基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的機(jī)械設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)

基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的機(jī)械設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)

虛擬抽樣技術(shù)是指在軟件園的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，將分散的零件設(shè)計(jì)和分析技術(shù)結(jié)合起來(lái)，在計(jì)算機(jī)上構(gòu)建產(chǎn)品的總體模型，并對(duì)投入使用后的不同場(chǎng)景進(jìn)行模擬和分析，以預(yù)測(cè)產(chǎn)品的整體性能。這是改善設(shè)計(jì)和提高產(chǎn)品性能的新技術(shù)。運(yùn)用虛擬樣機(jī)技術(shù),可簡(jiǎn)化機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程,縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期,減少產(chǎn)品開(kāi)發(fā)費(fèi)用和成本,提高產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)品的系統(tǒng)及性能,獲得最優(yōu)化和創(chuàng)新的設(shè)計(jì)產(chǎn)品。虛擬樣機(jī)技術(shù)是當(dāng)前設(shè)計(jì)制造領(lǐng)域的一項(xiàng)新技術(shù)。它利用軟件建立機(jī)械系統(tǒng)的三維實(shí)體模型和力學(xué)模型,分析和評(píng)估系統(tǒng)性能,從而為物理樣機(jī)的設(shè)計(jì)和制造提供依據(jù)。1虛擬腳本技術(shù)1.1試驗(yàn)與樣機(jī)試驗(yàn)在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)與制造過(guò)程中,首先是概念設(shè)計(jì)和方案論證,然后進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)完成后,為驗(yàn)證設(shè)計(jì),通常要制造樣機(jī)進(jìn)行試驗(yàn),有時(shí)這些試驗(yàn)是破壞性的。當(dāng)通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)缺陷時(shí),又需回頭修改設(shè)計(jì)并用樣機(jī)試驗(yàn)。只有通過(guò)周而復(fù)始的設(shè)計(jì)-試驗(yàn)-設(shè)計(jì)過(guò)程,產(chǎn)品才能達(dá)到所需性能。這一過(guò)程冗長(zhǎng),尤其是結(jié)構(gòu)復(fù)雜的系統(tǒng),設(shè)計(jì)周期無(wú)法縮短,更不用談對(duì)市場(chǎng)的靈活反應(yīng)。樣機(jī)的單機(jī)制造增加成本,大多數(shù)情況下,制造商為保證產(chǎn)品按時(shí)投放市場(chǎng)而中斷這一過(guò)程,使產(chǎn)品在上市時(shí)便有先天不足的毛病。在激烈競(jìng)爭(zhēng)的市場(chǎng)背景下,基于物理樣機(jī)上的設(shè)計(jì)驗(yàn)證過(guò)程已嚴(yán)重制約產(chǎn)品質(zhì)量的提高、成本的降低和對(duì)市場(chǎng)的占有。1.2虛擬樣機(jī)技術(shù)虛擬樣機(jī)技術(shù)是從分析解決產(chǎn)品整體性能及相關(guān)問(wèn)題的角度出發(fā),解決傳統(tǒng)設(shè)計(jì)與制造過(guò)程弊端的高新技術(shù)。在該技術(shù)中,工程設(shè)計(jì)人員可利用CAD系統(tǒng)所提供各零部件的物理信息及幾何信息,在計(jì)算機(jī)上定義零部件間的連接關(guān)系并對(duì)機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行虛擬裝配,從而獲得機(jī)械系統(tǒng)的虛擬樣機(jī)。