虛擬樣機(jī)技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

趙永燕,李 玲

(新鄉(xiāng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,河南 新鄉(xiāng) 453000)

0 引言

計(jì)算機(jī)技術(shù)是提高機(jī)械設(shè)計(jì)的重要基礎(chǔ),各項(xiàng)計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)及仿真技術(shù)對(duì)于提高機(jī)械生產(chǎn)效率具有重要意義。早在1994年,Prett提出一種“VP”概念,主要是指利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)(Virtual reality,VR)和其他信息技術(shù)聯(lián)合建立的機(jī)械產(chǎn)品數(shù)字模型,在機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)的不同階段定量分析產(chǎn)品與用戶(hù)之間的交互仿真。基于虛擬樣機(jī)技術(shù)可以為機(jī)械設(shè)計(jì)人員創(chuàng)造更加真實(shí)的模擬環(huán)境,在機(jī)械設(shè)計(jì)樣機(jī)制造前,機(jī)械設(shè)計(jì)人員或相關(guān)用戶(hù)基于計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)建立機(jī)械產(chǎn)品數(shù)字模型,通過(guò)模擬真實(shí)環(huán)境下機(jī)械產(chǎn)品各項(xiàng)工作特性,不斷優(yōu)化和修改設(shè)計(jì)方案,可以極大地提高機(jī)械設(shè)計(jì)效率,保證機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)可靠性。目前,虛擬樣機(jī)技術(shù)在工業(yè)、醫(yī)療、軍事和教育等多個(gè)工程領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用與發(fā)展,減少機(jī)械設(shè)計(jì)缺陷[1-3]。

為了進(jìn)一步擴(kuò)大虛擬樣機(jī)技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用與發(fā)展,本研究以聯(lián)合收獲機(jī)切割器和玉米秸稈切割臺(tái)的運(yùn)用為例子,系統(tǒng)論述軟件操作過(guò)程與步驟,可以為相關(guān)人員的學(xué)習(xí)提供參考與借鑒。

1 ADAMS軟件發(fā)展概述

ADAMS(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems)是機(jī)械設(shè)計(jì)中重要的仿真軟件,在機(jī)械設(shè)計(jì)與工程發(fā)展中。ADAMS軟件可以進(jìn)行自動(dòng)輸出位移、運(yùn)行速度、加速度和作用力等條件,為機(jī)械產(chǎn)品的機(jī)械動(dòng)力性能進(jìn)行仿真分析,并且支持大多數(shù)的CAD、FLEX及控制軟件之間的雙向通信[4-5]。

1.1 核心模塊

1.1.1 ADAMS/View

ADAMS/View是ADAMS軟件的交互式圖形環(huán)境,采用簡(jiǎn)單的分級(jí)方式完成建模工作,其運(yùn)行結(jié)果一般采用直觀(guān)、形象的方式描述機(jī)械產(chǎn)品的力學(xué)性能,如曲線(xiàn)圖或者動(dòng)畫(huà)等。

1.1.2 ADAMS/Solver

ADAMS/Solver是ADAMS軟件的核心部件，可以提供機(jī)械產(chǎn)品的靜力學(xué)、動(dòng)力學(xué)運(yùn)算結(jié)果，精確地輸出位移、速度、加速度和力，操作人員可以通過(guò)運(yùn)動(dòng)副、隨機(jī)運(yùn)動(dòng)和自定義程序等添加物體約束。

1.1.3 ADAMS/Flex

ADAMS/Flex屬于ADAMS軟件中的集成可選模塊,是ADAMS和Flex軟件之間的雙向通訊與信息交互利用模態(tài)頻率生成柔性體的ADAMS模型,支持ANSYS、MSC/NAS-TRAN和I-DEAS的中性文件格式。

1.1.4 ADAMS/Car

ADAMS/Car可以為操作人員提供精確的汽車(chē)虛擬樣機(jī)能力,主要包括懸架、傳動(dòng)系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、ABS系統(tǒng)等,操作人員可以模擬車(chē)輛在各種道路條件上運(yùn)行,模擬汽車(chē)駕駛的操作穩(wěn)定性、舒適性、安全性等各項(xiàng)性能。

1.1.5 ADAMS/Tire

ADAMS/Tire可以研究車(chē)輛輪胎與道路之間的相互作用關(guān)系,精確地計(jì)算側(cè)向力、自動(dòng)回正力和由于路面不穩(wěn)產(chǎn)生的障礙力等,模擬車(chē)輛在制動(dòng)、轉(zhuǎn)向和滑行狀態(tài)下的車(chē)輛動(dòng)力學(xué)特性。

另外,ADAMS軟件還包括Linear(線(xiàn)性分析模塊)、Exchange(圖形接口模塊)、Controls(控制模塊)、MECHNISM/Pro(機(jī)構(gòu)分析模塊)等[6]。

