基于Pro/ENGINEER的水輪機(jī)振動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)仿真方法

黃 堯，胡友明

（華中科技大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430071）

基于Pro/ENGINEER的水輪機(jī)振動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)仿真方法

黃 堯，胡友明*

（華中科技大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430071）

介紹了采用Pro/EN GIN EER[1]進(jìn)行振動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)仿真的基本方法[2-3]，結(jié)合振動(dòng)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與制造特點(diǎn)，闡述了基于機(jī)械(M echanism)模塊實(shí)現(xiàn)振動(dòng)平臺(tái)工作過程中的關(guān)鍵技術(shù)，給出了具體的操作步驟，實(shí)現(xiàn)了振動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)仿真，最后總結(jié)了該方法的優(yōu)越性。

Pro/EN GIN EER；運(yùn)動(dòng)仿真；振動(dòng)；設(shè)計(jì)

水輪機(jī)模擬振動(dòng)平臺(tái)是進(jìn)行實(shí)物仿真（Hardware-in-the-loop Simulation）的關(guān)鍵設(shè)備[4，5]，在水輪機(jī)的仿真過程中起著極為重要的作用。仿真振動(dòng)平臺(tái)可以模擬水輪機(jī)在空間實(shí)際的運(yùn)動(dòng)情形，運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)特征，采集現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)，從而可以對(duì)水輪機(jī)的性能進(jìn)行反復(fù)測(cè)試，獲得較為重要數(shù)據(jù)。振動(dòng)平臺(tái)性能的優(yōu)劣直接關(guān)系到仿真和測(cè)試實(shí)驗(yàn)的可靠性和置信度，因此，振動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)仿真的研究對(duì)水輪機(jī)運(yùn)行性能的分析具有重要的意義。

虛擬裝配是根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的形狀特征、精度特性，真實(shí)地模擬產(chǎn)品三維裝配過程，并允許用戶以交互方式控制產(chǎn)品的三維裝配，再通過運(yùn)動(dòng)仿真模擬機(jī)器的運(yùn)動(dòng)過程，就可以在產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計(jì)階段發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中存在的問題以及與用戶要求的符合程度，進(jìn)而進(jìn)行方案修改。

在水輪機(jī)的開發(fā)過程中應(yīng)用這種方法可以大大縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期，減少樣機(jī)實(shí)驗(yàn)次數(shù)，迅速地對(duì)市場(chǎng)做出反映，并降低產(chǎn)品的成本，提高企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力。本文在Pro/ENGINEER wildfire2.0 環(huán)境下針對(duì)某動(dòng)態(tài)性能模擬測(cè)試系統(tǒng)的振動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行了三維造型設(shè)計(jì)[6，7]，并完成了振動(dòng)平臺(tái)零部件的裝配過程仿真，同時(shí)對(duì)振動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)學(xué)進(jìn)行了仿真研究。

1 基于Pro/ENGINEER的振動(dòng)平臺(tái)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真基本方法

裝配工藝在振動(dòng)平臺(tái)制造中起著重要的作用，可靠的裝配過程可以對(duì)振動(dòng)平臺(tái)零部件的可裝配性進(jìn)行評(píng)價(jià)，同時(shí)是保證振動(dòng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)預(yù)定精度指標(biāo)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[8]。而振動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析可以校驗(yàn)運(yùn)動(dòng)部件能否實(shí)現(xiàn)預(yù)定的運(yùn)動(dòng)，同時(shí)為實(shí)現(xiàn)振動(dòng)平臺(tái)的可靠性控制奠定基礎(chǔ)。振動(dòng)平臺(tái)的裝配過程仿真和運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真能夠以低成本方式準(zhǔn)確地檢驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，指導(dǎo)設(shè)計(jì)過程，降低設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)，從而達(dá)到縮短周期和節(jié)約成本目的。仿真過程的動(dòng)畫將輸出為視頻文件，可以用作設(shè)計(jì)方案展示、產(chǎn)品推介、裝配及維護(hù)人員的培訓(xùn)等，成為設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)與產(chǎn)品研制下游環(huán)節(jié)的互動(dòng)平臺(tái)；同時(shí)，也有效地避免了頻繁啟動(dòng)物理實(shí)機(jī)，實(shí)現(xiàn)了技術(shù)演示的簡(jiǎn)單方便、低成本和高效率的特點(diǎn)。

機(jī)構(gòu)仿真技術(shù)是通過計(jì)算機(jī)技術(shù)來模擬真實(shí)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)過程，同時(shí)借助系統(tǒng)建模技術(shù)和可視化技術(shù)來實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)仿真。