使用系統(tǒng)仿真軟件在各種虛擬環(huán)境中真實(shí)地模擬系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng),并對(duì)其在各種工況下的運(yùn)動(dòng)和受力情況進(jìn)行仿真分析,觀察并試驗(yàn)各組成部件的相互運(yùn)動(dòng)情況,它可在計(jì)算機(jī)上方便的修改設(shè)計(jì)缺陷,仿真試驗(yàn)不同的設(shè)計(jì)方案,對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn),直至獲得最優(yōu)化設(shè)計(jì)方案后,再做出物理樣機(jī)。虛擬樣機(jī)技術(shù)的應(yīng)用貫穿整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程,它可以用在概念設(shè)計(jì)和方案論證中,設(shè)計(jì)師可將自己的經(jīng)驗(yàn)與想像結(jié)合在計(jì)算機(jī)內(nèi)的虛擬樣機(jī)里,讓想像力和創(chuàng)造力充分發(fā)揮。當(dāng)虛擬樣機(jī)用來(lái)代替物理樣機(jī)驗(yàn)證設(shè)計(jì)時(shí),不但縮短開(kāi)發(fā)周期,而且設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率都可得到提高。1.3基于虛擬樣機(jī)的工程化制造開(kāi)發(fā)模型目前對(duì)于虛擬樣機(jī)的概念還沒(méi)有一種通用精確的定義,針對(duì)不同的研究領(lǐng)域,有不同的定義方法。從機(jī)械工程研究領(lǐng)域的角度出發(fā),機(jī)械工程師認(rèn)為虛擬樣機(jī)是一種針對(duì)測(cè)試的對(duì)象和物理原型進(jìn)行的一個(gè)虛擬制造和仿真過(guò)程,基于虛擬樣機(jī)技術(shù)建立的工程化制造開(kāi)發(fā)模型可使設(shè)計(jì)人員訪問(wèn)一個(gè)實(shí)際物理模型的所有關(guān)于機(jī)械、物理、外觀和功能特性的有關(guān)信息。1.4計(jì)算機(jī)虛擬樣機(jī)技術(shù)虛擬樣機(jī)技術(shù)源于對(duì)多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的研究,其核心是機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)和控制理論。但它也依賴(lài)于成熟的三維計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)和基于圖形的用戶(hù)界面技術(shù)。如今,計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)技術(shù)的強(qiáng)大功能及計(jì)算機(jī)硬件的突破性發(fā)展為虛擬樣機(jī)技術(shù)的發(fā)展創(chuàng)造有利條件。目前,虛擬樣機(jī)技術(shù)已成為一項(xiàng)相對(duì)獨(dú)立的產(chǎn)業(yè)技術(shù),它改變了傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想,對(duì)制造業(yè)產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。1.5adams公司的產(chǎn)品虛擬樣機(jī)技術(shù)在工程中的應(yīng)用通過(guò)界面友好、功能強(qiáng)大、性能穩(wěn)定的商品化虛擬樣機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)。目前有20多家公司在這個(gè)日益增長(zhǎng)的市場(chǎng)上競(jìng)爭(zhēng)。較有影響力的產(chǎn)品有美國(guó)MDI公司的ADAMS,比利時(shí)LMS公司的DADS及德國(guó)航天局的SIMPACK。其中ADAMS占據(jù)市場(chǎng)的51%以上。其它軟件還有WorkingMOdel,Folw3D,IDEAS,Phoenics,Pamcrash等。由于機(jī)械系統(tǒng)仿真提供的分析技術(shù)能夠滿(mǎn)足真實(shí)系統(tǒng)并行工程設(shè)計(jì)要求,通過(guò)建立機(jī)械系統(tǒng)的模擬樣機(jī),使得在物理樣機(jī)建造前便可分析出它們的工作性能,因此它日益受到國(guó)內(nèi)外機(jī)械領(lǐng)域的重視。