1.2 應(yīng)用特點(diǎn)

ADAMS軟件具有以下特點(diǎn):

1)ADAMS軟件具有先進(jìn)的機(jī)械產(chǎn)品數(shù)值分析、計(jì)算和求解能力。

2)ADAMS軟件可以開(kāi)展機(jī)械產(chǎn)品動(dòng)力學(xué)分析、靜力學(xué)分析和運(yùn)動(dòng)學(xué)分析等,兼具二維和三維建模能力。

3)具有裝配、分析和動(dòng)態(tài)顯示不同機(jī)械設(shè)計(jì)模型或者同一機(jī)械設(shè)計(jì)模型的變化過(guò)程或者運(yùn)動(dòng)情況。

4)具有開(kāi)放式運(yùn)行結(jié)構(gòu),允許用戶(hù)集成自己的子程序,擁有強(qiáng)大的函數(shù)庫(kù)。

5)ADAMS提供了多種建模和仿真工具,可以靈活地創(chuàng)建各種機(jī)械系統(tǒng)的模型,同時(shí)能與其他軟件進(jìn)行接口,實(shí)現(xiàn)多種數(shù)據(jù)交換和共享[7]。

6)ADAMS軟件采用全局定位圖識(shí)別過(guò)約束系統(tǒng),整體功能更加強(qiáng)大,運(yùn)行精度更高,機(jī)械產(chǎn)品的表面接觸功能可以通過(guò)自動(dòng)檢測(cè)接觸是否發(fā)生并作出響應(yīng)。

2 谷物聯(lián)合收獲機(jī)切割機(jī)構(gòu)仿真

2.1 切割器運(yùn)動(dòng)分析

目前,谷物聯(lián)合收獲機(jī)主要采用往復(fù)式切割器實(shí)現(xiàn)谷物收獲,具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作效率高和不需要高的切割速度等應(yīng)用優(yōu)勢(shì),在往復(fù)式切割器中,割刀速度直接影響谷物切割質(zhì)量,因此,需要對(duì)割刀進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析,掌握相關(guān)變化規(guī)律。

驅(qū)動(dòng)割刀主要包括連桿機(jī)構(gòu)和擺環(huán)機(jī)構(gòu)等。本研究以擺環(huán)機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析,機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。擺環(huán)機(jī)構(gòu)是將傳動(dòng)半軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為擺臂的往復(fù)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行割刀驅(qū)動(dòng)。

1.刀頭;2.連桿;3.擺臂;4.擺叉軸;5.擺環(huán);6.傳動(dòng)半軸圖1 擺環(huán)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖

2.2 切割器的建模與仿真

在仿真前,應(yīng)建立割刀仿真模型,根據(jù)仿真結(jié)果確定割刀是否符合設(shè)計(jì)要求,在建模過(guò)程中,首先選擇建模環(huán)境,主要包括構(gòu)件長(zhǎng)度、網(wǎng)格間距等,創(chuàng)建各個(gè)設(shè)計(jì)點(diǎn)如表1所示。

表1 切割器各設(shè)計(jì)點(diǎn)的坐標(biāo)值

然后在ADAMS/View中調(diào)用建模實(shí)體Link建立切割器實(shí)體,再進(jìn)行相關(guān)約束,其中擺環(huán)機(jī)構(gòu)用萬(wàn)向節(jié)表示,最后給定曲柄轉(zhuǎn)速,設(shè)定擺臂長(zhǎng)度為152 mm,連桿長(zhǎng)度為95 mm,擺環(huán)夾角為300°,擺環(huán)主軸轉(zhuǎn)速為495 r·min-1。

利用ADAMS軟件求解割刀運(yùn)動(dòng)參數(shù),在割刀運(yùn)動(dòng)過(guò)程中,可以測(cè)定割刀位移、速度和加速度。

3 玉米秸稈切割調(diào)質(zhì)剛?cè)峤佑|仿真

玉米秸稈是重要的生物質(zhì)資源之一,但是目前我國(guó)關(guān)于秸稈資源化利用尚未形成完善的體系,主要是由于玉米摘穗時(shí)期秸稈含水率較高,一般在70%～80%,進(jìn)行秸稈曬干耗時(shí)較長(zhǎng),另一方面是由于玉米秸稈較為堅(jiān)硬,難以進(jìn)行打捆。針對(duì)以上問(wèn)題,提出了玉米秸稈切割調(diào)質(zhì)處理,促進(jìn)玉米秸稈破節(jié)、裂皮,并且加速秸稈的水分蒸發(fā),改變玉米秸稈的物理狀態(tài),最終實(shí)現(xiàn)玉米秸稈的高密度打捆作業(yè)要求,為玉米秸稈資源化利用提供基礎(chǔ)。玉米秸稈切割調(diào)質(zhì)裝置安裝在玉米摘穗臺(tái)底部,與摘穗臺(tái)共同構(gòu)成玉米收獲雙層平臺(tái)。