Pro/ENGINEER是一套由設(shè)計(jì)至生產(chǎn)的機(jī)械自動(dòng)化軟件，是一個(gè)參數(shù)化、基于特征的實(shí)體造型系統(tǒng)并具有單一數(shù)據(jù)庫功能。在Pro/ENGINEER中，運(yùn)動(dòng)仿真的結(jié)果不但可以以動(dòng)畫片的形式表現(xiàn)出來，還可以以參數(shù)的形式輸出，從而能夠獲知零件之間是否干涉和干涉的范圍有多大等，并根據(jù)仿真結(jié)果對(duì)所設(shè)計(jì)的零件進(jìn)行修改，直到不產(chǎn)生干涉為止。在Pro/ENGINEER系統(tǒng)中，使振動(dòng)平臺(tái)組件實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)仿真的方法有3種， 機(jī)械(Mechanism)模塊實(shí)現(xiàn)，Animation功能實(shí)現(xiàn)， Pro/MECHANICA(簡(jiǎn)稱Pro/M)模塊的Motion部分實(shí)現(xiàn)PRO/MECHANICA中的MOTION 模塊，是一個(gè)完整的三維實(shí)體靜力學(xué)，運(yùn)動(dòng)學(xué)，動(dòng)力學(xué)和逆動(dòng)力學(xué)仿真與優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊，是機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析強(qiáng)有力的工具。在Pro/ENGINEER操作界面就可以使用集成的PRO/MECHANICA MOTION 中的函數(shù)。

機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真是在Pro/ ENGINEER wildfire2.0系統(tǒng)的裝配模式中進(jìn)行的，其Mechanism功能專門用來處理裝配件的運(yùn)動(dòng)仿真[9，10]。本文基于機(jī)械(Mechanism)模塊實(shí)現(xiàn)振動(dòng)平臺(tái)工作狀態(tài)的運(yùn)動(dòng)仿真在裝配(Assembly)模式中[11]，Mechanism功能專門用來處理組件間的運(yùn)動(dòng)仿真。該模塊與Pro/E完全集成，不需單獨(dú)安裝，操作簡(jiǎn)便易用，但分析功能不是很強(qiáng)。它可以使用戶通過運(yùn)動(dòng)副/連接的設(shè)定，使振動(dòng)平臺(tái)組件按實(shí)際情況運(yùn)動(dòng)[12]。在Pro/ENGINEER的機(jī)械(Mechanism)模塊中，可進(jìn)行振動(dòng)平臺(tái)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)仿真，并可將其結(jié)果輸入到Pro/MECHANICA中，以便進(jìn)一步進(jìn)行力學(xué)分析，也可將機(jī)械模型帶入到設(shè)計(jì)動(dòng)畫(Animation)中以創(chuàng)建一個(gè)動(dòng)畫序列[13]?？傮w方案設(shè)計(jì)主要是利用已知條件，以及希望達(dá)到的目的或機(jī)械應(yīng)實(shí)現(xiàn)的功能，進(jìn)行機(jī)械的全局設(shè)計(jì)，在頭腦中構(gòu)思形成比較完善的設(shè)計(jì)方案。

2 振動(dòng)平臺(tái)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真設(shè)計(jì)

2.1 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真的設(shè)計(jì)過程

機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真的設(shè)計(jì)過程如圖1所示，主要可分為以下幾個(gè)步驟：

圖1 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真的設(shè)計(jì)流程圖

(1)創(chuàng)建機(jī)構(gòu)

圖2 水輪機(jī)模擬振動(dòng)平臺(tái)裝配圖

首先確定各零件的形狀、結(jié)構(gòu)、尺寸和公差等，并在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行三維實(shí)體造型，然后通過裝配模塊完成各零件的組裝，形成整機(jī)裝配是運(yùn)動(dòng)仿真的前提保障，裝配關(guān)系的正確與否直接影響著運(yùn)動(dòng)仿真的結(jié)果，裝配前首先要確定運(yùn)動(dòng)的各構(gòu)件以及各構(gòu)件之間的運(yùn)動(dòng)副。確定好各構(gòu)件及各構(gòu)件之間的運(yùn)動(dòng)副之后，即可通過選擇構(gòu)件和運(yùn)動(dòng)副組成機(jī)構(gòu)，最后由各機(jī)構(gòu)組成整機(jī)，并為仿真作準(zhǔn)備。在運(yùn)用Pro/ENGINEER wildfire2.0在進(jìn)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和運(yùn)動(dòng)仿真的過程中，機(jī)構(gòu)的創(chuàng)建是一個(gè)很重要的步驟，機(jī)構(gòu)沒有創(chuàng)建好，后續(xù)的運(yùn)動(dòng)方針和模型分析等工作都不能夠進(jìn)行[14]。水輪機(jī)模擬振動(dòng)平臺(tái)裝配圖如圖2所示。

(2)使機(jī)構(gòu)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)

