基于ADAMS宏命令的物料輸送機(jī)械建模研究

袁俊杰，王錦濤，郭無極

（1.廣西大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，廣西 南寧 530004；2.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，江蘇 南京210031）

0 引言

目前，隨著虛擬樣機(jī)技術(shù)即機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)在數(shù)字化設(shè)計(jì)及多體動(dòng)力學(xué)仿真領(lǐng)域的運(yùn)用，可以讓設(shè)計(jì)人員在各種虛擬環(huán)境下對(duì)產(chǎn)品的整體運(yùn)動(dòng)進(jìn)行仿真，通過對(duì)虛擬樣機(jī)添加相關(guān)約束、載荷條件和驅(qū)動(dòng)，模擬樣機(jī)真實(shí)運(yùn)動(dòng)時(shí)的情況，便于觀察運(yùn)動(dòng)時(shí)樣機(jī)相關(guān)部件的受力情況，對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行分析。利用虛擬樣機(jī)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行開發(fā)時(shí)，不僅能代替物理樣機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，減少返工，還能設(shè)定多種工作情況、開展試驗(yàn)設(shè)計(jì)對(duì)某一部件尺寸或者性能進(jìn)行優(yōu)化，縮短了樣機(jī)的可開發(fā)周期，提高了設(shè)計(jì)的效率和質(zhì)量[1-2]。

在虛擬樣機(jī)仿真軟件Adams中，對(duì)機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行仿真建模時(shí)，常常會(huì)因?yàn)槲锪系膫€(gè)數(shù)太多，而必須對(duì)物料進(jìn)行重復(fù)建模，如在物料輸送過程中，物料與物料之間會(huì)發(fā)生碰撞，同時(shí)物料與樣機(jī)模型部件之間也會(huì)發(fā)生碰撞，但是在Adams軟件界面中對(duì)于相互碰撞的物體，一次只能對(duì)兩個(gè)相互碰撞的物體進(jìn)行碰撞關(guān)系的設(shè)定，要想對(duì)每個(gè)物料與其他物料之間的碰撞關(guān)系以及每個(gè)物料與所接觸的部件之間的碰撞關(guān)系進(jìn)行設(shè)定，只能依次點(diǎn)擊如圖1所示的碰撞力設(shè)置窗口進(jìn)行參數(shù)設(shè)定，十分繁瑣。

圖1 碰撞力設(shè)置窗口

如圖2所示的甘蔗排種器，在其左側(cè)的儲(chǔ)種箱內(nèi)儲(chǔ)有150根甘蔗等待排出，若不采用宏命令進(jìn)行建模，則必須在Adams中連續(xù)建立150根甘蔗模型或?qū)?50根甘蔗模型，再依次對(duì)這些甘蔗模型進(jìn)行彈性模量、密度、泊松比的設(shè)置，之后對(duì)150根甘蔗之間的兩兩碰撞關(guān)系進(jìn)行設(shè)定，則需要進(jìn)行11325次操作，對(duì)于150根甘蔗與其發(fā)生碰撞的12個(gè)樣機(jī)部件進(jìn)行碰撞關(guān)系的設(shè)定，則需要1 800次操作，所以在物料輸送機(jī)械建模仿真時(shí)，若不采用宏命令進(jìn)行建模，操作將十分不便。

圖2 液壓系統(tǒng)原理

針對(duì)此問題，將利用Adams宏命令，對(duì)以甘蔗排種器為代表的物料輸送機(jī)械建模過程中各材料參數(shù)和碰撞力的設(shè)定問題進(jìn)行深入探索和解決。

1 Adams宏命令的功能

宏命令是包含于Adams/view的命令集，它可以執(zhí)行大量繁瑣、重復(fù)、連串的命令。在宏命令中可以對(duì)模型的一系列參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，實(shí)現(xiàn)宏命令與模型之間的數(shù)據(jù)交換。宏命令可以在Adams/View中的命令窗口、宏命令、對(duì)話框、菜單、按鈕命令中使用。

