毕业设计（论文）-基于Adams的夹紧机构仿真分析.doc

河南农业大学本科生毕业设计 题 目 基于Adams的夹紧机构仿真分析 学 院 机电工程学院 专业班级 学生姓名 指导教师撰写日期：2014年 5 月 25 日摘 要ADAMS是虚拟样机分析的应用软件，用户可以运用该软件非常方便地对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析。在本实例中首先设置ADAMS建模环境，选择合适的单位，用工具库中的命令创建模型的各个部分，添加运动副后进行一次0.2秒100步的仿真，确保运动副的正确性，再添加弹簧和驱动力，夹紧机构虚拟模型完成。当夹紧力最大时也是机构处于自锁状态时，因此需要创建角度测量，然后再创建一个角度传感器通过曲线可观察到机构什么时候达到最大夹紧力。接下来创建设计变量使机构模型参数化，对各个关键点进行设计研究，通过对比找出对夹紧力影响最大的几个点，进行优化迭代运算，获取夹紧机构能达到的最大的夹紧力。关键词：Adams；夹紧机构；仿真；优化Analysis and Simulation of the latch based on AdamsAbstractADAMS is the application of virtual prototype analysis software, the user can analyze the kinematics and dynamics of the virtual machine system, very convenient to use the software. In this example we set the ADAMS modeling environment, choice of units, each part of creating model for tool library in command, add motion simulation after a 0.2 second 100 step, ensure the accuracy of kinematic pair, and then add the spring and a driving force, the clamping mechanism virtual model. When the clamping force when the mechanism is in a self-locking state is the largest, therefore need to create angle measurement, and then create an angle sensor through the curve can be observed when what mechanism to achieve maximum clamping force. Next create design variables of the model parameters of the mechanism, a study on the design of each key point, through the comparison of several point out the biggest influence on the clamping force, optimization iteration, to maximize the clamping force of the clamping mechanism can achieve.Key Words：Adams；Latch；simulation；optimization 目 录1 引言41.1夹紧机构的工作原理：52 利用Adams创建虚拟样机52.1启动 ADMAS/View并设置工作环境52.2创建弹簧挂锁样机模型62.2.1添加运动副72.2.2模型运动仿真72.2.3创建三维接触72.2.4创建拉压弹簧83仿真分析93.1测量弹簧力93.2测量角度93.3进行样机仿真104样机模型参数化115样机模型设计研究115.1人工方案研究115.2进行设计研究125.3研究结果分析176样机模型优化设计176.1修改设计变量176.2显示测量图186.3进行优化设计186.4优化结果分析227结语22参考文献23致 谢2421 引言在与休斯顿的人造太空飞船研制中心签订的一份合同中，北美洲Aviation, Inc的EariV.Holman发明的一种挂锁模型,它能够将运输集装箱的两部分夹紧在一起，因此而产生了该挂锁的设计研究问题该挂锁共有12个，在Apollo登月计划中,它们被用来夹紧登月仓和指挥服务仓1。