2adams軟件的設(shè)計(jì)流程ADAMS(AutomaticDynamicAnalysisofMechanicalSystem)軟件是機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真分析軟件,它使用交互式圖形環(huán)境和零件庫(kù)、約束庫(kù)、力庫(kù),創(chuàng)建完全參數(shù)化的機(jī)械系統(tǒng)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(xiàn)。ADAMS軟件的仿真可用于預(yù)測(cè)機(jī)械系統(tǒng)的性能、運(yùn)動(dòng)范圍、碰撞檢測(cè)、峰值載荷及計(jì)算有限元的輸入載荷等。ADAMS軟件包括核心模塊ADAMS/View和ADAMS/Solver,及其它擴(kuò)展模塊。ADAMS/View的設(shè)計(jì)流程如圖1所示,它主要解決機(jī)械復(fù)合系統(tǒng)的設(shè)計(jì)問(wèn)題,并減少研制時(shí)間和降低研制費(fèi)用,從而提高質(zhì)量、增加效益和改善產(chǎn)品。其過(guò)程包括:①創(chuàng)建模型。首先要?jiǎng)?chuàng)建具有質(zhì)量、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的物體(Part),創(chuàng)建完成后,使用ADAMS/View中的約束庫(kù)創(chuàng)建2個(gè)物體之間的約束副(Constraint),這些約束副確定物體之間的連接情況及物體之間如何相對(duì)運(yùn)動(dòng)。對(duì)于復(fù)雜的產(chǎn)品,其三維幾何模型的建立、產(chǎn)品預(yù)裝配通常在3D軟件(如SolidWorks、Pro/E、UG等)中完成。然后通過(guò)格式轉(zhuǎn)換,導(dǎo)入ADAMS/View環(huán)境,再通過(guò)施加力和力矩,使模型按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真。②測(cè)試和驗(yàn)證模型。在對(duì)模型進(jìn)行仿真的過(guò)程中,ADAMS/View會(huì)自動(dòng)計(jì)算模型的運(yùn)動(dòng)特性,如距離、角度、速度、力信息等。在進(jìn)行仿真時(shí),可通過(guò)測(cè)量曲線(xiàn)直觀地顯示仿真結(jié)果。③完善模型和迭代仿真。通過(guò)初步仿真分析,確定模型的基本運(yùn)動(dòng)后,就可在模型中增加更復(fù)雜的因素,以細(xì)化、完善模型。④優(yōu)化設(shè)計(jì)。ADAMS/View可自動(dòng)進(jìn)行多次仿真,每次仿真改變模型的一個(gè)或多個(gè)設(shè)計(jì)變量,幫助找到機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)的最優(yōu)方案。⑤用戶(hù)化設(shè)計(jì)。為使ADAMS/View符合設(shè)計(jì)環(huán)境,可定制ADAMS/View的界面,將經(jīng)常要改動(dòng)設(shè)計(jì)參數(shù)定制成菜單和便捷對(duì)話(huà)框,還可使用宏命令執(zhí)行復(fù)雜和重復(fù)的工作,提高工作速度。3實(shí)例分析3.1開(kāi)溝機(jī)動(dòng)臂運(yùn)動(dòng)學(xué)工程實(shí)際建設(shè)而開(kāi)發(fā)的多功能開(kāi)溝機(jī)三維模型如圖2所示,其典型特點(diǎn)是可快速更換多種工裝,完成破碎、開(kāi)溝、回填、壓實(shí)等多個(gè)工序,特別適合于窄深溝槽的土方作業(yè),廣泛用于電纜、光纜、煤氣管線(xiàn)、噴灌管線(xiàn)等施工作業(yè)。在工作過(guò)程中,開(kāi)溝機(jī)前部的俯仰油缸實(shí)現(xiàn)動(dòng)臂的上升、下降,配合斗桿油缸可實(shí)現(xiàn)鏟斗挖掘,鏟斗與動(dòng)臂末端采用通用快速接換裝置,可快速更換切割器、破碎器、鏟斗等多種工裝;而工作臂部分承擔(dān)著切割、破碎、挖掘等工作,運(yùn)動(dòng)范圍大、受力情況復(fù)雜,有必要對(duì)其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真,得出動(dòng)臂、斗桿、鏟斗的回轉(zhuǎn)角,判斷其工作范圍是否達(dá)到工程需要,及在最?lèi)毫庸ぷ鳁l件下各油缸所承受的力,為液壓缸的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。