主要功能[3]：

（1）連續(xù)執(zhí)行重復(fù)性操作；

（2）進(jìn)行參數(shù)設(shè)定，與View界面模型實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換；

（3）自動(dòng)完成模型的建立、復(fù)制、移動(dòng)；

（4）迅速建立建模所需變量。

2 多物料輸送機(jī)械宏命令具體建模步驟

2.1 物料模型的建立、復(fù)制與移動(dòng)

以甘蔗排種器排出的物料甘蔗為例，甘蔗模型為圓柱體，甘蔗種類為新臺(tái)糖22號(hào)，通過采用文獻(xiàn)[4]中方法對(duì)甘蔗進(jìn)行采樣、分組、測(cè)量，確定甘蔗模型的尺寸為直徑為29.84 mm，其莖節(jié)凸起約1.5 mm，取其莖節(jié)處直徑為33 mm，確定模型長(zhǎng)度為270 mm，為如圖3所示。

圖3 甘蔗模型

首先，在適當(dāng)?shù)奈恢媒⑹讉€(gè)甘蔗模型；隨后，對(duì)所繪制的首根甘蔗模型進(jìn)行復(fù)制（此操作同時(shí)復(fù)制模型形狀和參數(shù)），生成余下149根甘蔗模型；同時(shí)，在模型復(fù)制的過程中，注意對(duì)復(fù)制出的甘蔗模型進(jìn)行移動(dòng)操作，將150根甘蔗排布整齊，如圖4所示。

圖4 150根甘蔗模型

點(diǎn)開Adams/View工具欄的Tool選項(xiàng)，依次點(diǎn)擊Marco→Edit→New，創(chuàng)建宏命令，如 Marco_1，之后點(diǎn)擊Wrap in uodo→Yes，保證該命令可以被撤銷，便于修改。

完成上述操作的宏命令程序如下：

defaults model model_name=.MODEL_1注釋：項(xiàng)目名稱

variable create variable_name=ip&注釋：創(chuàng)建變量

integer_value=1變量初始賦值

while condition=（ip<150）注釋：在首根甘蔗模型的位置創(chuàng)建其余149根甘蔗模型

part copy part=.MODEL_1.PART_1&

new_part=（unique_name（"PART"））

variable modify variable_name=ip&

integer_value=（eval（ip+1））

end

variable delete variable_name=ip注釋：消去變量

defaults model part_name=.MODEL_1.PART_1

variable create variable_name=ip&

integer_value=1

while condition=（ip<150） 注釋：將其余甘蔗模型進(jìn)行移動(dòng)

move object part_name=&注釋：同行甘蔗相鄰質(zhì)心之間距離為33mm

（eval（".MODEL_1.PART_"http://（ip+1）））&

c1=33 c2=0 c3=0&

cspart_name=&

（eval（".MODEL_1.PART_"http://（ip）））

variable create variable_name=ip1&

integer_value=1

while condition=（ip1<135） 注釋：同列甘蔗相鄰質(zhì)心之間距離為33mm

move object part_name=&

（eval（".MODEL_1.PART_"http://（ip1+15）））&

c1=0 c2=33 c3=0&

cspart_name=&

（eval（".MODEL_1.PART_"http://（ip1）））

variable modify variable_name=ip1&

integer_value=（eval（ip1+15））

end

variable delete variable_name=ip1

variable modify variable_name=ip&

integer_value=（eval（ip+1））

end

variable delete variable_name=ip

依次點(diǎn)擊Tool MarcoDebug Marco，選擇宏命令Marco_1，點(diǎn)擊Run運(yùn)行宏命令。

2.2 物料模型參數(shù)的添加

通過創(chuàng)建統(tǒng)一的材料屬性，再采用循環(huán)結(jié)構(gòu)將此材料屬性賦給全部物料模型。

依文獻(xiàn)方法[4]中方法測(cè)得新臺(tái)唐22號(hào)甘蔗密度為1.11e-6，彈性模量為122.45，泊松比為0.3.

