基于虚拟样机技术的机械设计开发

基于虚拟样机技术的机械设计开发

虚拟抽样技术是指在软件园的开发过程中，将分散的零件设计和分析技术结合起来，在计算机上构建产品的总体模型，并对投入使用后的不同场景进行模拟和分析，以预测产品的整体性能。这是改善设计和提高产品性能的新技术。运用虚拟样机技术,可简化机械产品的设计开发过程,缩短产品开发周期,减少产品开发费用和成本,提高产品质量和产品的系统及性能,获得最优化和创新的设计产品。虚拟样机技术是当前设计制造领域的一项新技术。它利用软件建立机械系统的三维实体模型和力学模型,分析和评估系统性能,从而为物理样机的设计和制造提供依据。1虚拟脚本技术1.1试验与样机试验在传统设计与制造过程中,首先是概念设计和方案论证,然后进行产品设计。在设计完成后,为验证设计,通常要制造样机进行试验,有时这些试验是破坏性的。当通过试验发现缺陷时,又需回头修改设计并用样机试验。只有通过周而复始的设计-试验-设计过程,产品才能达到所需性能。这一过程冗长,尤其是结构复杂的系统,设计周期无法缩短,更不用谈对市场的灵活反应。样机的单机制造增加成本,大多数情况下,制造商为保证产品按时投放市场而中断这一过程,使产品在上市时便有先天不足的毛病。在激烈竞争的市场背景下,基于物理样机上的设计验证过程已严重制约产品质量的提高、成本的降低和对市场的占有。1.2虚拟样机技术虚拟样机技术是从分析解决产品整体性能及相关问题的角度出发,解决传统设计与制造过程弊端的高新技术。在该技术中,工程设计人员可利用CAD系统所提供各零部件的物理信息及几何信息,在计算机上定义零部件间的连接关系并对机械系统进行虚拟装配,从而获得机械系统的虚拟样机。使用系统仿真软件在各种虚拟环境中真实地模拟系统的运动,并对其在各种工况下的运动和受力情况进行仿真分析,观察并试验各组成部件的相互运动情况,它可在计算机上方便的修改设计缺陷,仿真试验不同的设计方案,对整个系统进行改进,直至获得最优化设计方案后,再做出物理样机。虚拟样机技术的应用贯穿整个设计过程,它可以用在概念设计和方案论证中,设计师可将自己的经验与想像结合在计算机内的虚拟样机里,让想像力和创造力充分发挥。当虚拟样机用来代替物理样机验证设计时,不但缩短开发周期,而且设计质量和效率都可得到提高。1.3基于虚拟样机的工程化制造开发模型目前对于虚拟样机的概念还没有一种通用精确的定义,针对不同的研究领域,有不同的定义方法。从机械工程研究领域的角度出发,机械工程师认为虚拟样机是一种针对测试的对象和物理原型进行的一个虚拟制造和仿真过程,基于虚拟样机技术建立的工程化制造开发模型可使设计人员访问一个实际物理模型的所有关于机械、物理、外观和功能特性的有关信息。1.4计算机虚拟样机技术虚拟样机技术源于对多体系统动力学的研究,其核心是机械系统运动学、动力学和控制理论。但它也依赖于成熟的三维计算机图形技术和基于图形的用户界面技术。如今,计算机辅助设计(CAD)技术的强大功能及计算机硬件的突破性发展为虚拟样机技术的发展创造有利条件。目前,虚拟样机技术已成为一项相对独立的产业技术,它改变了传统的设计思想,对制造业产生了深远的影响。1.5adams公司的产品虚拟样机技术在工程中的应用通过界面友好、功能强大、性能稳定的商品化虚拟样机软件实现。目前有20多家公司在这个日益增长的市场上竞争。较有影响力的产品有美国MDI公司的ADAMS,比利时LMS公司的DADS及德国航天局的SIMPACK。其中ADAMS占据市场的51%以上。其它软件还有WorkingMOdel,Folw3D,IDEAS,Phoenics,Pamcrash等。由于机械系统仿真提供的分析技术能够满足真实系统并行工程设计要求,通过建立机械系统的模拟样机,使得在物理样机建造前便可分析出它们的工作性能,因此它日益受到国内外机械领域的重视。2adams软件的设计流程ADAMS(AutomaticDynamicAnalysisofMechanicalSystem)软件是机械系统动力学仿真分析软件,它使用交互式图形环境和零件库、约束库、力库,创建完全参数化的机械系统几何模型,其求解器采用多刚体系统动力学理论中的拉格朗日方程方法,建立系统动力学方程,对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析,输出位移、速度、加速度和反作用力曲线。ADAMS软件的仿真可用于预测机械系统的性能、运动范围、碰撞检测、峰值载荷及计算有限元的输入载荷等。ADAMS软件包括核心模块ADAMS/View和ADAMS/Solver,及其它扩展模块。ADAMS/View的设计流程如图1所示,它主要解决机械复合系统的设计问题,并减少研制时间和降低研制费用,从而提高质量、增加效益和改善产品。其过程包括:①创建模型。