基于APDL語言的牛頭刨床機構運動學分析

肖 超，李 偉，邵 騰，叢日平

(山西航天清華裝備有限責任公司 技術中心，山西 長治 046000)

0 引言

隨著計算機科學技術應用領域的不斷拓展，虛擬樣機仿真技術在工程機械開發(fā)中得到了廣泛的應用。文獻[1-3]都通過虛擬樣機對牛頭刨床的運動學和動力學進行了仿真分析并進行了結構優(yōu)化設計。

分析發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有研究多數(shù)是在設計方案確定后，基于比較完善的三維模型進行虛擬樣機仿真研究。而在方案設計前期，如何能夠快速獲得不同方案的運動學、動力學特性，進行方案擇優(yōu)則成為難點。為此，本文基于ADPL語言的機構仿真分析方法，以牛頭刨床為例進行機構運動學分析。并通過與理論結果的對比分析，驗證該方法的可行性，對類似的機構仿真研究具有一定的理論指導意義。

1 基于APDL語言的參數(shù)化分析流程

參數(shù)化設計語言APDL(Parametric Design Language)使研發(fā)人員對結構設計或分析具有絕對控制權，通過修改尺寸、材料、載荷等參數(shù)，可以快速實現(xiàn)具有相同結構的不同系列產品的剛度分析、諧響應分析、結構優(yōu)化設計等[4]?；贏PDL的參數(shù)化分析流程如圖1所示。

圖1 基于APDL的參數(shù)化分析流程

針對工程實際問題，通過提取事物結構特征及拓撲約束關系，將其轉化為用APDL語言表達的程序，在程序運行和調試的基礎上，求得問題的結果。

2 牛頭刨床參數(shù)化建模

2.1 基本結構及參數(shù)

常見的牛頭刨床大多采用如圖2所示的六桿機構傳動。其中，曲柄1、導桿3、機架4及滑塊組成擺動導桿機構，為便于與文獻[5]中的理論計算結果進行對比分析，假設桿件1在初始狀態(tài)處于水平位置。

確定輸入參數(shù)(默認長度單位為mm)，用APDL表達為：

r=100 !桿件1的回轉半徑

h1=350 !點O與點B之間的垂直距離

h2=350 !點A與點C之間的垂直距離

h3=250 !點C與點D之間的垂直距離

a=200 !點D與點F、點G之間的水平距離

1-曲柄；2，5-滑塊；3-導桿；4-機架；6-推桿；7，8-連桿

2.2 參數(shù)化建模

根據牛頭刨床的機構特點，用定義的輸入參數(shù)將每個關鍵點在坐標系中的位置用APDL語言表示出來，再選擇相應的單元類型，建立參數(shù)化模型。用APDL表達為：

/prep7 !進入前處理模塊

!定義關鍵點位置

n,1 !定義點B的位置

n,2,0,h1 !定義點O的位置

n,3,r,h1 !定義點A的位置

n,4,2*r,h1+h2 !定義點C的位置

n,5,2*r,h-h3-100 !定義點E的位置

n,6,2*r,h !定義點D的位置

n,7,2*r-a,h !定義點F的位置

n,8,2*r+a,h !定義點G的位置

!定義單元類型

et,1,mpc184,1,1 !MPC184，剛性梁單元

et,2,mpc184,3 !MPC184，滑塊連接單元

et,3,mpc184,6 !MPC184，銷軸連接單元

et,4,mpc184,10 !MPC184，平移連接單元

!創(chuàng)建MPC184剛性梁單元

type,1

e,1,4 !定義導桿3

e,2,3 !定義曲柄1

e,5,6 !定義推桿6

e,6,7 !定義連桿7

e,6,8 !定義連桿8

!創(chuàng)建MPC184銷軸連接單元

local,12,,,,,,,90

sectype,1,joint,revo

secjoint,lsys,12

type,3

secnum,1

e,1

!創(chuàng)建MPC184滑塊單元

type,2

e,3,1,4 !創(chuàng)建滑塊2

e,4,5,6 !創(chuàng)建滑塊5

!創(chuàng)建MPC184平移連接單元

local,13

sectype,2,joint,pris

secjoint,lsys,13

type,4

secnum,2

e,7 !創(chuàng)建桿7及桿8的平移單元

由以上APDL語言建立的牛頭刨床參數(shù)化模型如圖3所示。

圖3 基于APDL建立的牛頭刨床參數(shù)化模型

2.3 施加邊界條件

在點O處施加位移邊界條件。約束和荷載用APDL表示為：

d,2,ux,,,,,uy,uz,rotx,roty !約束點O位移

d,2,rotz,2*acos(-1) !在點O處施加位移驅動

2.4 求解及結果輸出

由于篇幅限制，本文只對點D的速度、加速度以及導桿3的角速度、角加速度進行求解分析。用APDL表達為：

!求解

/solu

time,1.2 !在1.2s內曲柄1旋轉360°

nlgeom,on

outres,all,all

nsubst,100,,50

solve

!結果輸出

/post26

nsol,2,7,u,x !點D的位移曲線

deriv,3,2 !點D的速度曲線

plvar,3 !繪制點D的速度曲線

deriv,4,3 !點D的加速度曲線

plvar,4 !繪制點D的加速度曲線

nsol,5,1,rot,z

deriv,6,5,,,,,,57.29577 !導桿3的角速度

plvar,6 !繪制導桿3的角速度曲線

deriv,7,6 !導桿3的角加速度

plvar,7 !繪制導桿3的角加速度曲線

由此，可以得到點D的速度曲線(見圖4)和加速度曲線(見圖5)以及導桿3的角速度曲線(見圖6)和角加速度曲線(見圖7)。

圖4 點D的速度曲線 圖5 點D的加速度曲線 圖6 導桿3的角速度曲線

2.5 仿真結果驗證

將導桿3的角速度、角加速度曲線與文獻[5]中的理論計算結果(如圖8、圖9所示)對比分析可知，基于APDL語言得到的虛擬樣機仿真結果與理論分析結果完全一致，證明了該方法求解結果的正確性。

2.6 系列機構求解

通過修改2.1節(jié)中的輸入參數(shù)，可以快速獲得不同結構尺寸的牛頭刨床的運動學仿真結果，這里不再一一贅述。

3 結語

本文基于APDL語言建立了牛頭刨床機構的參數(shù)化模型并進行了運動學仿真，通過與理論計算結果的對比分析，證明了該方法的正確性，從而為用戶擺脫繁瑣的理論計算，直觀、快速地獲得機構運動學分析結果提供了一種新思路。

圖7 導桿3的角加速度曲線 圖8 文獻[5]中求得的導桿角速度曲線 圖9 文獻[5]中求得的導桿角加速度曲線