基于ADAMS的凸轮机构弹性动力学分析 - 万朝燕 - 图文-

1、第31卷第1期2010年2月大连交通大学学报J O U R N A L O FD A L I A NJ I A O T O N GU N I V E R S I T Y V o l .31N o .1F e b .2010文章编号:1673-9590(201001-0045-04基于A D A M S 的凸轮机构弹性动力学分析万朝燕1,李培行2,庄绪红1(1.大连交通大学机械工程学院,辽宁大连116028;2.青岛四方车辆研究所有限公司研究试验部,山东青岛266031摘要:提出了一种考虑弹性构件动力学性能对高速凸轮机构运动规律影响的分析方法.基于A D A M S 软件建立了凸轮机构弹性动力学

2、模型,分析机构的运动规律;应用A D A M S /F l e x 模块,结合I -D E A S 软件,采用修正的C r a i g -B a m p t o n 方法,生成推杆的模态中性文件,建立了凸轮机构刚柔耦合模型;应用上述模型,完成了推杆刚度取不同值时,高速凸轮机构的动力学特性分析及比较,得出相应的从动件运动规律曲线.为弹性凸轮机构的设计提供了依据.关键词:A D A M S ;弹性动力学;凸轮机构;模态;刚柔耦合中图分类号:T H 112.2;T H 112.5;T H 113文献标识码:A0引言现代机械系统朝着高速、重载、高精度方向发 展,机构的动态性能越来越受到人们的关注和重视

3、.系统刚性运动与其自身变形之间相耦合而产生的弹性动力学问题已成为该领域急需解决的普遍问题和关键技术1.因此,在高速凸轮机构的设计中,考虑动力学因素,考虑构件的弹性变形对从动件运动规律的影响就显得尤为重要.1凸轮机构数学模型以推杆从动件盘形凸轮机构为例,建立数学模型:凸轮基圆半径r 0=30m m ,从动件行程h =30m m ,推程运动角为0=150°,远休止角s =60°,回程运动角0=120°,近休止角为s =30°从动件推程、回程分别采用余弦加速度和正弦加速度运动规律.从动件推程运动方程:s=15(1-c o s 65,(05/6;远休程运动方程:

4、s =h ,5/67/6;回程运动方程:s =30×2.75-32+12s i n (3-3.5,(7/611/6;近休程运动方程:s =0,11/62.图1凸轮机构弹性动力学模型由于凸轮及机架等的刚度一般远比推杆系统大,故除推杆外,其他构件视为刚体,即把推杆视为质量为m 的质点和刚度为k 的无质量的弹簧的组合体,设采用弹簧力封闭的方法使凸轮与推杆保持接触,其弹性动力学模型如图1所示.运动微分方程为:my ··=k (s -y -k 1y -c 1y·-F (1 *收稿日期:2009-06-13基金项目:国家863高科技计划资助项目(2006A A 04

5、E 160作者简介:万朝燕(1955-,女,教授,博士,主要从事机械C A D /C A M 的研究E -ma i l :w c y d j t u .e d u .c n .46大连交通大学学报第31卷式中,k 1为封闭弹簧刚度系数,c 1为系统阻尼,s 为凸轮廓线所产生的推杆理论运动位移,y 为推杆实际运动位移,F 为外载荷、摩擦力、弹簧预紧力等阻力.所以,考虑推杆弹性后s y 2,本文借助A D A M S 软件建立模型分析这种差别.2凸轮机构A D A MS 简化模型分析凸轮建模在A D A M S 中完成,通过软件中R e -v i v e 下拉菜单中的C r e a t e T r

6、 a c e S p l i n e 命令,结合样条曲线(S p l i n e 命令实现3,推杆取直径10m m ,长度200m m ,则其刚度为:k =E A l =2.1×1011··0.00520.2=8.2467×107(N /m (2取k 1=1.5×105(N /m ,c 1按默认值,F=2000N ,在A D A M S 中建立图1所示模型,推杆与凸轮之间定义接触,令凸轮速度等于1r /s ,仿真1s 得推杆运动规律如图2所示.由图2可以看出各曲线符合各段凸轮廓线对应的运动规律.图2推杆运动规律曲线(l =200m m为分析凸轮

