城軌塞拉門機(jī)械系統(tǒng)虛擬樣機(jī)建立方法研究

王祖進(jìn), 史 翔, 貢智兵, 顧萍萍, 譚文才, 王 衛(wèi)

（1. 南京康尼機(jī)電股份有限公司，江蘇南京 210038；2. 南京工業(yè)大學(xué)，江蘇南京 210009）

0 引言

傳統(tǒng)的城軌塞拉門設(shè)計(jì)采用的方法是先進(jìn)行門系統(tǒng)的需求分析，然后生產(chǎn)研制出樣機(jī)，再進(jìn)行門系統(tǒng)的工作運(yùn)行實(shí)驗(yàn)。當(dāng)通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，需要先修改設(shè)計(jì)，再加工樣機(jī)，最后進(jìn)行樣機(jī)實(shí)驗(yàn)。如此反復(fù)進(jìn)行，導(dǎo)致設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程周期長(zhǎng)、成本高。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展而發(fā)展起來(lái)的虛擬樣機(jī)技術(shù)[1-3]，是以機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)和控制理論為核心，加上成熟的三維計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)和基于圖形的用戶界面技術(shù)，將分散的零部件設(shè)計(jì)和分析技術(shù)集成在一起，對(duì)設(shè)計(jì)產(chǎn)品進(jìn)行虛擬性能測(cè)試的一種高新技術(shù)。它可以在很短時(shí)間內(nèi)完成多次物理樣機(jī)無(wú)法完成的仿真試驗(yàn)，分析不同的設(shè)計(jì)方案，直至獲得樣機(jī)模型整機(jī)系統(tǒng)的優(yōu)化方案。利用虛擬樣機(jī)技術(shù)不但可以降低開(kāi)發(fā)成本，縮短開(kāi)發(fā)周期，還能夠進(jìn)行不同工況的試驗(yàn)，可以極大地提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)的質(zhì)量[4-6]。因此，本文采用虛擬樣機(jī)技術(shù)，建立城軌塞拉門的虛擬樣機(jī)仿真平臺(tái)，為門系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供一種仿真模型，具有很高的經(jīng)濟(jì)效益。

1 建立三維裝配模型

在 SolidWorks 軟件環(huán)境下，對(duì)城軌塞拉門進(jìn)行三維建模和裝配，并將裝配模型轉(zhuǎn)換為 RecurDyn 可導(dǎo)入的 .x_t 格式文件。如圖 1 所示，城軌塞拉門主要由承載驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、平衡輪組件、門扇、下擺臂組件、上滑道組件等組成。

圖 1 城軌塞拉門三維裝配模型

塞拉門承載驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)如圖 2 所示。由電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲桿，并帶動(dòng)鎖閉組件運(yùn)動(dòng)，鎖閉組件通過(guò)傳動(dòng)架、鉸鏈座、滑筒以及攜門架將驅(qū)動(dòng)力傳遞到門扇上，從而驅(qū)動(dòng)門扇實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)門動(dòng)作。

塞拉門通過(guò)塞拉動(dòng)作實(shí)現(xiàn)門扇在 X-Y 方向上的同步運(yùn)動(dòng)，其中門扇上部的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)組成如圖 3 所示。攜門架與門扇固連，上滑道與安裝在車體上的承載驅(qū)動(dòng)組件固連，滾輪沿著上滑道運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)門扇上部實(shí)現(xiàn)擺塞和直線運(yùn)動(dòng)。

圖 2 塞拉門承載驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)

圖 3 門扇上部導(dǎo)向機(jī)構(gòu)

門扇下部的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)組成如圖 4 所示。下導(dǎo)軌和曲線塊安裝在門扇上，擺臂組件安裝在車體上，滾輪沿著下導(dǎo)軌和曲線塊的內(nèi)外輪廓面運(yùn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)門扇下部的擺塞和直線運(yùn)動(dòng)。

圖 4 門扇下部導(dǎo)向機(jī)構(gòu)

2 建立動(dòng)力學(xué)仿真模型

2.1 零部件柔性化

將三維裝配模型導(dǎo)入 RecurDyn，在 RecurDyn 中對(duì)關(guān)鍵零部件進(jìn)行柔性化處理，并設(shè)置每個(gè)柔性體的材料密度、泊松比、彈性模量等屬性。零部件主要包括絲桿、滾動(dòng)銷、O 形圈、攜門架、長(zhǎng)導(dǎo)柱。

2.2 材料屬性設(shè)置

對(duì)仿真模型中各零部件的材料屬性進(jìn)行設(shè)置。根據(jù)塞拉門中各零部件的材料屬性，對(duì)仿真模型中各剛性零部件的密度進(jìn)行設(shè)置，并且利用 RecurDyn 中的 merge 功能，將固連在一起的零部件合并在一起。此項(xiàng)處理可以加快仿真模型的計(jì)算速度。

2.3 運(yùn)動(dòng)副設(shè)置

對(duì)仿真模型中各零部件間的運(yùn)動(dòng)副進(jìn)行設(shè)置[7-8]，主要零部件間的約束關(guān)系如表 1 所示。

表 1 主要零部件間的約束關(guān)系

2.4 添加載荷與驅(qū)動(dòng)

