虛擬樣機技術在水電站啟閉機設備設計中的應用

牛軍燕1，劉 杰，唐永濤3，劉 全

(1.河南交通職業技術學院，河南 鄭州 450015；2.河南職業技術學院，河南 鄭州 450015；3.華電鄭州機械設計研究院有限公司，河南 鄭州 450000)

0 引言

隨著數控技術的發展，工業生產逐步變成了自動化、智能化的生產方式[1]。如果直接設計并制造出物理樣機，一旦出現碰撞干涉或個別桿件應力不足等現象，將需要重新設計，這樣不僅浪費成本而且延長生產周期。而虛擬樣機技術作為一種先進的計算機技術，可以大大減少昂貴而費時的物理樣機制造及試驗過程，設計人員可以直接在計算機進行快速分析，比較多種設計方案，進行分析優化，在設計中及時發現問題，提高產品質量，縮短產品開發周期，降低產品開發成本，顯示了其無與倫比的作用與地位[2]。

1 虛擬樣機技術的軟件平臺

虛擬樣機技術是指在產品設計開發過程中，將分散的零部件設計和分析技術揉和在一起，在計算機上建造出產品的整體模型，并針對該產品在投入使用后的各種工況進行仿真與分析，預測產品的整體性能，進而改進產品設計、提高產品性能的一種新技術[3]。虛擬樣機技術不僅具有機械系統運動學及動力學分析技術，而且還具有建模仿真技術、虛擬現實技術、計算機輔助設計與制造技術、優化分析技術、驅動元件建模技術結構分析、模型分析、控制系統設計技術等相關技術。虛擬樣機技術在一些較發達國家，如美國、德國、日本等國已得到廣泛的應用，應用領域從汽車制造業、工程機械 、航空航天業 、國防工業 、通用機械制造業、生物力學 、醫學以及工程咨詢等很多方面，虛擬樣機技術也將在機械手設計研發方面扮演越來越重要的角色。本文就是利用虛擬樣機技術在水電站啟閉機設備上進行的研究與應用。

虛擬樣機技術在工程中的應用是通過界面友好、功能強大、性能穩定的商品化虛擬樣機軟件實現的。以三維設計軟件PRO/E、機械動力學仿真軟件ADAMS、大型有限元分析軟件ANSYS、Hypermesh和控制仿真軟件 MATLAB為核心，構建集成的軟件環境平臺，從而為水電站啟閉機設備的虛擬樣機設計提供一種新型的、具有實用價值的工程設計方法，使企業能夠應用虛擬樣機技術進行產品設計與開發。ADAMS是集建模、 求解、可視化技術于一體的機械系統仿真分析軟件，一方面是虛擬樣機分析的應用軟件，用戶可以運用該軟件非常方便的對虛擬機械系統進行靜力學、運動學和動力學分析；另一方面，又是虛擬樣機分析開發工具，它擁有開放性的程序結構和多種接口，如ADAMS支持的IGES、 STEP、 DXF/DWG、 Parasolid Wavefront、Test Date等圖形交換格式都可以導入到ADAMS中，進行運動學仿真和動力學仿真，更擴大了它的使用范圍，同時可以成為特殊行業用戶進行特殊類型虛擬樣機分析的二次開發工具平臺[4]。

以水電站啟閉機設備的集成虛擬樣機設計為例，軟件設計平臺如圖1 所示。

圖1 水電站啟閉機設備的集成虛擬樣機軟件設計平臺

如圖1所示，水電站啟閉機設備虛擬樣機是利用計算機輔助設計分析仿真軟件對虛擬樣機進行性能分析的，如同對水電站啟閉機設備物理樣機的試驗研究一樣。對虛擬樣機主要部件進行動力學和運動學仿真，從仿真的結果不僅可以得到各運動件的動畫、位置、速度、加速度、位移、軌跡，檢驗機構運動是否合理，是否出現干涉、卡死等問題，還可以得到各零部件實際所受的各種載荷。有了零件所受的力和力矩作為載荷條件，可以將載荷傳遞給有限元分析軟件ANSYS、Hyperhesh進行水電站啟閉機設備關鍵零件的剛度、熱變形、振動、動態特性等分析，獲得零件的應力、應變分布、 位移以及固有頻率和振型等。同時，也可以對水電站啟閉機設備整機特性進行分析。在對水電站啟閉機設備虛擬樣機性能測試不能滿足要求時，返回概念設計或詳細設計中，進行方案修改或變化有關參量，直至測試滿足要求。

