丁 旺,丁武學(xué),馮丙波
DING Wang, DING Wu-xue, FENG Bing-bo
(南京理工大學(xué) 機械工程學(xué)院,南京 210094)
曲柄滑塊機構(gòu)是機械中應(yīng)用非常廣泛的一種機構(gòu)。機械壓力機就是通過傳動系統(tǒng)曲柄滑塊機構(gòu)將電機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)榛瑝K的往復(fù)直線運動,從而得到壓力機的工作曲線。因此壓力機傳動系統(tǒng)的機構(gòu)及主要構(gòu)件的受力情況直接影響著壓力機工作性能的好壞,這也是壓力機設(shè)計的難點[1]。虛擬樣機技術(shù)通過虛擬實驗和測試,在計算機上仿真分析復(fù)雜機械系統(tǒng)的運動學(xué)和動力學(xué)性能,大大縮短了傳統(tǒng)設(shè)計開發(fā)所需的時間和成本,實現(xiàn)高效開發(fā)。
壓力機主傳動系統(tǒng)為曲柄滑塊機構(gòu)。其運動關(guān)系計算圖可簡化為圖1所示。圖中R為曲柄長度,L為連桿長度,α為曲柄轉(zhuǎn)角,ω為曲柄角速度。由圖1可知,滑塊和曲柄轉(zhuǎn)角之間的關(guān)系可表達為:
據(jù)有關(guān)文獻[2]簡化整理可得,簡單曲柄滑塊機構(gòu)滑塊的位移、速度分別為:
圖1 曲柄滑塊機構(gòu)運動簡圖
代入壓力機傳動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù),可計算出滑塊的位移、速度曲線如圖2所示。
圖2 理論計算滑塊運動規(guī)律曲線
ADAMS(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical System)是基于虛擬樣機技術(shù)和多體動力學(xué)理論的機械系統(tǒng)仿真分析軟件,是世界上應(yīng)用最廣泛且最具權(quán)威性的機械系統(tǒng)動力學(xué)仿真分析軟件[3]。利用ADAMS軟件能夠建立和測試虛擬樣機,實現(xiàn)在計算機上仿真分析復(fù)雜機械系統(tǒng)的運動學(xué)和動力學(xué)性能。但ADAMS軟件的實體建模能力較差,對于簡單的幾何模型可以直接建模,而對于較復(fù)雜的模型常用三維建模軟件SolidWorks來完成。在建立幾何模型時,一定要保證幾何形體的質(zhì)量、質(zhì)心位置、慣性矩和慣性積與實際構(gòu)建相同,以保證運動學(xué)模型正確,而幾何形體的細節(jié)部分同實際構(gòu)件是否完全一致并不重要[4]。
壓力機主傳動系統(tǒng)模型主要零件有:主從動齒輪、曲軸、連桿和滑塊,其基本參數(shù)為:滑塊行程300mm,工作行程10mm,公稱壓力500t,行程次數(shù)為25次/分鐘。將其分別在SolidWorks中建模裝配后導(dǎo)入ADAMS中,并對模型添加質(zhì)量特性參數(shù)和各構(gòu)件間的約束,其中主從動齒輪之間加齒輪副,連桿曲柄之間加鉸接副,連桿滑塊之間加球形副,滑塊和地面之間加移動副,最后施加驅(qū)動。從而完成了多剛體虛擬樣機系統(tǒng)的建模,如圖3所示。
圖3 多剛體虛擬樣機模型
多剛體系統(tǒng)忽略了系統(tǒng)中零件的彈性變形,而在工程實際中,這些變形是存在的,而且彈性變形將影響系統(tǒng)的輸出響應(yīng),帶來一定的運動誤差。隨著現(xiàn)在對系統(tǒng)運行精度的要求越來越高,大量的問題需確定大范圍運動與變形之間的影響[5],因此,用剛?cè)狁詈夏P瓦M行仿真分析是非常必要的。ADAMS中的柔性體是用離散化的若干個單元的有限個結(jié)點自由度來表示物體的無限多個自由度的,這些單元結(jié)點的彈性變形可以近似地用少量模態(tài)的線性組合來表示[6]。建立剛?cè)狁詈夏P偷牧鞒倘鐖D4所示。
圖4 剛?cè)狁詈蠘訖C建立的流程圖
壓力機的主傳動系統(tǒng)中,滑塊的尺寸和質(zhì)量都比較大,剛性也較大,可以看成剛體,而連桿比較長,柔度大,且在運動分析過程中,其運動狀態(tài)及受力情況都比較復(fù)雜,則將其看成彈性體研究。通過在ANSYS中對連桿模型進行有限元分析,得到模態(tài)中性文件,然后導(dǎo)入ADAMS,建立連桿的柔體模型,替換原剛體模型。圖5為剛?cè)狁詈咸摂M樣機模型。
