ADAMS在機械設(shè)計綜合實踐課程設(shè)計中的應(yīng)用

潘金坤

南京工程學院 江蘇南京 211167

ADAMS在機械設(shè)計綜合實踐課程設(shè)計中的應(yīng)用

潘金坤

南京工程學院 江蘇南京 211167

將虛擬樣機技術(shù)引入機械設(shè)計綜合實踐課程設(shè)計中，以插床機械系統(tǒng)為例，利用ADAMS軟件建立導桿機構(gòu)的參數(shù)化模型，并對模型進行運動、動力學仿真及優(yōu)化設(shè)計；用ADAMS軟件進行課程設(shè)計精確、快捷、方便、直觀，課程設(shè)計達到了滿意的效果。

機械設(shè)計綜合實踐課程設(shè)計；ADAMS；運動、動力學仿真；優(yōu)化設(shè)計

Abstract: Introduce virtual prototyping technology to mechanical design and comprehensive applied curriculum design, take slotting mechanical system as example, establish guided bar oriented parameter model by virtue of ADAMS software, and carry out motion, dynamic simulation as well as optimization design over the model; it will be accurate, fast, convenient and visible by using ADAMS software to design curriculum, and contribute to reach satisfactory effect.

Key words: mechanical design and comprehensive applied curriculum design; ADAMS; motion, dynamic simulation; optimization design

機械原理和機械設(shè)計是機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)學生必修的兩門技術(shù)基礎(chǔ)課程。這兩門課程在教學過程中均有實踐性環(huán)節(jié)，分別為機械原理課程設(shè)計和機械設(shè)計課程設(shè)計，課程設(shè)計能夠培養(yǎng)機械類專業(yè)學生的創(chuàng)新能力，是學生綜合運用機械原理和機械設(shè)計課程所學的理論知識解決實際問題，獲得工程技術(shù)訓練的實踐性教學環(huán)節(jié)。

目前機械原理課程設(shè)計和機械設(shè)計課程設(shè)計是各自獨立、自成一體的，這就割裂了二者之間的有機聯(lián)系。為了對學生進行系統(tǒng)訓練，形成整機設(shè)計理念，我們將這2門課程設(shè)計結(jié)合起來，統(tǒng)稱為機械設(shè)計綜合實踐課程設(shè)計。從產(chǎn)品設(shè)計的完整過程出發(fā)，編排課程設(shè)計的內(nèi)容，做到課程設(shè)計的完整性、系統(tǒng)性和綜合性。以插床機械設(shè)計為例，圖1為機械系統(tǒng)示意圖，課程設(shè)計分兩個階段進行。第一階段安排在第四學期末，歷時1周，對插床機械系統(tǒng)進行整體方案設(shè)計，對執(zhí)行機構(gòu)(導桿機構(gòu)、凸輪機構(gòu))進行運動和動力學分析，該階段為機械原理課程段的內(nèi)容；第二階段安排在第五學期末，歷時2周，進行傳動裝置(減速器)的設(shè)計，選擇電機型號，畫出裝配總圖、零件圖，完成整個設(shè)計，該階段為機械設(shè)計課程段的內(nèi)容。第一階段為第二階段提供了整體方案設(shè)計，還提供了第二階段所必需的運動和動力分析以及相關(guān)尺寸參數(shù)。

圖1 插床機械系統(tǒng)示意圖

下面以我校機械設(shè)計綜合實踐課程設(shè)計中插床機械設(shè)計為例，介紹ADAMS虛擬樣機軟件在建立插床導桿機構(gòu)參數(shù)化模型，進行運動和動力學分析、優(yōu)化設(shè)計方面的應(yīng)用。

