基于Mworks的機(jī)械系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)研究

李斌?陳立平?黃正東

摘?要：本文采用Mworks系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)件庫對雙級圓柱齒輪減速器進(jìn)行了建模仿真，建模過程簡捷、仿真效果直觀。學(xué)生可以直觀的在模型中設(shè)定系統(tǒng)中電機(jī)轉(zhuǎn)速、力矩、齒輪傳動比等參數(shù)，通過仿真系統(tǒng)自動得到不同設(shè)計結(jié)果，讓學(xué)生學(xué)習(xí)復(fù)雜機(jī)械產(chǎn)品不斷優(yōu)化的設(shè)計過程。

關(guān)鍵詞：Mworks系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)?仿真效果

中圖分類號：TU646文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2012）10（a）-0006-02

目前機(jī)械產(chǎn)品通常是機(jī)械、電子、控制等多領(lǐng)域子系統(tǒng)的組成，因此機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計是一個系統(tǒng)設(shè)計過程，是工程分析和優(yōu)化決策的過程，是產(chǎn)品性能的不斷優(yōu)化的過程，Mworks為產(chǎn)品多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計提供了一個很好的平臺。

MWorks[1-5]是華中科技大學(xué)CAD中心（同元軟控）歷經(jīng)10余年傾力打造的新一代多領(lǐng)域物理系統(tǒng)建模與仿真平臺，完全支持國際多領(lǐng)域統(tǒng)一建模標(biāo)準(zhǔn)語言Modelica，提供了從可視化建模、編譯求解到結(jié)果后處理的完整功能，并支持基于Modelica模型的多學(xué)科多目標(biāo)優(yōu)化。

該系統(tǒng)可利用現(xiàn)有大量可重用的Modelica領(lǐng)域庫，廣泛地滿足機(jī)械、電子、控制等領(lǐng)域建模仿真與設(shè)計優(yōu)化需求。能使不同領(lǐng)域的研發(fā)人員在統(tǒng)一的開發(fā)環(huán)境中對復(fù)雜產(chǎn)品進(jìn)行多領(lǐng)域協(xié)同開發(fā)、試驗(yàn)和分析。從而大大提高產(chǎn)品研發(fā)效率。目前該系統(tǒng)已經(jīng)成功應(yīng)用于中國商用飛機(jī)有限公司（國產(chǎn)大飛機(jī)）項目，應(yīng)用效果良好。

本文主要針對本科生《機(jī)械設(shè)計》課程設(shè)計要求，對減速箱基本動力學(xué)分析，使用Mworks進(jìn)行減速箱功率、受力、運(yùn)動等性能仿真，幫助學(xué)生進(jìn)行機(jī)械系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計。

1減速箱仿真模型建立

1.1 幾何模型建立

本文以應(yīng)用廣泛、結(jié)構(gòu)相對簡單的標(biāo)準(zhǔn)雙級圓柱齒輪減速器為例子，首先使用三維CAD軟件建立其三維幾何、裝配模型，能幫助學(xué)生能進(jìn)一步直觀掌握減速箱的各零部件的裝配關(guān)系，完成裝配模型后生成爆炸圖，如圖1所示。將缸體、缸蓋、以及固定缸體缸蓋的螺栓和螺母拆開，了解減速箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使得學(xué)生能夠非常直觀的看到減速箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)，為結(jié)構(gòu)設(shè)計打下基礎(chǔ)。

1.2 動力仿真模型建立

目前的多領(lǐng)域物理建模平臺在不同領(lǐng)域庫的支持下，采用可視化拖放建模方法構(gòu)建仿真模型，其過程如下：先建好底層模型，再在主模型中拖放底層模型作為主模型的部件，或者從Modelica標(biāo)準(zhǔn)庫中拖放模型作為主模型的部件。

圖2所示為作者開發(fā)多領(lǐng)域建模仿真平臺Mworks減速箱模型。具體操作步驟如下敘述。

啟動MWorks，出現(xiàn)如圖所示的啟動界面，上面橫條為工具欄和菜單欄，可以啟動工作、各種操作，右邊為視圖瀏覽區(qū)、輸出信息欄和屬性欄。左上部分是系統(tǒng)模型庫，包括各種機(jī)械、電子等已有的參數(shù)化模型，具體如下。

Blocks——連續(xù)和離散的輸入/輸出部件子庫，例如濾波器、信號源等。

Constants——提供數(shù)學(xué)常量、機(jī)械相關(guān)的常量和自然界其他常量等。

Electrical——電氣和電子元件庫，例如電阻、二極管、三極管等。

Icons——提供基本圖標(biāo)定義的庫，用于可視化建模。

Math——提供數(shù)學(xué)函數(shù)（如sin、cos、log等）和矩陣運(yùn)算功能的子庫。

Mechanics——包括一維和三維機(jī)械系統(tǒng)部件（如變速箱、行星齒輪、離合器等）的子庫。

SIunits——定義了與ISO 31-1992一致的國際單位類型，如角度、電壓、慣量等。

用戶可以根據(jù)需要用鼠標(biāo)拖拽的方式拉到設(shè)計工作區(qū)，左下部分是現(xiàn)有模型視圖，以結(jié)構(gòu)樹的形式列出當(dāng)前系統(tǒng)包含的各種組件。模型庫右邊是主工作區(qū)，可以通過拖拽模型庫中已有的模型到工作區(qū)設(shè)計產(chǎn)品。