創(chuàng)建名為ganzhe_1的材料屬性。建立宏命令Marco_2并運(yùn)行，宏命令如下：

defaults model model_name=.MODEL_1

material create material_name=&

（eval（".MODEL_1.MATERIAL_"http://"ganzhe_"http://（1）））&

density=1110&

youngs_modulus=1.2245E8&

poissons_ratio=0.3

將材料屬性賦予全部物料模型。建立宏命令Marco_3.并運(yùn)行，宏命令如下：

defaults model model_name=.MODEL_1

for variable_name =tempreal start_value =1 end_value=60

part modify rigid mass_properties&

part_name=（eval（".MODEL_1.PART_"http://rtoi（tempreal）））&

material_type=.MODEL_1.MATERIAL_ganzhe_1

end

2.3 物料之間碰撞關(guān)系的設(shè)定

此時(shí)150根甘蔗已經(jīng)全部定義完成，但它們還只是彼此獨(dú)立的模型，不存在任何接觸關(guān)系，若就此運(yùn)行Adams進(jìn)行仿真，甘蔗模型之間會(huì)出現(xiàn)彼此完全穿透的現(xiàn)象，所以要對(duì)每?jī)蓚€(gè)甘蔗模型之間的碰撞參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。

本文采用impact函數(shù)模型對(duì)碰撞關(guān)系進(jìn)行設(shè)定。

式中：K為接觸剛度系數(shù)；x1為位移開關(guān)量，用于確定單側(cè)碰撞是否起作用；x為接觸物體之間的實(shí)際位移；d為阻尼最大時(shí)兩接觸物體的穿透深度；Cmax為最大接觸阻尼；x˙為穿透速度；n為非線性彈簧力指數(shù)。

當(dāng) x＞x1時(shí)，兩物體不發(fā)生接觸，接觸力為0，當(dāng)x＜x1時(shí)，兩物體接觸，接觸力大小與接觸剛度系數(shù)、非線性指數(shù)、阻尼系數(shù)以及兩物體距離的改變量即穿透量有關(guān)[1]。

Adams中的碰撞關(guān)系的設(shè)定是基于Hertz彈性碰撞定律的，根據(jù)Hertz定律[5]。

式（2）、（3）、（4）中：R2為甘蔗半徑，取 15mm，Ei為弾性模型，μi為泊松比。

在定義甘蔗之間和甘蔗與鋼板之間的碰撞時(shí)，對(duì)于e（Force Exponent）為力的指數(shù)，剛度項(xiàng)的貢獻(xiàn)因子，都取默認(rèn)值2.2；C（Damping）為阻尼系數(shù)，單位為N*sec/m，通常取剛度值的0.1%~1%，本文前三者取10 N*sec/m；δ為穿透深度，對(duì)應(yīng)Adams取最大阻尼系數(shù)時(shí)的穿透深度，取δ＝0.1 mm.

根據(jù)文獻(xiàn)[6]所述方法測(cè)得，甘蔗與甘蔗之間靜摩擦系數(shù)為0.66，動(dòng)摩擦系數(shù)取0.46.

建立宏命令Marco_4并運(yùn)行，編寫的宏命令如下：

defaults model model_name=.MODEL_1

variable create variable_name=ip&

integer_value=1

while condition=（ip<150）

variable create variable_name=ip1&

integer_value=2

variable create variable_name=paiming&

integer_value=1

while condition=（ip1<151）

if condition=（ip

contact create contact_name=（eval（"CGZ_"http://（ip）//"_"http://（paiming+1）））&i_geometry_name=（eval（".MODEL_1.PART_"http://（ip）//".SOLID16"））& j_geometry_name=（eval（".MODEL_1.PART_"http://（ip1）//".SOLID16"））&

stiffness=245.6677727&注釋：剛度系數(shù)

damping=1.0E+001&注釋：阻尼系數(shù)