3.1 玉米秸稈切割調(diào)質(zhì)臺(tái)數(shù)字樣機(jī)

玉米秸稈切割調(diào)質(zhì)臺(tái)主要包括切割裝置、輸送裝置、機(jī)架和調(diào)質(zhì)裝置4個(gè)部分。首先在SolidWorks中建立系統(tǒng)模型,對(duì)各個(gè)關(guān)鍵部件進(jìn)行裝配,設(shè)置好不同部件之間的配合關(guān)系。

3.2 玉米秸稈切割調(diào)質(zhì)臺(tái)數(shù)字樣機(jī)導(dǎo)入仿真平臺(tái)

本研究選取Recurdyn V7R1作為仿真平臺(tái)。首先將3.1實(shí)體模型在SolidWorks裝配格式轉(zhuǎn)換成Recurdyn可以處理的文件格式,借助中間文件導(dǎo)入,如Parasolid。為了減少運(yùn)動(dòng)分析量,在不影響模型性能的前提下,去掉軸頭、軸套、加強(qiáng)板等輔助零件,簡(jiǎn)化后導(dǎo)入Recurdyn環(huán)境。

3.3 玉米秸稈切割調(diào)質(zhì)臺(tái)數(shù)字樣機(jī)運(yùn)動(dòng)仿真研究

數(shù)字樣機(jī)定義結(jié)束后,進(jìn)行空載運(yùn)動(dòng)仿真分析,測(cè)試相關(guān)運(yùn)動(dòng)參數(shù),點(diǎn)擊動(dòng)態(tài)仿真(下拉菜單Analysis中的Dynamic/Kinematic按鈕),彈出設(shè)置窗口,設(shè)置End time為0.5 s,Step為50,最后點(diǎn)擊Simulate按鈕開(kāi)始計(jì)算,錄制相關(guān)運(yùn)動(dòng)動(dòng)畫(huà)后進(jìn)行分析,并通過(guò)繪圖按鈕(下拉菜單Post里的Plot按鈕)繪制關(guān)鍵部件的位移曲線(xiàn)、速度曲線(xiàn)、加速度曲線(xiàn)等。

4 虛擬樣機(jī)技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)中的發(fā)展趨勢(shì)

虛擬樣機(jī)技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用發(fā)展趨勢(shì)主要圍繞以下幾個(gè)方面開(kāi)展:

1)模擬仿真技術(shù)將更加成熟。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和仿真技術(shù)的不斷發(fā)展,模擬仿真技術(shù)將越來(lái)越成熟和精確。這將使虛擬樣機(jī)技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用更加廣泛。

2)多學(xué)科融合。虛擬樣機(jī)技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用將與多學(xué)科融合,例如材料科學(xué)、電子技術(shù)和控制技術(shù)等。這將使機(jī)械設(shè)計(jì)更加全面和高效。

3)可視化技術(shù)將變得更加先進(jìn)。隨著可視化技術(shù)的不斷發(fā)展,虛擬樣機(jī)技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用將變得更加真實(shí)和生動(dòng)。這將使機(jī)械設(shè)計(jì)人員能更好地理解機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)作。

4)智能化設(shè)計(jì)。虛擬樣機(jī)技術(shù)將越來(lái)越智能化,例如采用人工智能技術(shù)對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)。這將使機(jī)械設(shè)計(jì)更加高效和準(zhǔn)確。

5)云計(jì)算技術(shù)的應(yīng)用。隨著云計(jì)算技術(shù)的不斷發(fā)展,虛擬樣機(jī)技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用將更加便捷和高效。設(shè)計(jì)人員可以隨時(shí)隨地訪(fǎng)問(wèn)虛擬樣機(jī),并進(jìn)行設(shè)計(jì)和仿真分析。

5 結(jié)論

本研究系統(tǒng)論述了虛擬樣機(jī)技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用,主要得到以下結(jié)論。

1)ADAMS是機(jī)械設(shè)計(jì)中重要的計(jì)算機(jī)模擬仿真軟件,可以通過(guò)對(duì)機(jī)械產(chǎn)品的運(yùn)動(dòng)性能和各項(xiàng)功能進(jìn)行仿真分析,為機(jī)械產(chǎn)品的優(yōu)化提供多種設(shè)計(jì)方案,并且具有強(qiáng)大的運(yùn)算功能與分析庫(kù)。

2)以谷物聯(lián)合收獲機(jī)切割機(jī)構(gòu)和玉米秸稈切割調(diào)質(zhì)剛?cè)峤佑|仿真進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析、建模與仿真,系統(tǒng)論述相關(guān)工作步驟與過(guò)程。