在裝配環(huán)境模式下，打開振動(dòng)平臺(tái)裝配文件，選擇菜單/應(yīng)用程序Mechanism進(jìn)入運(yùn)動(dòng)仿真環(huán)境。設(shè)置運(yùn)動(dòng)環(huán)境是定義機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)所必需的各種條件，比如：運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力源，初始位置和狀態(tài)等。在復(fù)雜的機(jī)械系統(tǒng)中，要定義多重的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)，并要定義不同驅(qū)動(dòng)之間的大小方向等的關(guān)系，還要約束機(jī)構(gòu)的最大和最小運(yùn)動(dòng)極限，使系統(tǒng)能在合理的范圍中運(yùn)動(dòng)。在已建立運(yùn)動(dòng)模型的基礎(chǔ)上，此步驟將賦予模型運(yùn)動(dòng)的屬性。系統(tǒng)將在此定義下完成要求的運(yùn)動(dòng)。Pro/E機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真的主要工作就是完成裝配和定義連接，添加驅(qū)動(dòng)器，運(yùn)動(dòng)仿真和結(jié)果回放。首先，將機(jī)構(gòu)各元件使用三維實(shí)體建模模塊創(chuàng)建后，存放在同一工作目錄中。為了使機(jī)構(gòu)模型能夠運(yùn)動(dòng)起來，進(jìn)入“Mechanism”模塊向模型中添加驅(qū)動(dòng)器。驅(qū)動(dòng)就是機(jī)構(gòu)的動(dòng)力源，伺服電機(jī)能夠?yàn)闄C(jī)構(gòu)提供驅(qū)動(dòng)。通過伺服電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)及平移運(yùn)動(dòng)，并能以函數(shù)的方式定義運(yùn)動(dòng)輪廓，可以使用參數(shù)進(jìn)行控制。振動(dòng)平臺(tái)工作狀態(tài)的運(yùn)動(dòng)仿真主要是振動(dòng)平臺(tái)大軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，故在此對(duì)大軸設(shè)置伺服電機(jī)。

(3)進(jìn)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真

分析運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)是定義要分析的屬性。在 PRO/M中包括裝配分析，速度分析，靜態(tài)分析，運(yùn)動(dòng)分析等多種分析類型[15]。通過對(duì)系統(tǒng)的各種動(dòng)態(tài)分析，可迅速得到相關(guān)的信息，以此設(shè)計(jì)和完善構(gòu)件。設(shè)定分析條件并運(yùn)行完成對(duì)機(jī)構(gòu)的連接和驅(qū)動(dòng)的設(shè)置后，就可以為運(yùn)動(dòng)設(shè)置合適的條件及環(huán)境，隨后進(jìn)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析。

(4)查看和分析仿真結(jié)果，分析研究機(jī)構(gòu)模型

對(duì)機(jī)構(gòu)的分析運(yùn)行完成后，就可以使用回放/測(cè)量等功能進(jìn)一步了解運(yùn)動(dòng)過程。如單擊/結(jié)果回放按鈕，打開/回放對(duì)話框:選取/全局干涉，單擊/播放按鈕，即可觀看振動(dòng)平臺(tái)工作狀態(tài)的運(yùn)動(dòng)仿真結(jié)果.再如單擊/運(yùn)動(dòng)包絡(luò)按鈕，打開/創(chuàng)建運(yùn)動(dòng)包絡(luò)對(duì)話框：設(shè)置運(yùn)動(dòng)級(jí)別值，選取零件，既可預(yù)覽包絡(luò)模型，也可保存包絡(luò)模型。通過“回放結(jié)果”來重新演示機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過程，檢測(cè)干涉、定性分析從動(dòng)運(yùn)動(dòng)特性，保存運(yùn)動(dòng)結(jié)果并創(chuàng)建MPEGJPEG文件等。在整個(gè)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真的過程中，各步驟之間并非獨(dú)立的，而是相互關(guān)聯(lián)和影響的，通過分析仿真的結(jié)果，不斷完善運(yùn)動(dòng)模型、變換運(yùn)動(dòng)的環(huán)境，才會(huì)使最終的設(shè)計(jì)結(jié)果趨向滿意。

2.2 機(jī)構(gòu)連接類型簡(jiǎn)介

2.3 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真的優(yōu)越性

通過機(jī)構(gòu)仿真，可以在進(jìn)行整體設(shè)計(jì)和零件設(shè)計(jì)后，對(duì)各種零件進(jìn)行裝配后模擬機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)，從而檢查機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)是否達(dá)到設(shè)計(jì)的要求，可以檢查機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)中各種運(yùn)動(dòng)構(gòu)件之間是否發(fā)生干涉。同時(shí)，可直接分析各運(yùn)動(dòng)副與構(gòu)件在某一時(shí)刻的位置、運(yùn)動(dòng)量以及各運(yùn)動(dòng)副之間的相互運(yùn)動(dòng)關(guān)系及關(guān)鍵部件的受力情況[16]。從而可以將整機(jī)設(shè)計(jì)中可能存在的問題消除在萌芽狀態(tài)，減少試制樣機(jī)的費(fèi)用，并大大縮短機(jī)械產(chǎn)品的開發(fā)周期。

