ADAMS在機(jī)械原理機(jī)構(gòu)教學(xué)中的應(yīng)用

崔 立,梁彩平,李 寧,吳 俊

ADAMS在機(jī)械原理機(jī)構(gòu)教學(xué)中的應(yīng)用

崔 立,梁彩平,李 寧,吳 俊

(上海第二工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院,上海201209)

介紹了應(yīng)用虛擬樣機(jī)仿真軟件——ADAMS(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems,機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)自動(dòng)分析)在機(jī)械原理課程中進(jìn)行機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)求解與機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化的原理與方法,分析了傳統(tǒng)機(jī)構(gòu)教學(xué)方法的缺點(diǎn)以及虛擬樣機(jī)仿真軟件在機(jī)構(gòu)教學(xué)中的應(yīng)用過(guò)程。通過(guò)分別對(duì)內(nèi)燃機(jī)機(jī)構(gòu)、共軛凸輪機(jī)構(gòu)進(jìn)行仿真,說(shuō)明了ADAMS軟件在機(jī)械原理機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)教學(xué)以及機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)與優(yōu)化中的應(yīng)用。

虛擬樣機(jī);ADAMS;機(jī)械原理;機(jī)構(gòu)教學(xué)

0 引言

機(jī)械原理課程的主要組成部分為機(jī)構(gòu)學(xué)和機(jī)械動(dòng)力學(xué)[1]。機(jī)構(gòu)學(xué)研究機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)時(shí)僅對(duì)幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算,而不考慮力對(duì)機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的影響[2]。機(jī)械動(dòng)力學(xué)研究的是機(jī)器在已知載荷作用下的真實(shí)運(yùn)動(dòng)規(guī)律和調(diào)節(jié)方法、機(jī)械效率以及如何平衡慣性力等問(wèn)題。一方面,在機(jī)械原理課程中要使學(xué)生掌握對(duì)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)進(jìn)行分析的理論知識(shí),培養(yǎng)學(xué)生對(duì)現(xiàn)有機(jī)構(gòu)的理論分析能力;另一方面,機(jī)械原理課程的培養(yǎng)目標(biāo)是使學(xué)生具有機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方案的創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力,針對(duì)不同的設(shè)計(jì)任務(wù),提出多種機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方案,并進(jìn)行綜合評(píng)價(jià),因此它又是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的課程。

對(duì)機(jī)械和機(jī)構(gòu)開(kāi)展運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)分析的方法有圖解法和解析法。圖解法較為形象、直觀,但求解精度不高,對(duì)于較復(fù)雜的機(jī)構(gòu)需要反復(fù)作圖,其過(guò)程相當(dāng)繁瑣,且由于測(cè)量誤差等原因,求解的準(zhǔn)確性較差。解析法通過(guò)數(shù)學(xué)關(guān)系式將機(jī)構(gòu)中已知的尺寸參數(shù)和運(yùn)動(dòng)變量與未知的運(yùn)動(dòng)變量相關(guān)聯(lián),然后進(jìn)行求解,因此解析方程一旦列出,即可求解機(jī)構(gòu)在不同位置處的運(yùn)動(dòng)變量,但對(duì)于復(fù)雜機(jī)構(gòu)則需要編制求解的計(jì)算機(jī)程序,工作量很大,輸出的結(jié)果也很難直觀地演示。

ADAMS虛擬樣機(jī)軟件可在交互式的圖形環(huán)境下創(chuàng)建機(jī)械系統(tǒng)的三維模型[3-4],采用拉格朗日方程法求解系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程;可以對(duì)機(jī)械系統(tǒng)開(kāi)展靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析,輸出位移、速度、加速度和作用力曲線[5];可用于機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)、裝配、運(yùn)動(dòng)性檢測(cè)、機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析等過(guò)程[5-6]。王鴻云、劉相權(quán)等[1,7]探討了機(jī)械原理教學(xué)中引入ADAMS軟件的必要性,但目前僅將動(dòng)畫(huà)應(yīng)用到了課堂教學(xué)中。

上海第二工業(yè)大學(xué)機(jī)械專業(yè)FH班的使用了ADAMS虛擬樣機(jī)軟件。本文通過(guò)實(shí)例,分析介紹了ADAMS軟件在機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析、動(dòng)力學(xué)分析和機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化中的應(yīng)用,使用ADAMS仿真實(shí)現(xiàn)了機(jī)械原理教學(xué)中機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)、優(yōu)化及動(dòng)力學(xué)分析。

1 ADAMS軟件在機(jī)構(gòu)分析中的應(yīng)用

使用ADAMS軟件進(jìn)行機(jī)構(gòu)建模仿真的步驟:首先對(duì)運(yùn)動(dòng)部件建模并用運(yùn)動(dòng)副的模型和約束連接,然后施加外力或運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng),采用拉格朗日方程法建立微分方程求解,仿真過(guò)程完成后在后處理界面中觀察模型的運(yùn)動(dòng)并提取計(jì)算結(jié)果。

