基于虛擬樣機的定動瓣成穴機構仿真分析

劉 芳

（菏澤學院機電工程系，山東 菏澤 274000）

虛擬樣機技術就是在建立第一臺物理樣機之前，利用計算機技術建立機械系統(tǒng)的數(shù)學模型，進行仿真分析并從圖形方式顯示該系統(tǒng)在真實工作條件下的各種特性，從而修改并得到最優(yōu)設計方案的技術。在設計工作初期，充分利用計算機虛擬仿真技術，能夠極大地提高對所設計系統(tǒng)的設計方案可能存在問題的預見性，從而使設計工作更科學、合理。虛擬樣機技術在我國農(nóng)業(yè)領域的應用也逐漸受到重視，尤其在農(nóng)業(yè)工程方面，已被當作工程設計及生產(chǎn)的必要手段[1-2]。穴播器是農(nóng)業(yè)機械中精度要求很高、作用機理非常復雜的機械之一。利用計算機建立穴播器的虛擬樣機，并對其工作過程進行仿真可以節(jié)省人力物力，有助于理論研究。本文即利用虛擬樣機技術對定動瓣成穴器進行結構和參數(shù)的設計，以在試驗樣機制作之前對所設計的機構現(xiàn)行進行優(yōu)化。

1 虛擬樣機仿真軟件及仿真步驟

UG (Unigraphics)是集CAD/CAM/CAE于一體的大型軟件設計系統(tǒng)，其主要功能模塊有：計算機輔助設計CAD模塊，包括實體建模、特征建模、自由形狀建模、工程制圖、裝配建模、高級裝配；計算機輔助分析 CAE模塊，包括有限元分析、機構運動分析、注塑模分析；計算機輔助制造模塊，包括 CAM 基礎、后處理、車加工[3-4]。本文中所有三維實體模型的建立和裝配均是在UG計算機輔助設計模塊中完成的。

ADAMS軟件具有強大的動力學求解器，但其實體建模功能相對比較薄弱。所以本文先使用UG軟件對穴播器進行整機實體建模，成功將其變?yōu)橐粋€數(shù)字樣機，再將其轉換并導入到ADAMS環(huán)境中使用。轉換方法是先將UG的數(shù)據(jù)格式轉換成雙方都可以識別的中性文件格式，然后將中性數(shù)據(jù)通過幾何數(shù)據(jù)轉換模塊轉換成ADAMS數(shù)據(jù)格式。

本文對舵輪式穴播器進行仿真和優(yōu)化設計的過程如圖1所示。

圖1 虛擬樣機優(yōu)化分析設計步驟

2 虛擬樣機建立

穴播器三維模型的各個零件均在UG建模模塊中完成，然后在UG裝配模塊中裝配成整機，整機三維實體模型如圖2所示，穴播種器是由輪軸、動盤、定盤、兩瓣式入土成穴器及其開閉系統(tǒng)等組成，其外形似舵輪狀，各入土成穴器均布于舵輪周邊、似舵柄。兩瓣式入土成穴器及其開閉系統(tǒng)主要包括固定在動盤上的定瓣、動瓣，固定安裝在定盤上的開啟部件凸輪、復位部件彈簧、固定部件鉸接螺柱、螺栓等。其結構主要有兩個特點：一是入土成穴器由定瓣和動瓣兩部分組成，故稱其為定動瓣成穴，二是入土成穴器開閉系統(tǒng)采用擺動從動件盤形凸輪結構。

圖2 穴播器三維模型

建立穴播器的三維實體模型是對穴播器進行虛擬仿真的基礎，三維實體模型是二維設計的直觀再現(xiàn)，可以直接檢驗所設計機構的外觀；裝配完成后可以檢查各部件之間的干涉情況，對干涉部件進行重新設計消除干涉，并可通過UG的制圖模塊再次輸出二維圖紙。以實體模型為基礎對穴播器運動狀態(tài)進行虛擬樣機仿真，能夠直觀的觀察穴播器各運動機構的協(xié)調性、合理性，檢查穴播器工作過程是否能達到預期的效果[7-8]。虛擬樣機仿真分析是在ADAMS軟件中完成的，UG中穴播器的三維裝配模型是通過兩種軟件共有的Parasolid格式文件導入ADAMS中的[9]。為觀察清楚，仿真時去掉了定盤，由于凸輪固定在定盤上，所以添加約束時把輸種管固定在了凸輪上。