1 ADAMS虛擬樣機軟件

美國MSC公司開發(fā)的ADAMS機械系統(tǒng)動力仿真分析軟件，是集成了樣機建模、仿真求解可視化后處理一體的虛擬樣機分析平臺。隨著虛擬樣機技術(shù)在機械工程領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展，ADAMS已成功應(yīng)用于航空航天、汽車工程、鐵路車輛、工業(yè)機械、工程機械等領(lǐng)域。ADAMS包括3個最基本模塊：ADAMS/ View，ADAMS/Solver，ADAMS/PostProcessor。

ADAMS/View采用Windows風格的操作界面，提供了和用戶直接交互的操作環(huán)境和樣機模型的前處理功能，集成了建模工具、自動調(diào)用求解器進行仿真以及后處理程序的自動連接、模型的參數(shù)化及優(yōu)化設(shè)計等接口。圖2為ADAMS/View設(shè)計環(huán)境。

ADAMS/Solver是ADAMS的核心模塊，ADAMS/ View自動調(diào)用該模塊，求解樣機模型的靜力學、運動學或動力學等一系列問題。

ADAMS/PostProcessor是用來處理仿真結(jié)果數(shù)據(jù)、顯示仿真動畫等的模塊，它可以在ADAMS/View環(huán)境中進行，也可以脫離該環(huán)境獨立運行。

2 插床導桿機構(gòu)運動、動力學分析

目前機構(gòu)運動、動力學分析的主要方法有2種，一是圖解法，二是解析法。圖解法形象直觀，但由于圖紙幅面有限，只能分析機構(gòu)的1～2個位置，且精確度不高；解析法精確度高，首先根據(jù)機構(gòu)組成原理，把機構(gòu)拆分成基本桿組，編制運動和動力學分析子程序，然后調(diào)用這些子程序進行分析。目前有現(xiàn)成的程序模塊可以調(diào)用，但多是用Fortran語言編程的，該語言目前使用較少，我校機械類學生使用VB語言，因此，這些程序模塊無法使用，學生自己編程時間上不允許，難度也很大，更無法對機構(gòu)設(shè)計進行方案對比或變參數(shù)分析。上述情況嚴重影響到機械設(shè)計綜合實踐課程設(shè)計的教學效果和學生的學習積極性?；诖?，我們在課程設(shè)計中采用ADAMS軟件，建立了插床導桿機構(gòu)的虛擬樣機，通過仿真分析真實地再現(xiàn)機構(gòu)運動，分析和比較多種機構(gòu)設(shè)計方案，并對機構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計。

2.1 參數(shù)化建模

插床機械系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)由導桿機構(gòu)和凸輪機構(gòu)組成，圖3為其機構(gòu)示意圖。電機經(jīng)過傳動裝置(減速器)帶動曲柄2轉(zhuǎn)動，再通過導桿機構(gòu)使裝有刀具的滑塊6沿導路Y-Y作往復運動，以實現(xiàn)刀具的切削運動。刀具向下運動時切削，刀具向上運動時為空回行程，要求刀具具有急回運動。

在ADAMS中建立插床導桿機構(gòu)的參數(shù)化模型，并施加約束和驅(qū)動，其參數(shù)化模型見圖4。通過參數(shù)化建模，將參數(shù)值設(shè)置為可以改變的量，在分析時，只需要改變有關(guān)參數(shù)值，就自動得到新的虛擬樣機模型。用戶也可預先擬定好一系列可變的參數(shù)，ADAMS會自動進行系列仿真，借此觀察樣機性能隨參數(shù)變化的情況。

2.2 運動、動力學仿真分析

對導桿機構(gòu)參數(shù)化模型進行仿真分析，本例中曲柄2的轉(zhuǎn)速 n2= 47r/min ，轉(zhuǎn)一周的時間為60/47s，因此，取End Time=1.2766，Steps=300 。

圖5為滑塊6的運動規(guī)律曲線，圖6為曲柄2上的平衡力矩曲線。

3 插床導桿機構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

以電機的功率消耗為測量目標，通過對機構(gòu)中影響電機功率消耗的設(shè)計變量的優(yōu)化，使機構(gòu)在所受工作阻力不變的情況下，功率消耗的最大值達到最小。