2.4 幾個(gè)需要注意的問題

(1)運(yùn)動(dòng)模型的質(zhì)量屬性包括密度，體積，重心和慣性矩對(duì)于不需要考慮/力的場(chǎng)合，例如純粹的機(jī)械運(yùn)動(dòng)，可不設(shè)置質(zhì)量屬性。

(2)連接能限制主體的自由度，僅保留所需的自由度，以產(chǎn)生機(jī)構(gòu)所需的運(yùn)動(dòng)類型，連接的建立需要配合/約束去限制主體的某些自由度，而常規(guī)的裝配則限制了元件所有的自由度。在完成連接裝配后，若要移動(dòng)元組件，不能在/元件放置中直接移動(dòng)，而應(yīng)切換到機(jī)械(Mechanism)下，單擊，可實(shí)現(xiàn)拖動(dòng)。

(3)對(duì)運(yùn)動(dòng)組件的連接完成后，可以通過/連接軸設(shè)置功能對(duì)連接作參數(shù)設(shè)定，例如主體的相對(duì)位置/零位置/參照運(yùn)動(dòng)范圍限制等。

2.6 仿真分析結(jié)果

根據(jù)前面的設(shè)計(jì)，我們進(jìn)行了振動(dòng)仿真，主要包括機(jī)構(gòu)的基本運(yùn)動(dòng)仿真和不同工況下面的運(yùn)動(dòng)仿真，由于還沒有和外部測(cè)試和控制系統(tǒng)連接，目前的所有仿真是內(nèi)部自定義的，運(yùn)動(dòng)結(jié)果只能滿足基本的需要，但是已經(jīng)可以考到整體的三維運(yùn)動(dòng)仿真效果，只要和外部系統(tǒng)連接起來就可以實(shí)現(xiàn)整體的協(xié)同仿真效果，是后續(xù)要研究的重點(diǎn)。

3 結(jié)語

從以上實(shí)例可以看出，Pro/ENGINEER提供了完善的仿真功能，使得原來在二維圖紙上難以表達(dá)和設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)變得直觀和易于修改。使用三維實(shí)體建模模塊創(chuàng)建模型后，既可模擬模型的運(yùn)動(dòng)過程，分析機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)軌跡、位移以及干涉等問題，還可以將仿真的結(jié)果輸出，生成MPEG、JPEG等格式的文件，幫助用戶更好的完成機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，并且能夠大大簡(jiǎn)化機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)開發(fā)過程，縮短其開發(fā)周期，減少開發(fā)費(fèi)用，同時(shí)提高了產(chǎn)品質(zhì)量。Pro/ENGINEER運(yùn)動(dòng)分析模塊可以進(jìn)行機(jī)構(gòu)的干涉分析，跟蹤零件的運(yùn)動(dòng)軌跡，分析機(jī)構(gòu)中零件的速度、加速度、作用力、反作用力和力矩等。運(yùn)動(dòng)分析模塊的分析結(jié)果可以修改零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)或者調(diào)整零件的材料。設(shè)計(jì)的更改可以直接反映在裝配主模型的復(fù)制品分析方案中，再重新分析，一旦確定優(yōu)化的設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)更改就可直接反映到裝配主模型中，所以，在振動(dòng)平臺(tái)的產(chǎn)品開發(fā)中，應(yīng)用Pro/ENGINEER運(yùn)動(dòng)分析模塊除了可完成以上所述的仿真功能外，還有更多的功能有待發(fā)掘和利用。

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Study on the Movement Simulation of Vibrating Platform of Water Turbine Using Pro/ENGINEER

HUANG Yao，HU You-ming

(School of Mechanical Science & Engineering, Huazhong University of Science & Technology, Wuhan Hubei 430074, China)

The basic method of simulation of vibrating platform movement using Pro/ENGINEER was introduced in the paper. According to analyzing the design and manufacturing characteristics of vibrating platform, the key technologies of vibrating platform basing on mechanism module were expatiated, and the detailed operation steps were carried out to performed movement simulation of vibrating platform. Finally the superiority of the method was concluded

Pro/ENGINEER; movement simulation; vibration; design

TH139

A

1009－5160(2010)03－0041－04

*通訊作者：胡友明（1965-）男，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向：數(shù)控裝備，智能制造與控制等.

國家自然科學(xué)基金（505750087）.