圖5 剛?cè)狁詈咸摂M樣機模型
在曲軸轉(zhuǎn)速一定的情況下,分別對壓力機的多剛體模型和剛?cè)狁詈夏P瓦M行仿真。圖6、7為兩種模型滑塊的運動規(guī)律曲線。
從圖6中滑塊位移、速度曲線可知,滑塊的位移為300mm,速度幅值為395.8235 mm/s,其與曲柄滑塊機構(gòu)理論運動分析計算所得的結(jié)果圖1相吻合,這也就說明了建立的多剛體虛擬樣機模型是準(zhǔn)確的。通過放大器觀察,圖7中滑塊的位移是300.2329mm,比理論位移大0.2329mm;滑塊的速度幅值為395.943mm/s,比多剛體模型中滑塊的速度幅值大0.1177mm/s,變化幅度為0.0297%。根據(jù)兩種模型仿真結(jié)果的對比,兩者存在一定的差值,但兩者相差不是很大,說明將連桿考慮成彈性體后,其彈性變形對運動是有影響的,更能反映機構(gòu)的真實運動。而影響較小是因為壓力機連桿的截面積相對較大,剛度比較大;而且曲軸轉(zhuǎn)速不高,不平衡慣性力的影響較小,所以導(dǎo)致了兩種仿真模型所得的結(jié)果之間相差不是很大。
圖6 多剛體模型滑塊運動規(guī)律曲線
圖7 剛?cè)狁詈夏P突瑝K運動規(guī)律曲線
通過對剛?cè)狁詈夏P偷姆抡?,不僅可以很方便的考慮柔性體部件對機械系統(tǒng)運動的影響,而且可以得到連桿在任意時刻的應(yīng)力分布狀況,從而提高分析精度。文中傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中,有兩個連桿,而這兩個連桿的受力及運動情況是相同的,因此只需選用其中任一個分析,得到連桿在任意時刻的應(yīng)力變化情況。此處選的是1.2s時,其應(yīng)力分布如圖8所示。
圖8 連桿應(yīng)力云圖
圖9 節(jié)點1522應(yīng)力變化曲線
由連桿應(yīng)力云圖可知,在所選時刻,連桿應(yīng)力最大處在小端的圓柱處。為了更詳細的了解此處應(yīng)力隨時間的變化情況,可選若干節(jié)點,得到節(jié)點應(yīng)力隨時間變化曲線。圖9為危險區(qū)域連桿小端處的節(jié)點1522的應(yīng)力變化曲線,可見當(dāng)滑塊到最底端時應(yīng)力值最大,達到4.5139MPa,遠小于材料許用應(yīng)力,滿足強度要求。
采用三維繪圖軟件SolidWorks、有限元軟件ANSYS和動力學(xué)仿真軟件ADAMS的聯(lián)合仿真的方法對壓力機主傳動系統(tǒng)進行了運動學(xué)分析。在SolidWorks中建立了三維實體模型,并ANSYS中生成了模態(tài)中性文件,最后在ADAMS中對兩種模型分別進行仿真分析,并得到了柔性連桿在任意時刻的應(yīng)力圖。我們可以看到,虛擬樣機技術(shù)簡便、直觀、可靠,從而避免了在機構(gòu)設(shè)計和優(yōu)化時進行繁瑣的分析、計算和推導(dǎo)以及圖解法精度不高的問題,降低了研發(fā)成本,提高了工作效率。
[1]楊冰,范云霄.基于虛擬樣機技術(shù)的壓力機傳動系統(tǒng)有限元分析方法[J].機械制造與自動化,2009,38(3):84-86.
[2]何德譽.曲柄壓力機[M].北京:機械工業(yè)出版社,1987.
[3]武麗梅,耿華.基于ADAMS的曲柄搖桿機構(gòu)的運動精度仿真研究[J].機械設(shè)計與制造,2006(10),9:11.
[4]郗向儒,藺海鷗,黃朝陽.高速壓力機曲柄滑塊機構(gòu)運動的仿真研究[J].重型機械, 2005(3):28-30.
[5]劉錦陽,洪嘉振.柔性體的剛—柔耦合動力學(xué)分析[J].固體力學(xué)學(xué)報,2002,23(2):159-166.
[6]張永德,汪洋濤,王沫楠等.基于ANSYS與ADAMS的柔性體聯(lián)合仿真[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報,2008,20(17):4501-4504.
[7]陳文華,賀青川,張旦聞.ADAMS2007機構(gòu)設(shè)計與分析范例[M].北京:機械工業(yè)出版社,2009.