adams在弹丸抛头装置中的仿真分析

adams在弹丸抛头装置中的仿真分析

抛头装置是抛丸机的核心部件。抛射弹的速度、形状、轨迹和发射区域直接影响着清洁机构的清洁效果和清洁效率。其中，节省速度对压力效果的影响十分重要。影响弹丸速度的因素有很多:抛丸轮的转速,叶片的长度,重力,空气阻力,弹丸与叶片之间的摩擦。现有资料中,都是仅仅在数学计算方法上对这些因素进行了理论计算,而在虚拟样机广泛应用的今天,单一的理论计算已经不能够满足现今的研究方式。本文主要针对其他因素一定的条件下,运用ADAMS软件对上述诸因素对弹丸速度的影响进行了研究。1抛丸轮的ms分析使用功能强大的三维造型软件CATIA建模,将模型导入到模型ADAMS中,如图1所示。因为抛丸轮为中心对称结构,因此所建模型只创建了2个叶片,并将弹丸放于如图2所示的位置。由于主要是仿真弹丸的运动轨迹,而不是抛头装置,所以可以采用图2经过简化了的抛头装置。2加拉格朗日方程ADAMS软件采用世界上广泛流行的多刚体系统动力学理论中的拉格朗日方程法,建立系统的动力学方程。它选取系统内每个刚体质心在惯性参考系中的3个直角坐标和确定刚体方位的3个欧拉角作为笛卡尔坐标系的原点,用带乘子的拉格朗日方程处理具有多于坐标的完整约束或非完整约束系统,导出以笛卡尔广义坐标作为变量的动力学方程和约束方程[1、2]:式中:L——拉格朗日函数;T——系统的动能;V——系统势能;λ——拉格朗日乘子;r——力的施加点;F——外力;q——广义坐标;φ——约束方程;x,y,z——笛卡尔坐标系;ψ,θ,φ——欧拉角。3抛丸头的程序弹丸在分丸轮中随着分丸轮的高速运转也在以一定的速度运动着,在进入定向套之后被进一步加速,之后弹丸从定向套窗口飞出,继而被叶片承接,被叶片进行最后的加速。在弹丸没有进入叶片之前,弹丸已经具有了一定的速度,但是相对于从叶片脱离的速度而言,它的速度是微乎其微的。因此可以视弹丸刚开始被叶片承接的速度为零。最终把模型简化为初速度为零的弹丸在叶片根部被高速旋转的叶片承接,弹丸的和速度即随叶片一起所作的圆周运动及沿着叶片径向方向的相对运动。表1为抛丸头的基本参数。其他参数如下:叶轮圆盘外径r=315mm叶轮的曲率半径ρ=168mm弹丸的直径为1mm弹丸选取钢丸抛丸轮中心距离被清理表面距离为488mm选取仿真时间为t=0.01s4adams的三维特性对抛丸轮的动力学仿真模型建模后,对模型施加上外加约束,即可正式对模型进行动力学仿真。仿真描述了弹丸从分丸轮内直至被叶片抛出抛打到被清理表面。仿真分为50步进行。外加约束主要有以下几种:(1)叶轮与大地之间的固定约束;(2)弹丸与分丸轮之间的碰撞;(3)弹丸与定向套之间的碰撞;(4)弹丸与叶片之间的相互碰撞;(5)叶轮转速;(6)弹丸与大气之间的空气阻力。在ADAMS中,建立空间的三维力,使用下列参数描述空气阻力在全局坐标系X轴、Y轴和Z轴的分力:FWX=21·ρ·VX·VM·Cd·A,其中各参数意义如下:ρ——空气密度,其值为1.29kg/m3;VX——弹丸速度在全局坐标系X轴方向的分速度;VY——弹丸速度在全局坐标系Y轴方向的分速度;VM——弹丸速度的合量;Cd——空气阻力系数,对于球体,其大小为0.45;A——弹丸表面的二维面积。5叶片加速度的影响抛丸器叶轮简图如图3,叶轮按角速度ω转动。弹丸沿着叶片运动的方程式是:mar=F-mae-mak式中:m——弹丸质量;F——作用在弹丸上的力;ar——相对加速度,ar=d2r/dt2;ae——牵连加速度,ae=-ω2r;ak——哥氏加速度,ak=2ωvτ,vτ是相对速度。显然,绝对加速度a=aτ+ae+ak。如设一固定在叶片上的可动坐标,则上式可写成在此坐标上投影微分方程式:m(d2x/dt2)=X+mω2x-2mω(dy/dt)m(d2y/dt2)=Y+mω2y-2mω(dy/dt)式中:X、Y——分别作用在弹丸上的合力在可动坐标x、y轴上投影;t——时间。不考虑摩擦力,弹丸抛射的绝对速度为:式中:R——叶轮外径;rO——叶轮内径。考虑摩擦力的影响,径向叶片上弹丸运动的微分方程式为:m(d2r/dt2)=-T+mω2r0=N-2mω(dr/dt)式中:T——摩擦力,T=Nf。考虑摩擦力影响的绝对抛出速度:(1)式与(2)式相比,可见弹丸的速度降低为原来的1/姨1+f倍。6模拟结果6.1空气阻力仿真结果(1)式是在只考虑弹丸与各接触物之间的摩擦,不考虑弹丸与大气之间的空气阻力的情况下所得出的结论。事实上,弹丸的运动要受到空气阻力的影响,尤其是当弹丸与被清理表面的距离较远时,这个阻力更是不能忽略。本节通过施加弹丸与大气之间的三维力,并忽略弹丸自身的重力的影响,来研究空气阻力对弹丸的速度的影响。