exponent=2.2&注釋：力的指數(shù)

dmax=1.0E-001&注釋：最大穿透深度

coulomb_friction=on&注釋：庫(kù)倫摩擦力

mu_static=0.66&注釋：靜摩擦力系數(shù)

mu_dynamic=0.46&注釋：動(dòng)摩擦力系數(shù)stiction_transition_velocity =100& friction_transition_velocity=1000

else

end

variable modify variable_name=paiming&

integer_value=（eval（paiming+1））

variable modify variable_name=ip1&

integer_value=（eval（ip1+1））

end

variable delete variable_name=ip1

variable delete variable_name=paiming

variable modify variable_name=ip&

integer_value=（eval（ip+1））

end

variable delete variable_name=ip

運(yùn)行上述宏命令后，自動(dòng)完成如圖5所示的150根甘蔗之間的11325個(gè)碰撞關(guān)系設(shè)定。

圖5 50根甘蔗之間的碰撞關(guān)系

根據(jù)文獻(xiàn)[6]所述方法測(cè)得，測(cè)得甘蔗與鋼板之間靜摩擦力系數(shù)為0.59，動(dòng)摩擦力系數(shù)取0.39.

建立宏命令Marco_4并運(yùn)行，編寫的宏命令如下：

defaults model model_name=.MODEL_1

variable create variable_name=ip&

integer_value=1

while condition=（ip<61）

contact create contact_name=（eval（"C_"http://（ip）//（ip）

//"_"http://（1713）））&i_geometry_name=（eval（".MODEL_1.PART_"http://（ip）//".SOLID16"））&j_geometry_name=（eval （".MODEL_1.PRT0001_1"http://".SOLID1713"））&

stiffness=209.381517&

exponent=2.2&

2.4 物料與部件之間碰撞關(guān)系的設(shè)定

此時(shí)150根甘蔗之間的碰撞關(guān)系已經(jīng)全部定義完成，但它們都還沒有與接觸部件之間建立聯(lián)系，不存在任何接觸關(guān)系，此時(shí)運(yùn)行Adams進(jìn)行仿真，甘蔗模型與部件之間就會(huì)出現(xiàn)彼此完全穿透的現(xiàn)象，所以要對(duì)每個(gè)甘蔗模型與部件之間之間的碰撞參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，將部件材料為鋼。

根據(jù)公式（1）、（2）、（3），取 R1=15 mm，R3=1.5 mm，E3=2.07e5 N/m2則 h1=2.356e-3 mm2/N，h3

mping=1.0E+001&

dmax=1.0E-001&

coulomb_friction=on&

mu_static=0.59&

mu_dynamic=0.39& stiction_transition_velocity=100& friction_transition_velocity=1000

……（其余部件與甘蔗模型之間的碰撞關(guān)系同上）

variable modify variable_name=ip&

integer_value=（eval（ip+1））

end

variable delete variable_name=ip

運(yùn)行上述宏命令后，自動(dòng)完成如圖6所示的150根甘蔗與機(jī)器部件之間的1800個(gè)碰撞關(guān)系設(shè)定。

圖6 150根甘與機(jī)器部件之間的碰撞關(guān)系

3 結(jié)論

本文針對(duì)物料輸送機(jī)械在Adams的仿真過程中，出現(xiàn)的物料模型重復(fù)建立、各種材料屬性和碰撞關(guān)系重復(fù)設(shè)立所造成工作量浩大繁瑣的問題，以甘蔗排種器為研究對(duì)象，編寫了相關(guān)的宏命令，從而實(shí)現(xiàn)了模型的快速?gòu)?fù)制以及材料屬性和各種碰撞關(guān)系的一次性施加，大大減少了仿真中建模所需的時(shí)間，提高了建模效率，為后續(xù)模型的仿真、分析創(chuàng)造了前提條件，也為類似物料輸送機(jī)械的建模與宏命令的應(yīng)用提供了參考依據(jù)。