3.2雙轉(zhuǎn)臺(tái)式連接首先在SolidWorks中建立工作臂的三維模型圖,初定動(dòng)臂液壓缸、斗桿液壓缸、鏟斗液壓缸的行程分別為630mm、600mm、500mm。再通過(guò)格式轉(zhuǎn)換,導(dǎo)入ADAMS/View環(huán)境中,再給各零件添加約束。將機(jī)身連接架用固定副連接在大地(ground)上,并給各鉸點(diǎn)加上旋轉(zhuǎn)副,動(dòng)臂液壓缸、斗桿液壓缸和鏟斗液壓缸各用一個(gè)移動(dòng)副連接,分別加上移動(dòng)驅(qū)動(dòng)。得到工作臂的虛擬樣機(jī)模型如圖3(a)所示。(1)啟動(dòng)仿真的仿真設(shè)置動(dòng)臂液壓缸的移動(dòng)驅(qū)動(dòng)速度為630mm/s,斗桿液壓缸的移動(dòng)驅(qū)動(dòng)速度為600mm/s,鏟斗液壓缸為500mm/s,仿真參數(shù)時(shí)間設(shè)為1s,step=100,啟動(dòng)仿真按鈕開(kāi)始仿真。可以觀察動(dòng)臂,斗桿,破碎器的運(yùn)動(dòng)情況。測(cè)量動(dòng)臂與水平方向的夾角angle_dongbi,斗桿旋轉(zhuǎn)副所轉(zhuǎn)過(guò)的角度angle_dougan,鏟斗旋轉(zhuǎn)副所轉(zhuǎn)過(guò)的角度angle_smash,其角度隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)如圖3(b)、(c)、(d)所示。從仿真的結(jié)果看出動(dòng)臂所達(dá)到的最大上揚(yáng)角為82.1°,最大下俯角為30°,滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求;斗桿能夠達(dá)到121.6°的回轉(zhuǎn),鏟斗可達(dá)到161°的回轉(zhuǎn),確保鏟斗在挖掘、裝土、提升、卸料的一系列工作過(guò)程中實(shí)現(xiàn)鏟斗的翻轉(zhuǎn)。(2)主梁運(yùn)動(dòng)軌跡提取為觀察運(yùn)動(dòng)過(guò)程中破碎器頂點(diǎn)的軌跡線(xiàn),創(chuàng)建頂點(diǎn)的軌跡,方法如下:點(diǎn)擊Review菜單,選擇AnimationControls選項(xiàng),在出現(xiàn)的動(dòng)畫(huà)控制對(duì)話(huà)框中,選擇Icons選項(xiàng),設(shè)置NoTrace為T(mén)raceMarker,選定破碎器頂點(diǎn)的Marker(dingdian),然后選擇Play工具。即可看到主梁運(yùn)動(dòng)過(guò)程中其端點(diǎn)的軌跡。此外,點(diǎn)選ContourPlots可畫(huà)出頂點(diǎn)所走過(guò)的軌跡,畫(huà)出工作臂在此種運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)下的運(yùn)動(dòng)軌跡。按F8進(jìn)入ADAMS/PostProcessor模塊可以錄制動(dòng)畫(huà)。3.3破碎器的處理工藝通過(guò)比較工作臂在切割、破碎、挖掘各工況時(shí)的受力情況,得出工作臂在破碎工況時(shí),其受力最大,為最?lèi)毫庸ぷ鳝h(huán)境,破碎時(shí)破碎頭受到的外部沖擊力為22kN。在破碎器頂點(diǎn)上添加SFORCE力來(lái)模擬工作時(shí)受到的沖擊力,其方向?yàn)椤癇odyMoving”并沿著破碎器方向,大小用STEP函數(shù)來(lái)描述,SFORCE=STEP(time,0.32,0,0.37,22000),表示在0.32s~0.37s過(guò)程中,破碎器受到的力由0增加到22kN,再運(yùn)行一個(gè)仿真。測(cè)量動(dòng)臂油缸所受到的力,其受力圖如圖4所示,觀測(cè)到各油缸受力急劇增加,其中動(dòng)臂油缸受力最大,達(dá)到25390N。4虛擬樣機(jī)技術(shù)的應(yīng)用虛擬樣機(jī)技術(shù)是機(jī)械工程領(lǐng)域內(nèi)一門(mén)新興的技術(shù),有廣闊的市場(chǎng)發(fā)展前景。它面向系統(tǒng)的全生命周期和全系統(tǒng),使研究、開(kāi)發(fā)研制和使用者之間的聯(lián)系更為有效,加速新技術(shù)向產(chǎn)品轉(zhuǎn)化的開(kāi)發(fā)、研制與使用過(guò)程。虛擬樣機(jī)技術(shù)已廣泛應(yīng)用到汽車(chē)制造業(yè)、工程機(jī)械制造業(yè)、航天航空業(yè)、國(guó)防