图4为没有空气阻力情况下弹丸的速度变化图,图5为考虑空气阻力的情况下弹丸的速度变化图。图6为空气阻力的大小随时间变化图。图4中,OA段表示弹丸由进丸管到与分丸轮内壁相碰这一过程,AB段表示弹丸第一次与分丸轮内壁碰撞连续越过了数个窗口开始进入定向套,BC段表示弹丸在定向套内被急剧加速,并在C点被叶片的根部承接,CD段表示弹丸被叶片承接被逐步加速的过程。因为没有考虑空气阻力,所以从弹丸脱离叶片至抛打到被清理表面,弹丸的速度并没有降低,反而由于弹丸的自重作用而略有升高。对应图中的DE段。由图5可见,在考虑空气阻力的情况下,弹丸脱离叶片后弹丸的速度在逐渐降低,但是降低的幅度不是很大。仿真结果显示,弹丸的速度由74.154m/s下降至71.365m/s,下降了2.789m/s。速度降低了2.789/74.8=3.7%。图6中,空气阻力的大小与图5弹丸速度的大小的变化规律大致相同,这与空气阻力与速度的平方成正比是相吻合的。仿真结果显示,空气阻力的最大值为0.014N,而理论计算,空气阻力的最大值为FW=1/2×ρ×VM×VM×Cd×A=1/2×1.3e-9×7.48×74.8×0.45×3.1415926×0.5×0.5=0.013N。这与理论计算的结果相差了7%,在误差许可范围内,因此可以认为该仿真是成功的。可见,在一定的距离内,空气阻力对弹丸的速度影响很小,所以在后续的分析中,为了更便于讨论说明其他因素的影响,将不再考虑空气阻力的影响。6.2摩擦阻力对从其运动情况的影响图7为没有摩擦阻力与有摩擦阻力情况下弹丸的速度变化对比图。图7a)图表示全面考虑了弹丸与分丸轮、定向套、叶片之间的摩擦阻力的情况下,弹丸的速度的变化对比图。虚线表示不考虑摩擦阻力,实线表示考虑摩擦阻力。由图7b)可以看出,由于弹丸与分丸轮之间的摩擦阻力的存在,不但弹丸的速度发生了变化,弹丸的运动轨迹也发生了变化。在考虑摩擦阻力的情况下,弹丸在分丸轮内的碰撞次数增多,经过反复几次碰撞并越过数个窗口之后,才进入定向套,因此在分丸轮内的运动时间也加长了。经过对比可见由于摩擦阻力的存在,弹丸抛出的最终速度有一定的损失。需要注意的是,并不是所有的弹丸在考虑摩擦阻力的情况下,在分丸轮内的运动时间都要增加,有的可能会由于摩擦阻力的存在碰撞一次即可进入定向套,从而缩短在分丸轮内的运动时间,总之,这个跟很多因素有关,目前可以把这个过程看成是一种随机的动作。该图虽然能够表示摩擦阻力对弹丸的速度的影响,但是并不直观。因此又对下面的情况做了仿真。图7b)表示不考虑弹丸与分丸轮、定向套的摩擦但是考虑其与叶片的摩擦的情况下速度的变化图,表示虚线仅仅考虑弹丸与叶片之间的摩擦,实线表示不考虑任何摩擦的影响。由图7b)可见,在OA段两条曲线是重合的,在AB段,虚线由于弹丸与叶片之间的摩擦阻力的存在,速度要比没有考虑摩擦阻力的低一些。由图7也可以看出,弹丸与分丸轮以及定向套的摩擦对弹丸的最终速度的影响十分微小,甚至可以忽略,因此,后面的分析中为了更加直观说明摩擦阻力对弹丸速度的影响,只考虑弹丸与叶片之间的摩擦阻力。图8为没有摩擦阻力与有摩擦阻力情况下空气阻力大小变化对比图。与图7相似,图8中虚线表示不考虑摩擦阻力,实线表示考虑弹丸与叶片之间的摩擦阻力。如图8所示,弹丸被叶片承接之前,两条曲线也是重合的,图OA段;在被叶片承接后,由于阻力存在而速度降低,图AB段;在弹丸脱离叶片之后,由于弹丸自身重力的存在,速度又都有所增加,因为阻力与速度的平方成正比,所以阻力增加的趋势要比速度增加的趋势更加明显,对应图中BC段。7空气阻力的影响通过分析可以看到,对于本试验条件下,仿真时间为t=0.01s,空气阻力Fw的值最大为0.014N(图6),重力值为G=mg=ρV=7.6×103×(4/3πR3)=3.979×10-6N,重力仅仅是空气阻力的0.0284%,可见重力的影响微乎其微。因此在今后对弹丸进行速度分析中,可以忽略弹丸的重力的影响;其次,仿真结果也表明,弹丸与分丸轮以及定向套的摩擦对弹丸的最终速度的影响十分微小,甚至可以忽略,这是因为,考虑摩擦力影响的绝对抛出速度弹丸的速度降低仅仅降低为原来的另外,弹丸在没有脱离叶片之前,空气阻力对弹丸速度的影响是很小的,只有当弹丸脱离叶片之后,空气阻力的影响才逐渐显露得明显一些。在一定距离内,空气阻力对弹丸的速度不会产生很大的衰减,清理效果仍能够满足一般要求。但是在距离继续增大,即仿真时间继续加长的情况下,弹丸的速度必然会继续衰减,这就是为什么抛丸头与被抛打表面距离不能过远的原因,但是抛丸头与被抛打表面的距离也不能过近,否则会导致弹丸的抛出流束与反射流束相互干涉,降低抛打效果与抛打