將種肥穴播器各零部件導入ADAMS后，雖然看上去像一臺穴播機械，其實各構件之間沒有任何約束。ADAMS中有許多種類型的約束可以使用：旋轉副、移動副、圓柱副、球副、平面副、萬向節(jié)、固定鉸、齒輪、凸輪副、連軸器等。這些約束副都可以從主工具箱中選取添加約束時應注意選擇約束的類型、作用點和方向。添加約束的過程中，有時會產(chǎn)生冗余約束，即過多的限制機構的自由度，這經(jīng)常會導致仿真的中斷，這種現(xiàn)象可以通過仿真控制面板的模型驗證來檢查，然后減少限制構件同一自由度的相應鉸的個數(shù)來解決。ADAMS軟件中對定動瓣穴播器虛擬仿真時約束及運動副的添加如表1所示，載荷添加表如表2所示。通過模型的建立以及約束和載荷的添加，穴播器的虛擬樣機建立完成。

表1 穴播器虛擬仿真約束及運動副添加表

表2 穴播器虛擬仿真載荷添加表

3 基于虛擬樣機的仿真分析

3.1 整機運動仿真

在 Adams中對穴播器虛擬樣機整機進行運動分析，導出其仿真運動效果圖如圖3所示，由仿真效果可以看到定動瓣穴播器的入土成穴器在入土最深時開始打開，種子能順利的投入種床；動瓣在出土后關閉，說明擺動凸輪－定動瓣機構開啟可靠，作物種子能夠順利排出，仿真結果與預期運動效果非常相近，這就證明了此種結構的穴播器在理論上是可行的。

圖3 穴播器工作過程仿真效果及軌跡

3.2 穴孔形狀模擬

在整機的虛擬仿真過程中，可以對各元素的位移、角度、速度、加速度進行測量、輸出曲線等操作?？上葘ρ仔螤钸M行理論分析，然后通過仿真驗證對穴孔形狀理論分析的正確性。在穴播器虛擬樣機仿真過程中，對定瓣和動瓣的尖點各建立一個marker點，利用ADAMS中的Create Trace Spline（創(chuàng)建軌跡曲線）功能，模擬出其運動軌跡曲線，如圖4所示。為了更清楚地觀察成穴器入土成穴過程，在穴播器虛擬樣機運動過程中對定動瓣成穴過程進行仿真掃描(Superimpose)，動、定瓣尖點的運動軌跡曲線是通過在定動瓣尖點上建立Marker點，然后在后處理(Postprocessor)中用跟蹤(Trace)定、動瓣尖點的Marker點繪制出來的。圖4給出了輪盤半徑R=200mm、成穴器入土深度h=60mm、動瓣尖點半徑Rh=280mm、入土成穴器傾斜角度β=35°、滑移率δ分別為0、8%、16%時穴播器定動瓣成穴運動過程的仿真模擬。

道家關于口語傳播的見解主要記錄在《老子》《莊子》兩部書中，是圍繞宇宙本體論、人生智慧和策略方面來闡明的。

圖4 δ=0%、δ=8%、δ=16%時的定、動瓣尖點軌跡（即穴孔形狀）

3.3 穴孔大小影響因素仿真試驗分析

影響穴孔大小的因素主要有：輪盤的半徑、入土成穴器傾角、入土成穴器直徑、入土成穴器開度、入土深度、滑移率。在各結構參數(shù)已經(jīng)確定的情況下只要分析入土成穴器入土深度和滑移率對穴孔大小的影響即可。

3.3.1 仿真試驗安排

由于在穴播器的工作過程仿真模擬中利用ADAMS中的Create Trace Spline功能模擬出了穴孔形狀，所以可以測量一定的入土深度下穴孔的尺寸，以便分析入土成穴器入土深度和滑移率對穴孔大小的影響。分析進行的另一個條件是要得到不同滑移狀態(tài)下的穴播器運動。經(jīng)推導輪盤線速度v、輪盤轉速ω和滑移率δ的關系為