對(duì)仿真模型中的載荷進(jìn)行設(shè)置。在鎖閉組件的螺母套與螺母座之間添加扭簧力；在門扇與大地（Ground）之間添加垂直于門扇運(yùn)動(dòng)方向的均布載荷來(lái)模擬周邊膠條與臺(tái)架之間的膠條反彈力；在門扇與 Ground 之間添加沿門扇運(yùn)動(dòng)方向的均布載荷來(lái)模擬周邊膠條與臺(tái)架之間的摩擦力；在左右門扇的護(hù)指膠條之間建立變剛度彈簧來(lái)模擬膠條反彈力，對(duì)護(hù)指膠條的反彈力進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量，得到膠條反彈力隨膠條壓縮量的變化曲線，根據(jù)此變化曲線來(lái)定義變剛度彈簧的剛度曲線。對(duì)仿真模型中的驅(qū)動(dòng)進(jìn)行設(shè)置，在絲桿上添加驅(qū)動(dòng)扭矩和驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速。

圖 5 門扇的位移曲線

表 2 接觸副參數(shù)設(shè)置

圖 6 電機(jī)的轉(zhuǎn)角曲線

圖 7 電機(jī)的輸出扭矩曲線

2.5 接觸副設(shè)置

對(duì)門系統(tǒng)中的接觸副進(jìn)行定義，具體包括：鎖閉組件和絲桿間的接觸、鎖閉組件內(nèi)的接觸、尼龍滾輪和上滑道間的接觸、擺臂滾輪和下導(dǎo)軌間的接觸、平衡輪和門扇上壓板間的接觸。接觸類型采用幾何表面接觸（Geo Surface Contact），接觸副參數(shù)設(shè)置如表 2 所示。

2.6 摩擦力設(shè)置

對(duì)仿真模型中各零部件間的摩擦力進(jìn)行設(shè)置。為了加快仿真計(jì)算的速度，通過(guò)對(duì)長(zhǎng)導(dǎo)柱和短導(dǎo)柱上的圓柱副添加摩擦來(lái)模擬整個(gè)門系統(tǒng)開(kāi)關(guān)門過(guò)程中的阻力。對(duì)塞拉門系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，得到關(guān)門過(guò)程中門扇的位移曲線（圖 5）、電機(jī)的轉(zhuǎn)角曲線（圖 6）以及電機(jī)的輸出扭矩曲線（圖 7）。利用電機(jī)的輸出扭矩曲線來(lái)定義絲桿驅(qū)動(dòng)扭矩的大小，同時(shí)取消驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速。利用 RecurDyn中的 AutoDesign 功能對(duì)圓柱副上的摩擦系數(shù)進(jìn)行自動(dòng)優(yōu)化，其約束條件為：當(dāng)關(guān)門過(guò)程中門扇運(yùn)動(dòng)時(shí)間為 2 s 時(shí)，門扇的位移為 508.09 mm；當(dāng)關(guān)門過(guò)程中門扇的運(yùn)動(dòng)時(shí)間為 2.8 s 時(shí)，絲桿轉(zhuǎn)過(guò)的角度為 3 872.025°。

3 仿真分析

對(duì)塞拉門系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，得到電機(jī)的轉(zhuǎn)速曲線。如圖 8 所示，以電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速曲線作為絲桿驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速，同時(shí)取消驅(qū)動(dòng)扭矩。對(duì)機(jī)械系統(tǒng)仿真模型進(jìn)行仿真分析，得到絲桿驅(qū)動(dòng)扭矩的仿真結(jié)果。將仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，如圖 9 所示，若誤差小于 10%，說(shuō)明所建模型能夠滿足精度要求；若誤差大于 10%，說(shuō)明所建模型與真實(shí)模型存在較大的誤差，需對(duì)模型進(jìn)行修正，主要對(duì)接觸副參數(shù)進(jìn)行修正，直至兩者誤差小于 10%。修正后的接觸副參數(shù)如表 3 所示，至此，得到機(jī)械系統(tǒng)的虛擬樣機(jī)模型。

表 3 修正后的接觸副參數(shù)設(shè)置

圖 8 電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速曲線

圖 9 仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

4 結(jié)論

基于 RecurDyn 的模擬仿真功能，提出了一種城軌塞拉門機(jī)械系統(tǒng)虛擬樣機(jī)建立方法。該方法避免了傳統(tǒng)分析方法需要在實(shí)際樣機(jī)完成后才能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的缺點(diǎn)，直接通過(guò)計(jì)算機(jī)虛擬環(huán)境就可以定量、準(zhǔn)確分析門系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)性能，可大大降低開(kāi)發(fā)成本，縮短開(kāi)發(fā)周期，降低產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)。文中對(duì)整個(gè)城軌塞拉門系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行了仿真，得到了絲桿的驅(qū)動(dòng)扭矩，并與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比，根據(jù)對(duì)比結(jié)果對(duì)仿真模型進(jìn)行了修正，最終得到了高精度的虛擬樣機(jī)模型。該方法還可以推廣應(yīng)用到其他類似的復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)的仿真分析中，實(shí)現(xiàn)快速、高質(zhì)量、低成本的設(shè)計(jì)目標(biāo)，具有較高的參考價(jià)值。

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