7、机构在高速情况下,推杆弹性对机构的影响,运行A D A M S /L i n e a r 模块,得图1所示模型模态频率为f =4044H z ,则圆频率为n =4044×2=25409(r a d /s ,取凸轮角速度为n /8,得推杆运动规律如图3所示. 图3角速度为n /8时推杆运动规律曲线(l =200mm 由此可以看出,推杆运动规律曲线已经严重偏离了理论曲线.故对于高速凸轮的设计,必须考虑构件弹性对从动件运动规律的影响,即考虑动力学因素的影响.由于模型做了一定的简化,故此建模方法只能对凸轮机构的运动规律做出定性分析.3凸轮机构刚柔耦合模型动力学分析为更好地模拟仿真凸轮机构的真

8、实运动规律,现应用有限元软件I -D E A S 将推杆生成模态中性文件,导入A D A M S 中进行仿真.由于推杆与凸轮之间为碰撞接触,至今从理论上还无法准确推导出动态系统的碰撞参数,目前A D A M S 中碰撞模型在刚度及阻尼系数等碰撞参数的选择上,大多采用试验方法4.本文尝试通过调试选取参数,这样做并不影响定性分析结果.若需更准确地进行虚拟仿真,需结合试验数据调整模型参数.A D A M S 软件根据机械系统模型,自动建立系统的拉格朗日运动方程:d d t K q ·j- Kq j +ni =1 i q j i =F j (3式中,K 为动能;q 为系统的广义坐标q =x

9、y z p jT=R P T,P 为模态振型向量,对应于柔性体,刚体没有P 项;i 为系统的约束方程,i =0,(i =1,2,m ;F j 为在广义坐标方向的广义力;i 为拉格朗日乘子.用拉格朗日方程表示的动力学方程的矩阵形式:Mq ··+Cq ·+Kq =F T (4式中,K 为柔性体的刚度阵;C 为柔性体的阻尼阵;M 为柔性体的质量矩阵5.在I -D E A S 中采用C r a i g -B a m p t o n 方法生成柔性超单元,超单元的内部变位为静态约束振型与动态约束振型的线性组合,这样既考虑了惯性力的影响又可避免进行有可能产生奇异的矩阵逆变换,它

10、的广义刚度阵和质量阵与频率无关,且只需凝聚一次,所以,误差小,计算效率高.其中,连接自由度是指超单元结构与其他结构相联或是施加载荷位置的自由度;静态约束模态是指当一个连接自由度被施加单位位移而其他联结自由度保持固定时的位移矢量,对于每个连接自由度都存在一个不同的约束模态;动态约束模态是指当所有的连接自由度保持固定时超单元结构的固有图4推杆第七阶模态(l =200mm 第1期万朝燕,等:基于A D A M S的凸轮机构弹性动力学分析47模态5.如图4所示为推杆第七阶模态,模态频率为1137H z,前六阶为刚体模态导入A D A M S中将自动舍去.推杆柔性体通过A D A M S软件的A D A

11、 M S/F l e x模块导入I-D E A S生成的模态中性文件,导入后可通过检查质量,惯性矩及导入前后对应的模态是否相等判断是否导入正确,导入后在A D-A M S中建立两个哑实体,分别与柔性推杆两端外接节点通过固定副相连,推杆上运动副施加到哑模块,得图5右模型,模态频率如附表所示.由附表知,前两阶模态为刚体模态,第三阶模态为最易受激励而产生不稳定的模态,当凸轮转动频率接近1085时,将会引起共振,因此凸轮机构应避开此频率,现仍取凸轮角速度为n/8,仿真时间取8/4044s,得推杆顶端运动规律如图6所示.可以看出推杆已与凸轮脱离,这不符合实际要求,说明此角速度下推杆刚度不够,需增加推杆刚