要對電機功率消耗進行優(yōu)化，必須要對已建立的導桿機構(gòu)參數(shù)化模型進行參數(shù)分析。參數(shù)化分析用來了解各設(shè)計變量對樣機性能的影響。對這些設(shè)計變量采用不同的參數(shù)值進行一系列的仿真，然后根據(jù)返回的分析結(jié)果，得出每個設(shè)計變量對樣機性能(目標值)的影響大小，即敏感度。具體的方法包括：設(shè)計研究(Design Study)、試驗設(shè)計(Design of Experiments，DOE)和優(yōu)化分析(Optimization)。

設(shè)計研究(Design Study)顯示改變一個設(shè)計變量對目標值的影響，可以用來確定設(shè)計變量對目標值影響的敏感程度。通過設(shè)計研究，確定出對電機功率消耗的最大值敏感度最大的七個設(shè)計變量，分析結(jié)果見表1。

表1 設(shè)計變量敏感度分析表

由表1知，設(shè)計變量DV_1，DV_2，DV_3，DV_4，DV_5，DV_6和DV_7的敏感度最大，即這7個設(shè)計變量的變化，對電機在相同工作阻力情況下功率消耗的最大值的影響最大。在ADAMS中對上述7個設(shè)計變量的取值范圍進行適當限制，以電機功率消耗的最大值達到最小為優(yōu)化目標，利用ADAMS軟件進行優(yōu)化設(shè)計，7個設(shè)計變量的最優(yōu)值見表1。優(yōu)化前、后電機功率消耗曲線如圖7所示。

通過對圖7中兩種曲線的分析比較可以看出，優(yōu)化后電機功率消耗的峰值有較大降低；而且優(yōu)化前曲線的第二個拐點處，經(jīng)過優(yōu)化后變成了圓滑過渡，可以避免因功率驟減給電機帶來的沖擊，從而延長電機的使用壽命。

4 結(jié)束語

將ADAMS虛擬樣機軟件應(yīng)用到機械設(shè)計綜合實踐課程設(shè)計中，具有新穎性，改變了學生用圖解法或解析法進行機構(gòu)運動、動力學分析的傳統(tǒng)做法。學生普遍反映用ADAMS軟件進行課程設(shè)計精確、快捷、方便、直觀，課程設(shè)計能達到滿意的效果。為機械類專業(yè)學生后期專業(yè)課程如液壓設(shè)計、動力學分析和優(yōu)化設(shè)計等的學習，以及完成畢業(yè)設(shè)計，提供了一種優(yōu)秀的輔助分析工具。

[1] 朱理.機械原理(第2版)[M].北京：高等教育出版社，2010

[2] 葛正浩.ADAMS 2007虛擬樣機技術(shù)[M].北京：化學工業(yè)出版社，2010

[3] 胡志剛.牛頭刨床六桿機構(gòu)的多體動力學分析及優(yōu)化設(shè)計[J].三峽大學學報(自然科學版)，2006，28(3)：226～229

[4] 韓寶菊，徐劍波.基于ADAMS的插床動力學仿真分析及優(yōu)化設(shè)計[J].機械工程與自動化，2007，141(2)：35～37

[5] 朱玉.機械原理和設(shè)計課程設(shè)計教學探索與實踐[J].南京工程學院學報(社會科學版)，2007，7(1)：52～55

[6] 羅洪田.機械原理課程設(shè)計指導書[M].北京：高等教育出版社，1986

Application of ADAMS in mechanical design and comprehensive applied curriculum design

Pan Jinkun
Nanjing institute of technology, Nanjing, 211167, China

2011-08-01 稿件編號：1108005

潘金坤，本科，講師。

南京工程學院高等教育研究課題“機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)綜合課程設(shè)計教學環(huán)節(jié)改革研究”(編號：GY201023)。