2 虛擬樣機技術在水電站啟閉機設備設計中的應用

2.1 在PRO/E中建模

在水電站啟閉機設備虛擬樣機初步設計階段，主要進行調研分析，了解企業的需要，明確水電站啟閉機設備的工作性能，確定所設計機械手的主要結構及主要參數。具體設計是在總體方案基本確定后 ，對機械結構零部件進行主要形狀和尺寸的設計，水電站啟閉機設備零部件外形結構、尺寸的設計對整個機械手性能有直接的影響。

由于ADAMS軟件建模功能還不完善，在仿真過程中需要借助其他CAD軟件建模。本文采用PRO/E建立了水電站啟閉機設備的三維實體模型。

2.2 動態仿真分析

2.2.1 導入模型

將PRO/E中的水電站啟閉機設備模型導入ADAMS 中進行仿真分析。導入過程如下：PRO/E與ADAMS之間的數據傳輸有兩種方式。

1)MSC公司推出了 ADAMS與PRO/E的接口模塊，即利用Pro/E和ADAMS軟件的接口程序 Mechanism/Pro來生成ADAMS可以讀取的文件，這是這兩個軟件能無縫連接的關鍵所在。利用該接口程序可以直接把實體模型存成可以在ADAMS讀取的文件格式。

2)對PRO/E創建好的裝配體另存為 Parasolid (. x_t)格式 ，這種是 ADAMS可以識別的格式 ，從而實現連接。

經過多次試驗，本文采用方式(2)進行導入，值得注意的是導入 ADAMS的實體為空白實體，無質量、無約束。

2.2.2 完善模型

完善模型對運動學分析的正確性至關重要。首先要設置好工作環境，如背景顏色、單位、工作網格的大小等，以方便后續的工作。然后對每一個零件定義質量、顏色、材料進行設定。最好為每一個零件進行重命名，這樣在后續添加約束等操作時容易識別，節省時間。其次，對各運動副添加約束。水電站啟閉機設備各運動部件之間用接觸力屬性定義，并設置摩擦系數。最后對所要求的運動關節添加驅動。水電站啟閉機設備的移動關節和旋轉關節都是采用 STEP函數進行驅動。

2.2.3 測量分析

在ADAMS/View環境下設置End Time為1.5 s，Steps為50，仿真類型選為缺省，然后啟動仿真。

在仿真結束后，進入ADAMS的后處理模塊，后處理模塊可以生成水電站啟閉機設備各部件的位置、速度、加速度和各個運動關節上的作用力矩、角速度等數據曲線，通過修改某些參數，就可以改變水電站啟閉機設備的運動特性。另外，還可以根據水電站啟閉機設備的力矩特性曲線為電機和減速器進行選型，而電機及減速器的選擇是一個復雜的過程，在幾種選擇電機和減速器的方法中，仿真數據是最主要的選型和驗證依據。因此，筆者在選擇水電站啟閉機設備的驅動電機時，就是根據仿真數據選擇合適的電機和減速器的。

3 結語

虛擬樣機技術是一門很實用的應用技術，它具有高精度的分析能力和廣泛的應用范圍，同時，可以使企業縮短生產周期、 降低成本、增強競爭力。通過在水電站啟閉機設備上的應用分析，特別是本文提出的水電站啟閉機設備的集成虛擬樣機軟件設計平臺可以為其他的設計方案做參考利用。同時，虛擬樣機技術還有利于方案的篩選和優化，可以節省大量時間，為未來的設計工作提供了一條新的思路。