12、度或通过增加预紧弹簧预紧力改进.图5刚柔耦合模型(l=200m m附表推杆刚度不同时刚柔耦合模型模态频率比较频率阶数频率值方案1:l=200m mk=8.2467×107(N/m方案2:l=100m mk=16.4934×107(N/m100 200 310854516 410854527 525629365 625629628 735729779 835721333 946961555 104783114783126998图6角速度为n/8时刚柔耦合模型仿真曲线(l=200m m现将推杆长度改为100m m,则其刚度为: k=E Al=2.1×1011·

13、;·0.00520.1=16.4934×107(N/m(5在I-D E A S中求得推杆第七阶频率为f=4576H z.同上述方法在A D A M S中建立刚柔耦合模型求得模态频率如附表所示,图7为凸轮机构第三阶模态图,模态频率由1087H z提高到4516H z,则对应的凸轮机构的极限角速度可大幅提高,现仍取凸轮角速度为n/8,仿真时间取8/4044s,得推杆顶端运动规律如图8所示,可见图8与图2仿真结果一致,符合要求.图7刚柔耦合模型3阶模态示意图(l=100mm 图8推杆刚柔耦合模型仿真曲线(l=100m m4结语通过A D A M S软件并结合有限元软件,分析凸轮机

14、构在高速运转时推杆弹性的影响,说明柔性体将会对整个系统的运动特性产生重要影响,在高速凸轮机构的设计中,必须考虑此问题.基于软件本身所采用的数学模型及算法原理,上述研究只是对物理模型的数值反映.另外,48大连交通大学学报第31卷对数学模型参数的选取如能通过实验确定,将会更加接近实际.因此,采用软件与实验相结合,建立更加合理的仿真模型,是获得准确的分析结果的重要保证.参考文献:1吴庆鸣,梅华锋,张志强.基于A D A M S的连杆机构多体动力学仿真研究J.工程设计学报,2005,12(6: 344-347.2孙恒,陈作模,葛文杰.机械原理(第7版M.北京:高等教育出版社,2006:169-173.

15、3徐芳,周志刚.基于A D A M S的凸轮机构设计及运动仿真分析J.机械设计与制造,2007(9:78-80.4刘一鸣.某自动机械动力学仿真分析D.南京:南京理工大学,2007:10-11.5谢素明,岳凌汉,高阳,等.基于刚-柔混合模型300T铁水车动力学仿真J.计算机仿真,2007,24(1: 270-273.E l a s t o d y n a m i c s A n a l y s i s o f C a m Me c h a n i s m B a s e do n A D A MSW A NC h a o-y a n1,L I P e i-x i n g2,Z H U A N G

16、X u-h o n g1(1.S c h o o l o f M e c h a n i c a l E n g i n e e r i n g,D a l i a n J i a o t o n g U n i v e r s i t y,D a l i a n116028,C h i n a;2.D e p a r t m e n t o f R e s e a r c hL a b o r a t o r y,Q i n g d a o S i f a n g R o l l i n g S t o c k R e s e a r c h I n s t i t u t e C o.,L

17、 t d.,Q i n g d a o266031,C h i n aA b s t r a c t:Aa n a l y s i s m e t h o di s p r o p o s e dc o n s i d e r i n g t h e d y n a m i c e f f e c t o f e l a s t i c c o m p o n e n t f o r h i g hs p e e d c a m m e c h a n i s m.A n e l a s t o d y n a m i c s m o d e l i s c o n s t r u c t e

18、 du s i n g A D A M S,a n d t h e m o t i o nl a wi s a n a l y z e d.T h e r i g i d-f l e x i b l e c o u p l i n g m o d e l o f t h e c a mm e c h a n i s mi s b u i l t u s i n g A D A M S/F l e x b a s e d o n c o r r e c t e d C r a i g-B a m-p t o n m e t h o d a n d I-D E A S g e n e r a t i n g M o d a l N e u t r a l F i l e(M N F.B y c o m p a r i n g t h e c a m m e c h a n i s md y n a m i c s c h a r a c t e r i s t i c s w i t h d i f f e r e n t s t i f f n e s s o f t h e c a m c a r r i e r,t h e c o