗臺、車輪、懸架、車身幾個部分氣首先建立所有零部件三維實體模型，然后根據各零部件實 際的裝配和聯(lián)接關系，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)錯誤，應注意以下幾點要求：（1 ）首先，裝配前要確定實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系正確，這是決定最終仿真結果是否正確的關鍵因 素之。（2 ）建模時要簡化裝配體結構，根據功能把裝配體拆分成具有獨立功 能的子裝配體，然后再把各個子裝配體與車身進行裝配。這樣既可以節(jié)省時間減少出錯率，又便于

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

7、支連接的2處裝配關系，相對于實際簡化了2處裝配關系。整車模型的類似情況較多，將多 余輔助配合關系刪除，可簡化裝配與轉化后的仿真模型，縮短仿真時間，提高仿真效率。（4）在進行閉環(huán)裝配時，建議采用單向裝配方法，盡量不要雙向同時裝配，因為雙向同時裝配容差能 力較弱，零部件微小初始幾何誤差最終都會導致裝配失敗，出現(xiàn)運動干涉的情況。如圖1中的多連桿懸架 在汽車行駛過程中，會進行復雜的空間運動，同時由于上方有兩處球鉸連接使其運動范圍有限。由于以上 兩點原因，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 或初始位置超過實際運動范圍，均會導致懸架無法運動。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）轉化后很可能出現(xiàn)“模型初始位置不對”的錯誤，這主要是兩種情況，一種是Solidworks中裝配 體傾斜導致，解決方法在Solidworks中把裝配體浮動擺正，或者直接在Simulink環(huán)境模塊和結構模塊之間 加一個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 的軟件關聯(lián)using smexportonshanp e()圖2 將CAD模型導入Simscape Mulitbody的方法中安裝相應的插件（smli

9、nk.r2019a. win64using smexportonshanp e()圖2 將CAD模型導入Simscape Mulitbody的方法中安裝相應的插件（smlink.r2019a. win64和本文選取的轉化路線是先在CAD軟件（SolidWorks）中 建模，然后轉成XML文件和STEP文件，再導入到 SimMechanics中進行仿真。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 關聯(lián)過程，MATLAB其它早期版本關聯(lián)過程與其大同小異。軟件關聯(lián)是模型轉化的前提，主要是通過在MATLABinstall_addon.m ）來關聯(lián)兩款軟件。具體過程：主要是分為Smlink插件安裝和文件導出及導入操作兩部分 內容。Smlink插件安裝方法如下：（1）在MathWorks網站下載與當前使用的MATLAB版本對應的插件，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）最后關聯(lián) Solidworks，輸入：smlink_link sw。（6）全部提示成功后，打開 Solidworks 菜單工具_插件，勾選 Simscape Multibody Link （ Simscape Multibody 的前身為 SimMechanics ）。根據 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，通過軟件數據轉 換技術，將裝配體轉變成XML文件（此文件存儲著裝配體的詳細模型描述數據）和STEP/STL文件（此文 件包含了裝配體零件的幾何性質）。在MATLAB的命令運行窗口運行“smimport（ XX.xml）”，（XX為模 型文件名），可將Solidworks導出的XML文件和STEP/STL文件轉化形成SimMechanics下的SLX格式模型 文件和一個數據文件，轉化結果如圖3所示。由建模以及轉化過程來看，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、裝配關系等參數，無需人工設定SimMechanics建模所需的剛體重心位 置、SimMechanics仿真模型的完善上述轉化后的仿真模型，要進行仿真還是存在一些問題， 通過查閱MATLAB官網了解到SimMechanics Link在進行模型 轉化時，由于自身功能的限制，并不是所有信息都可以轉化， 如表1所示，部分信息需要轉化后手動進行添加。要實現(xiàn)整車振動仿真分析，還需要完善以下幾個方面：MechanicalTranslatable byGeometric propertiesVInertial propertiesVMechanicalTranslatable byGeometric p

14、ropertiesVInertial propertiesVCoordinate transformsVJointsVDistance/angle constraintsVGraphic propertiesVInitial conditionsV(Position)Internal mechanicsXExternal mechanicsXSensing & actuationX表1 SimMechanics Link轉化功能介紹(2)彈簧阻尼減震器是以剛體形式轉化的，需要在轉化后的模型中設定剛度和阻尼，在SimMechanics 中能直接設定相應的剛度和阻尼。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學模型，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函數建立的磁流變阻尼器力學模型11o這種磁流變阻尼器數學模型如下所示：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。基于上述的磁流變阻尼器阻尼力數學模型，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，給試驗臺輸入諧波信號模擬路面激勵，同時采用信號輸出顯示模塊 檢測車身位移和速度。注意，Simulin

16、k信號是無量綱數值信號，而SimMechanics信號是有量綱的物理信號, 二者必須經過Simulink-PS Converter模塊轉換后才能相互連接。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)振動仿真功能實例下面以正向動力學分析為例，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上，給定 外激勵頻率f = 0.2Hz、幅值A = 0.05m、最大屈服力F” = 200N，磁流變阻尼器非線性系數”分別為不 同值情況下的仿真結果。圖6(a)是由Scope模塊給出的車身位移時間歷程曲線，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強大的數據可視化處理能力，拓 展SimMechanics仿真數據的后處理能力。圖7給出了 /3 = 50，不同F(xiàn)”情況下，經過MATLAB數據處理后 的車身位移幅頻曲線。以上仿真結果可以看出，SimMechanics對復雜機械系統(tǒng)的仿真分析具有效率高、功能強的特點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