式中 Rs為輪盤的實際滾動半徑。試驗時首先選定穴播器前進速度v，根據(jù)式（1）計算出不同滑移率和入土深度對應的輪盤轉速值，即可得到某一滑移率和入土深度下穴播器的運動狀態(tài)。假設以 12馬力拖拉機作動力，選定機組速度v=1 .0m/s ，則可計算穴播器轉速ω值。

在整機的仿真試驗中，根據(jù)穴播器的實際運動狀態(tài)，對輪盤的運動定義了兩種類型的運動，一是沿機速方向上的直線運動motion_1，運動驅動速度為機速v，二是繞輪盤主軸的轉動motion_2，運動驅動速度為穴播器的轉速ω，這兩種運動的復合運動即為穴播器的滾動前進運動。仿真時，通過定義兩種運動速度v和ω的不同值，使穴播器具有不同的滑移率，從而得到不同滑移率下穴播器的運動狀態(tài)。在ADAMS中進行穴播器仿真的過程中，利用ADAMS的后處理模塊對穴播器的成穴器的成穴過程進行跟蹤掃描，從入土成穴器的不同高度值處測量相應的穴孔長度，就得到不同滑移率和不同入土深度下的穴孔長度。

3.3.2 仿真試驗結果分析

仿真試驗穴孔長度測量結果如表3所示，對得到的穴孔長度值進行二元方差分析得出兩個因素對穴孔大小的影響情況。

本試驗中的兩個試驗因素是A：入土成穴器入土深度；B：穴播器滑移率。因素水平：A1＝70mm、A2＝65mm、A3＝60mm、A4＝55mm；B1＝0、B2＝5%、B3＝10%，B4＝15%，對表3中的數(shù)據(jù)進行二元方差分析，結果如表4所示。

表3 穴孔長度測量值(mm)

表4 穴孔大小影響因素方差分析

給定顯著性水平α =5%，查表得F0.05(3, 9)=3.86，比較知FA=1 0.99 ＞ 3 .86，F(xiàn)B=1 4.01＞ 3 .86，所以入土成穴器入土深度與滑移率對穴孔大小均有顯著性影響。從試驗結果數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析可得如下結論： 當穴播器滑移率一定的情況下，穴孔的大小隨入土成穴器入土深度的增大而增大，且滑移率越小入土深度的變化對穴孔大小的影響越大；當入土成穴器入土深度一定的情況下，穴孔的大小隨滑移率的增加先逐漸減小再逐漸增大，其原因是由于動瓣出土時的運動軌跡隨滑移率的增加逐漸包絡在入土成穴器入土時的軌跡內。由實驗分析可知，應在滿足播深的條件下選擇相對較小的成穴器入土深度，并盡量調整機速以減小滑移率。

4 穴播器可靠轉速分析

在穴播器的結構及各參數(shù)已經(jīng)確定的情況下，影響穴播器穴播性能的因素主要有穴播器轉速ω、落種角1θ、輸種管高度H、輸種管傾角以及輸種管與輪盤蓋夾角Bβ，而且穴播器的轉速ω不能過快，否則將破壞穴播性能，造成空穴及穴孔塌陷等。本文對種子在從輸種管到落入土壤的過程進行仿真，考察參數(shù)1θ、H、α、Bβ與穴播器最大可靠轉速的影響，并采用正交試驗處理仿真結果，尋求各參數(shù)的最優(yōu)組合。

4.1 仿真假設條件

仿真根據(jù)玉米種子物理特性對其物理參數(shù)做如下的假設代換，動摩擦系數(shù)取0.21，靜摩擦系數(shù)取0.36，玉米種子的長、寬、千粒重分別為12mm、9mm、339.5g，仿真試驗中用長軸、短軸、質量分別為 12mm、9mm、0.40g的橢球體代替，選取各影響因素及其參數(shù)的試驗范圍如表5所示。