ADAMS/View是一个强大的建模和仿真环境,它可以建模、仿真并优化机械系统模型。ADAMS/View可快速对多个设计变量进行分析直到获得最优化的设计。在ADAMS/View中创建模型的步骤与通常创建物理模型的步骤是相同的。尽管列出的创建模型的步骤似乎是一次创建模型成功,然后再对模型进行测试并优化,但建议在创建整个模型之前先建立并测试模型的小的元件或子系统2。例如,先创建一些小的模型部件,把它们联系在一起,然后运行简单的仿真以测试它们的运动，确保它们运动正确。一旦模型正确,再在其上添加更复杂的模型。刚开始会进展缓慢,但能在开始下一步之前确保每个子系统工作正常，为后续工作作好铺垫。本课题主要利用Adams/View软件对夹紧机构进行模拟仿真，获取夹紧机构能达到的最大夹紧力。1.1夹紧机构的工作原理：夹紧机构的主要功能是将两个物体夹紧在一起。该机构的工作原理是如图1-1在E点处下压操作手柄，下压时，曲柄绕A点顺时计转动，使滑钩上的B点向后运动，此时，连杆上的D点向下运动。当D点处于C 点和F点的连线时，夹紧力达到最大值3。D点应该在C点和F点连线的下方移动，直到操作手柄停在滑钩上部。这样使得夹紧力接近最大值，但只需一个较小的力就可以打开挂锁。根据对挂锁操作过程的描述可知，A和F的相对位置对保证挂锁满足设计要求是非常重要的。因此，在建立和测试模型时，可以通过改变这两点之间的相对位置来研究他们对设计要求的影响4。 图1-1 物理样机图 2 利用Adams创建虚拟样机2.1启动 ADMAS/View并设置工作环境启动ADAMS/View，并在开始对话框中选择创建新模型Create a new model，在Model name文本框中输入lacth1，单击OK按钮。在Setting菜单选择Units命令, 显示单位设置对话框,在Length栏，选择centimeter，并单击OK按钮。在Setting菜单中选择Working Grid,显示工作栅格设置选择合理尺寸进行设置5。 2.2创建弹簧挂锁样机模型在主工具箱中选择点工具，按表2-1所示的坐标分别定义A B C D E F六个点。在几何建模工具库中选择工具枢轴，将厚度和半径设为1CM。用鼠标依次选取POINT_l, POINT.2,及POINT_3三点，创建枢轴。将枢轴名名为Pivot，单击OK。在工具库中选取连杆工具图标用鼠标依次选取Point_3, Point_4两点，创建手柄。将连杆零件名称改为handle。在几何建模工具库中选取刚体extrusion工具，将拉伸深度设为1,并选中Closed选项。按表2-2坐标依次在屏幕上选取各点，单击右键完成滑钩创建。表2-1设计点坐标设计点变量名X坐标Y坐标Z坐标APOINT_1000BPOINT_2330CPOINT_3280DPOINT_4-10220EPOINT_5-1100FPOINT_6-650 在几何建模工具库中选取连杆工具,用鼠标依次选取Point_5, Point_6 两点，创建滑杆。将滑杆零件改为solider。创建一个立方体，作为滑钩的移动的平面，在几何建模工具库中选取box工具，在参数设置区，将构建方式选项由New Part改为 On Ground。依次选取点（-2，1，0），（-18，-1，0），创建约束体。 表2-2滑钩设计坐标点X坐标Y坐标Z坐标153023503-6604-14605-15506-15307-14108-12109-123010-530114202.2.1添加运动副如图1-1所示，夹紧机构在A点通过旋转副将枢轴同大地连接，B点通过旋转副将滑钩与枢轴连接，在C点通过旋转副将手柄与枢轴连接，在D、 F点通过旋转副将滑杆分别同手柄和滑钩连接，在主工具箱的运动副工具库中选择旋转副工具，在参数设置栏中选择1 Location和Normal to Gird,并选取Point_1，连接滑钩和枢轴，在参数设置栏中选择2Bod-1Location和Normal to Gird,然后依次选择枢轴，滑钩及 Point_2点。同理在手柄和枢轴，滑杆和手柄之间添加运动副6。2.2.2模型运动仿真在主工具箱中选择仿真工具，设置End Time=0.2, Steps = 200。单击播放图标，开始仿真分析7。单击复位图标，回到模型初始状态。在File菜单中，选择Save Database As，然后保存文件为Build11。 