首先要创建具有质量、转动惯量的物体(Part),创建完成后,使用ADAMS/View中的约束库创建2个物体之间的约束副(Constraint),这些约束副确定物体之间的连接情况及物体之间如何相对运动。对于复杂的产品,其三维几何模型的建立、产品预装配通常在3D软件(如SolidWorks、Pro/E、UG等)中完成。然后通过格式转换,导入ADAMS/View环境,再通过施加力和力矩,使模型按照设计要求进行运动仿真。②测试和验证模型。在对模型进行仿真的过程中,ADAMS/View会自动计算模型的运动特性,如距离、角度、速度、力信息等。在进行仿真时,可通过测量曲线直观地显示仿真结果。③完善模型和迭代仿真。通过初步仿真分析,确定模型的基本运动后,就可在模型中增加更复杂的因素,以细化、完善模型。④优化设计。ADAMS/View可自动进行多次仿真,每次仿真改变模型的一个或多个设计变量,帮助找到机械系统设计的最优方案。⑤用户化设计。为使ADAMS/View符合设计环境,可定制ADAMS/View的界面,将经常要改动设计参数定制成菜单和便捷对话框,还可使用宏命令执行复杂和重复的工作,提高工作速度。3实例分析3.1开沟机动臂运动学工程实际建设而开发的多功能开沟机三维模型如图2所示,其典型特点是可快速更换多种工装,完成破碎、开沟、回填、压实等多个工序,特别适合于窄深沟槽的土方作业,广泛用于电缆、光缆、煤气管线、喷灌管线等施工作业。在工作过程中,开沟机前部的俯仰油缸实现动臂的上升、下降,配合斗杆油缸可实现铲斗挖掘,铲斗与动臂末端采用通用快速接换装置,可快速更换切割器、破碎器、铲斗等多种工装;而工作臂部分承担着切割、破碎、挖掘等工作,运动范围大、受力情况复杂,有必要对其进行运动学和动力学仿真,得出动臂、斗杆、铲斗的回转角,判断其工作范围是否达到工程需要,及在最恶劣工作条件下各油缸所承受的力,为液压缸的设计提供依据。3.2双转台式连接首先在SolidWorks中建立工作臂的三维模型图,初定动臂液压缸、斗杆液压缸、铲斗液压缸的行程分别为630mm、600mm、500mm。再通过格式转换,导入ADAMS/View环境中,再给各零件添加约束。将机身连接架用固定副连接在大地(ground)上,并给各铰点加上旋转副,动臂液压缸、斗杆液压缸和铲斗液压缸各用一个移动副连接,分别加上移动驱动。得到工作臂的虚拟样机模型如图3(a)所示。(1)启动仿真的仿真设置动臂液压缸的移动驱动速度为630mm/s,斗杆液压缸的移动驱动速度为600mm/s,铲斗液压缸为500mm/s,仿真参数时间设为1s,step=100,启动仿真按钮开始仿真。可以观察动臂,斗杆,破碎器的运动情况。测量动臂与水平方向的夹角angle_dongbi,斗杆旋转副所转过的角度angle_dougan,铲斗旋转副所转过的角度angle_smash,其角度随时间的变化曲线如图3(b)、(c)、(d)所示。从仿真的结果看出动臂所达到的最大上扬角为82.1°,最大下俯角为30°,满足设计要求;斗杆能够达到121.6°的回转,铲斗可达到161°的回转,确保铲斗在挖掘、装土、提升、卸料的一系列工作过程中实现铲斗的翻转。(2)主梁运动轨迹提取为观察运动过程中破碎器顶点的轨迹线,创建顶点的轨迹,方法如下:点击Review菜单,选择AnimationControls选项,在出现的动画控制对话框中,选择Icons选项,设置NoTrace为TraceMarker,选定破碎器顶点的Marker(dingdian),然后选择Play工具。即可看到主梁运动过程中其端点的轨迹。此外,点选ContourPlots可画出顶点所走过的轨迹,画出工作臂在此种运动驱动下的运动轨迹。按F8进入ADAMS/PostProcessor模块可以录制动画。3.3破碎器的处理工艺通过比较工作臂在切割、破碎、挖掘各工况时的受力情况,得出工作臂在破碎工况时,其受力最大,为最恶劣工作环境,破碎时破碎头受到的外部冲击力为22kN。在破碎器顶点上添加SFORCE力来模拟工作时受到的冲击力,其方向为“BodyMoving”并沿着破碎器方向,大小用STEP函数来描述,SFORCE=STEP(time,0.32,0,0.37,22000),表示在0.32s~0.37s过程中,破碎器受到的力由0增加到22kN,再运行一个仿真。测量动臂油缸所受到的力,其受力图如图4所示,观测到各油缸受力急剧增加,其中动臂油缸受力最大,达到25390N。4虚拟样机技术的应用虚拟样机技术是机械工程领域内一门新兴的技术,有广阔的市场发展前景。它面向系统的全生命周期和全系统,使研究、开发研制和使用者之间的联系更为有效,加速新技术向产品转化的开发、研制与使用过程。虚拟样机技术已广泛应用到汽车制造业、工程机械制造业、航天航空业、国防