表5 影響穴播性能的因素水平表

4.2 仿真方法

以動瓣運動到凸輪保持線部位時種子剛好落到入土成穴器最底端作為判斷穴播器最大可靠轉速的依據(jù)。仿真方法及步驟為：在ADAMS整機仿真中用接觸力 contact建立種子與穴播器的約束關系，模擬種子在輸種管、輪盤邊緣及入土成穴器內投種腔中的運動；給種子賦予初速度，用measure建立種子在輸種管中的速度測量量；用measure建立角度α的測量和種子位移測量量；建立傳感器sensor對仿真進行控制，傳感器的作用是使播種成穴器運動到凸輪最大升程時，停止仿真運動；對仿真結果進行判斷，確定種子是否到達成穴器底部；修改落種角、輸種管參數(shù)重復上述過程，測得不同落種角和輸種管參數(shù)下的穴播器最大可靠轉速。

4.3 仿真試驗結果

采用正交試驗的方法對仿真結果進行分析，實驗選用 L9(34)正交表，試驗安排[10]及試驗分析結果如表6所示。

表6 正交試驗方案及結果分析

由上表的分析可知，對穴播器可靠轉速影響最大的是落種角1θ，最小的是輸種管傾角α，各因素的最優(yōu)組合為A3B3C2D1，即落種角為90o，輸種管為500mm，傾角為55o，與輪盤蓋夾角為30o。

4.4 穴播器結構和參數(shù)優(yōu)化改進結果

通過以上的仿真分析，可以得到穴播器的理論優(yōu)化結構和參數(shù)。結構方面，凸輪只有升線、遠端保持線、降線部分起到對成穴器開啟、保持開度、關閉的作用，近端保持線部分不參與成穴工作，所以可以只保留凸輪有用部分，以節(jié)約材料、減輕整機重量，這時凸輪就變成了一個簡單的擋塊，無法再安裝在主軸上，可以將其固定在定盤上，改進后的結構如圖5所示；經(jīng)過仿真和方差、正交實驗分析，得到影響穴播器可靠轉速的優(yōu)化參數(shù)，θ1=90o，H=500mm，α=55o，βB=30o，h=60mm。

圖5 改后穴播器的結構模型

5 結 論

（1）在UG中建立了穴播器的三維實體模型，并在ADAMS中通過對其添加約束和運動副完成了穴播器虛擬樣機的建立。

（2）對穴播器整機工作過程進行了虛擬仿真，初步驗證設計的合理性；通過仿真得到入土成穴器定動瓣成穴形狀曲線，找出了影響成穴性能的因素：在各機構參數(shù)確定的情況下，成穴性能主要受成穴器入土深度和穴播器滑移率度的影響。

（3）通過對仿真數(shù)據(jù)的正交試驗分析，得到了入土成穴器的參數(shù)優(yōu)化值，對成穴器結構進行了優(yōu)化設計。

（4）穴播器虛擬樣機的研究分析為制作物理樣機提供了理論依據(jù)。

[1]趙 勻. 農(nóng)業(yè)機械計算機輔助分析和設計[M]. 北京:清華大學出版社, 1999. 20-69.

[2]趙 勻, 應義斌, 李建平. 農(nóng)機計算機輔助分析和設計初探[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報, 1996, 12(4): 177-180.

[3]黃俊明, 吳運明, 詹永裕. UnigraphicsⅡ V18模型設計[M]. 北京: 中國鐵道出版社, 2002. 19-77.

[4]趙 勻, 葉海建. 農(nóng)業(yè)機械計算機輔助分析和設計[M].北京: 清華大學出版社, 1998. 40-50.

[5]鄭建榮. ADAMS虛擬樣機技術入門與提高[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社, 2002. 4-6.

[6]郝云堂, 金 燁, 季 輝. 虛擬樣機技術及其在ADAMS中的實踐[J]. 機械設計與制造, 2003, (3):16-18.

[7]呂志杰, 沈嘉琪, 等. 計算機動畫仿真及在機構分析中的應用[J]. 山東工業(yè)大學學報, 1999, 29(3):228-232.

[8]董明明, 顧 亮. 履帶車輛非線性懸掛系統(tǒng)的ADAMS仿真[J]. 北京理工大學學報, 2005, 25(8):670-673.

[9]李增剛. ADAMS入門詳解與實例[M]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 2006. 20-75.

[10]蕭 兵, 等. 農(nóng)業(yè)多因素試驗設計與統(tǒng)計分析[M].長沙: 湖南科學出版社, 1985. 59-65.