2.2.3创建三维接触在滑钩与固定架之间需要添加一个三维接触，用于限制滑钩，使其只能在约束体表面上滑动。在主工具箱中，用鼠标右击拉压弹簧工具图标，选择接触工具图标，显示接触工具对话框。在I Solid文本框中单击鼠标右键，选择Contact_solid,选择Pick，选择hook.重复上面的操作，在J Solid文本框中选择ground (BOX.11) 其余参数保持不变，单击OK按钮完成三维接触的创建8。2.2.4创建拉压弹簧弹簧代表滑钩夹住集装箱时的加紧力。弹簧的风度系数为800N/cm，阻尼系数为0.5N.S/cm。在主工具箱中，单击拉压弹簧工具图标， 在参数栏中选中弹簧刚性系数K，输入K=800,选中阻尼系数C，输入C=0.5。用鼠标右键单击点（一14, 1, 0)附近，来选取滑钩的顶点。然后再选取点 (-23, 1, 0),完成弹簧的创建。2.2.5创建手柄力在主工具箱施加力工具库中，选择单作用力工具图标，在Run-time Direction选项中选择Space Fixed，在Construction选项栏中选择Pick Feature 选项。在Characteristic选项栏中选择Constant Force选项，选中Force选项， 并在其文本框中输入80。依次选取手柄,手柄末端标记点（handle.marker_5)(注意： 可通过在Point_4处单击鼠标右键来选择，坐标点（一 18, 14, 0)完成后的模型如图2-3所示 图2-3 虚拟样机图3仿真分析3.1测量弹簧力在弹簧处单击右键，在弹出菜单中选择Spring: Spring_1,再选择 Measure,显示装配测最对话框。在装配测量对话框中，将Characteristic选项设为Force，单击OK按钮显示弹簧测量曲线图。选择仿真工具图标，设置End Time=0.2，Steps=50，单击播放图标，进行一次仿真分析弹簧测量曲线如3-1所示。图3-1 弹簧测量曲线图3.2测量角度测量角度用来反映手柄压下的行程，弹簧挂锁锁紧时，手柄需压过锁紧点位置，从而保证挂锁处于自锁状态。在Build菜单中，将鼠标依次指向Measure和Angle，然后选择New 显示角度测量对话框。在 Measure Name 文本框中输入 over center_angle。在First Marker文本框中，单击鼠标右键，选择Marker，再选择Pick，然后选择Point_5处的任意一个标记点，然后选择Point_3处的任意一个标记点，接下来在Last Marker 栏，单击鼠标右键，选择Marker，再选择Pick，然后选择Point_6处的一个标记点，创建完成。3.2.1创建角度传感器创建一个传感器5，用于检测over center_angle何时达到负值，检测到该情 况，传感器会通知ADAMS/View自动停止仿真过程，在Simulate菜单，选择Sensor,再选择New,显示创建传感器对话框，在对话框中，按图3-2来设置参数，单击OK按钮。图3-2传感器设置图3.3进行样机仿真在主工具箱中选择仿真工具，取结束时间为0.2秒，频数为100步单击播放工具，进行样机仿真，在仿真过程中，由于传感器的作用，在弹簧挂锁锁紧时，ADAMS/View自动停止仿真分析过程，如下图3-3和图3-4为在感器作用下的角度和弹簧的测量曲线图。图3-3 角度测量曲线图图3-4 弹簧测量曲线图4样机模型参数化4.1创建设计变量 为了对样机模型进行细化处理需要创建设计变量，并对设计变量进行设置。用设计变最代替样机模型中设计点的X和Y坐标值，但为了保证机构的封闭性要求，保留手柄端点POINT_4坐标为常数。用鼠标右键单击点POINT_1(0,0,0,)，在弹出式菜单中选择 Point:POINT_l，然后选modify显示设计点表格编辑器，用鼠标单击POINT_1的Loc_X单元格，在表格编辑器输入栏中单击鼠标右键，显示弹出菜单，然后依次选择：Parameterize , Create Design Variable, Real,创建设计变量.Latch.DV.重复上述操作步骤，依次将POINT_1，POINT_ 2，POINT_3, POINT_ 4，POINT_ 5，POINT_6，的Loc_x和Loc_Y，都创建成设计变量，单击Apply按钮。5样机模型设计研究5.1人工方案研究5.1.1数据更新 如果没有显示弹簧力测景曲线图，可以在Build菜单中依次选择Measure和Display,显示测量数据库浏览器，并双击SPRING_1_MEA_1,显示弹簧力测量曲线图。