在左邊“系統(tǒng)模型庫”樹視圖上依次展開節(jié)點(diǎn)“Modelica”->“Mechanics”->“MultiBody”，顯示系統(tǒng)中已經(jīng)存在模型庫，比如電機(jī)、傳動齒輪等。雙擊節(jié)點(diǎn)“Rotor”，MWorks載入電機(jī)模型及其所需的組件，并在視圖瀏覽區(qū)顯示模型部件結(jié)構(gòu)，左下方“現(xiàn)有模型”視圖顯示系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)庫和用戶庫中模型的層次結(jié)構(gòu)，右邊的視圖瀏覽區(qū)顯示已有的模型結(jié)構(gòu)。以此類推，將電機(jī)、齒輪、扭矩等組件拖拽進(jìn)工作區(qū)，并添加鏈接組件，構(gòu)成減速箱基本傳動結(jié)構(gòu)。

選中“Rotor”組件的圖標(biāo)，單擊右鍵，彈出快捷菜單，如圖2-4示，通過“Parameters…”調(diào)出組件參數(shù)對話框（依次點(diǎn)擊“Graphics”->“Selected Component”->“Parameters…”也能調(diào)出該對話框），在其中可以修改組件的名稱、參數(shù)等。

在部件視圖瀏覽區(qū)雙擊代表組件的圖標(biāo)（或單擊組件圖標(biāo)使之選中，然后通過“Graphics”->“Selected Component”->“Show Component”；或打開右鍵快捷菜單，選擇“Show Component”），可以查看組件模型細(xì)節(jié)。當(dāng)鼠標(biāo)在組件圖標(biāo)上懸停時，會顯示組件的類型信息。

“當(dāng)前模型”樹視圖和右邊顯示的組件保持同步。當(dāng)在部件視圖瀏覽區(qū)選中某一組件，左邊的“當(dāng)前模型”樹視圖也會選中代表該組件的節(jié)點(diǎn)；同樣，在“當(dāng)前模型”樹視圖中選中某節(jié)點(diǎn)，部件視圖瀏覽區(qū)也會選中該節(jié)點(diǎn)所表示的組件。部件視圖瀏覽區(qū)顯示組件的具體結(jié)構(gòu)，“當(dāng)前模型”給出了模型的整體結(jié)構(gòu)，使得能夠在模型的層次結(jié)構(gòu)中切換和瀏覽。

現(xiàn)在部件視圖瀏覽區(qū)顯示的是減速箱組件的結(jié)構(gòu)，包括電機(jī)、扭矩、負(fù)載、齒輪等，并且左邊“當(dāng)前模型”視圖中表示減速箱組件的節(jié)點(diǎn)展開了，可以看到減速箱模型內(nèi)部的組件，當(dāng)選中某個組件時，屬性欄顯示組件的基本屬性和組件參數(shù)，根據(jù)設(shè)計要求可以修改齒輪傳動比、負(fù)載等參數(shù)，使系統(tǒng)負(fù)荷設(shè)計要求。

2模型仿真

建好模型后，我們可以仿真的方式檢驗(yàn)?zāi)Ｐ褪欠衲軌蜻_(dá)到設(shè)計要求，并可以調(diào)整組件的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

選擇“Simulation”->“Goto Simulator”菜單項或工具欄的“啟動仿真界面”按鈕打開仿真界面，如圖示。如果要設(shè)置仿真參數(shù)，通過菜單“Simulation”->“Setup”或工具欄“仿真參數(shù)設(shè)置”按鈕進(jìn)入設(shè)置界面，設(shè)置終止時間為1s。

通過菜單“Simulation”->“Simulate”或工具欄“模型求解”按鈕進(jìn)行仿真。MWorks先翻譯模型，然后進(jìn)行求解。求解完成后，變量樹視圖中顯示模型中的變量，選中變量前的復(fù)選框，可以繪制出度變化的曲線，如圖5示，電機(jī)的角速度motor1.Jm.w變化曲線。

在左邊變量框，選擇相應(yīng)變量，比如齒輪扭矩等，仿真后可顯示相應(yīng)的動力學(xué)曲線。

3結(jié)語

本文采用Mworks的標(biāo)準(zhǔn)件庫對應(yīng)用廣泛、結(jié)構(gòu)相對簡單的標(biāo)準(zhǔn)雙級圓柱齒輪減速器進(jìn)行了建模仿真，學(xué)生可以直觀的設(shè)定系統(tǒng)中電機(jī)轉(zhuǎn)速、力矩、齒輪傳動比等參數(shù)，系統(tǒng)自動得到不同設(shè)計結(jié)果，讓學(xué)生體會到機(jī)械產(chǎn)品不斷優(yōu)化的設(shè)計過程。這樣將有利于學(xué)生掌握機(jī)械設(shè)計過程，提高產(chǎn)品設(shè)計能力，為將來從事相關(guān)工作打下堅實(shí)的基礎(chǔ)，同時也為工科學(xué)生的工程學(xué)習(xí)提供新的途徑。

參考文獻(xiàn)

[1]吳義忠，劉敏，陳立平.多領(lǐng)域物理系統(tǒng)混合建模平臺開發(fā)[J].計算機(jī)輔助設(shè)計與圖形學(xué)學(xué)報，2006，18（1）： 120-124.

[2]趙建軍，丁建完，周凡利，等. Modelica語言及其多領(lǐng)域統(tǒng)一建模與仿真機(jī)

理[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報，2006，18（2）：

570-573.

[3]王書亭，吳義忠.多領(lǐng)域仿真平臺下自頂向下的建模機(jī)制[J].計算機(jī)輔助設(shè)計與圖形學(xué)學(xué)報，2010，22（7）.

[4]趙翼翔，陳新度，陳新.基于Modelica的機(jī)電液系統(tǒng)多領(lǐng)域統(tǒng)一建模與仿真[J].

機(jī)床與液壓，2009，137（16）：166-169.

[5]趙建軍，吳紫俊.基于Modelica的多領(lǐng)域建模與聯(lián)合仿真[J].計算機(jī)輔助工程，2011，20（1）.