首先进行一次0.2s，100步的仿真分析，将弹簧力测量曲线图更新，仿真分析结束后模型复位；然后，在弹簧力测量曲线图中，用鼠标右击测量数据曲线，在弹出菜单中将鼠标指 向 Curve： Current,然后选择 Save Curve。修改设计变量首先在Build菜单中将鼠标指向Design Variable，然后选择Modify，然后在数据浏览对话框中，用鼠标双击DV_1变量，将 Standard Value文本框中的数值改为1.0,单击OK按钮，完成设计变量的修改。仿真分析进行一次0.2s，100步的仿真后的弹簧力测量曲线如4-1所示。从图中可见，POINT_1取不同的位置时对夹紧力有影响，通过更改POINT_1的位置，可获得更大的夹紧力。图4-1 弹簧力测量曲线5.2进行设计研究进行设计研究，可以迅速知道设计变量的取值范围，也可以观察到设计变量对设计的影响。ADAMS/View提供多种报表，用于方案研究，在Simulate菜单中，选择Design Evaluation，显示参数化分析工具对话框。按图5-1所示进行设置。单击参数化分析工具对话框中的Display按钮，显示仿真设置对话框按图5-1所示进行仿真设置。图5-1 参数化设置图单击Start按钮，进行设计研究。ADAMS/View显示优化图和设计研究报表。图5-2 5种不同的弹簧优化曲线图图5-3 5种不同的角度曲线图图5-4 DV_1取值曲线图图5-5 DV_1研究设计报表重复以上步骤，对每个变量进行分析图5-6 DV_2研究设计报表图5-7 DV_3研究设计报表图5-8 DV_4研究设计报表图5-9 DV_5研究设计报表图5-10 DV_6研究设计报表图5-11 DV_7研究设计报表图5-12 DV_8研究设计报表图5-13 DV_9研究设计报表图5-14 DV_10研究设计报表5.3研究结果分析在其余变量保持恒定的基础上，分别对第一个变量进行研究9。其中，敏感度定义为弹簧力相对变量的斜率。敏感度对决定在最优化设计时应该选择哪些设计变量很有帮助10。通过参数化可以迅速得知哪些设计变量对设计影响最大，由以上可知DV_4，DV_6，DV_8的第三度最大那么这3个变量对该设计的影响最大在后面的优化中将选择这3个设计变量。6样机模型优化设计6.1修改设计变量在Build菜单中，选择Design Variable，再选择Modify，在显示的数库浏览器中双由DV_4，显示设计变最数据对话框。在Value Range by 栏，选择Absolute Min and Max Value，并设置Min.Value=1,Max.Value=6，如图6-1选择Apply确认修改值。图6-1 修改设计变量图在Name栏单击鼠标右键，显示弹出菜单，选择Variable,再选择Browse,显示数据库浏览器，双4 DV_6,设置：Min.Value=6.5,Max.Value= 10,单击Apply。重复以上的操作，设置DV_8取值范围，Min .Value=9,Max,Value=11。单击OK按钮，关闭修改设计变量窗口。6.2显示测量图在Build菜单，选择Measure，再选择Display，在弹出的数据库浏览器中，双击SPRING_MEA_1,显示弹簧力测量图。重复以上操作步骤，在弹出的数据库浏览器中，双击over center_angle, 显示角度测量图。6.3进行优化设计在 Simulate菜单中，选择 Design Evaluation,并选择 Optimization 选项显示参数化分析工具对话框。按图6-2所示进行设置。图6-2参数设置图单击Output，按图6-3进行相关设置图6-3参数设置图单击Start按钮，进行优化设计，优化设计的有关图表如下图。图6-4弹簧力优化曲线图图6-5角度优化曲线图图6-6 弹簧力迭代计算图图6-7 DV8迭代计算曲线图6- DV6迭代计算曲线图6-8 DV4迭代计算曲线图610优化设计报表6.4优化结果分析优化设计报表中，给出了优化分析报告。其中，主要结论如下表6-11所示。从表中可以看出，经过6次迭代运算，ADAMS找到一个最优点，使最大夹紧力由842N提高到878N。表6-11 优化结果SPRING_1_MEA_1DV_4DV_6DV_8初始值-842.223810优化值-878.653.17937.89829.79877结语经过两个多月的努力，基于ADAMS的夹紧机构仿真设计终于完成，在整个设计过程中，出现过很多的难题，但都在老师和同学的帮助下顺利解决了，在不断的学习过程中我体会到： （1） 写论文做毕业设计是一个不断学习的过程，从最初对ADAMS软