在機(jī)械原理機(jī)構(gòu)教學(xué)過(guò)程中,可使用ADAMS軟件進(jìn)行機(jī)構(gòu)建模、施加驅(qū)動(dòng)與載荷、動(dòng)態(tài)仿真,通過(guò)動(dòng)畫(huà)和數(shù)據(jù)輸出將機(jī)構(gòu)很直觀地演示出來(lái),激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)機(jī)構(gòu)的興趣。使用ADAMS軟件還可以通過(guò)后處理平臺(tái)輸出復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)性能,幫助學(xué)生完成機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

以機(jī)械原理課程中內(nèi)燃機(jī)的曲柄連桿機(jī)構(gòu)為例,在ADAMS軟件中建立仿真模型,計(jì)算機(jī)構(gòu)的受力情況并對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析。由于內(nèi)燃機(jī)連桿和曲軸等部件在高速運(yùn)行過(guò)程中的受力情況十分復(fù)雜,這些因素對(duì)于曲柄連桿機(jī)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變磨損的情況具有決定性的作用。為便于進(jìn)一步分析強(qiáng)度及疲勞壽命,首先必須得到這些構(gòu)件所受外力的大小以及變化規(guī)律。

在ADAMS軟件中建立曲柄連桿系統(tǒng)模型,設(shè)置各部件的材料屬性。定義各部件之間的運(yùn)動(dòng)副關(guān)系、添加約束和邊界條件,圖1所示為某船用七缸內(nèi)燃機(jī)的ADAMS模型。

圖1 內(nèi)燃機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)的ADAMS仿真模型Fig.1 Simulation model of crank-link mechanism of engine in ADAMS

按照給定內(nèi)燃機(jī)缸內(nèi)壓力曲線,添加活塞上所受壓力。在活塞處的移動(dòng)副,活塞桿與連桿、連桿與曲軸、曲軸與機(jī)架間旋轉(zhuǎn)副上考慮摩擦力作用。施加摩擦力的方法為直接在旋轉(zhuǎn)副和移動(dòng)副上添加摩擦系數(shù),取靜摩擦系數(shù)為0.10,動(dòng)摩擦系數(shù)為0.08,給定旋轉(zhuǎn)副摩擦臂的大小。

設(shè)定仿真時(shí)間為30 s,計(jì)算完成后得出各運(yùn)動(dòng)副處所受的外力。以內(nèi)燃機(jī)第1缸為例進(jìn)行分析。

圖2給出了曲軸在轉(zhuǎn)速平穩(wěn)時(shí)段運(yùn)轉(zhuǎn)2個(gè)周期內(nèi)的氣缸爆炸力的測(cè)量結(jié)果,可以看出氣缸內(nèi)爆炸力呈穩(wěn)定的周期變化。

在ADAMS軟件中使用傳感器對(duì)曲軸系統(tǒng)所有移動(dòng)副和旋轉(zhuǎn)副摩擦力進(jìn)行測(cè)量,圖3給出了轉(zhuǎn)速平穩(wěn)時(shí)段2個(gè)周期內(nèi)活塞與缸筒之間的滑動(dòng)摩擦力、活塞桿與連桿間的摩擦力矩、連桿與曲軸間的摩擦力矩。

圖2 曲軸運(yùn)轉(zhuǎn)2個(gè)周期內(nèi)的氣缸爆炸力Fig.2 Explosive force of cylinder within two rotation cycles of crankshaft

圖3 各運(yùn)動(dòng)副的摩擦力和摩擦力矩測(cè)量Fig.3 Measurement of friction and friction torque of kinetic pairs

根據(jù)計(jì)算得到各運(yùn)動(dòng)副的受力情況,可分析系統(tǒng)工作應(yīng)力與應(yīng)變,從而校核內(nèi)燃機(jī)關(guān)鍵零部件的強(qiáng)度。

將曲軸連桿系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析得到的載荷文件導(dǎo)出,在1個(gè)周期內(nèi)取10個(gè)時(shí)間點(diǎn)的載荷進(jìn)行分析,使用ANSYS軟件分析曲軸在這些時(shí)刻的應(yīng)力與應(yīng)變。在工作周期內(nèi)計(jì)算發(fā)現(xiàn)較大應(yīng)力的位置出現(xiàn)在曲拐與連桿連接過(guò)渡圓角附近、曲軸的軸頸與曲拐連接處。應(yīng)力最大值為185 MPa,Mises應(yīng)力分布如圖4所示。由于曲軸材料的對(duì)稱循環(huán)彎曲疲勞極限為300 MPa,故該曲軸強(qiáng)度滿足使用要求。

圖4 曲軸最大Von Mises應(yīng)力Fig.4 Maximum Von Mises stress of crankshaft

2 ADAMS軟件在機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化中的應(yīng)用

以機(jī)械原理課程設(shè)計(jì)題目“打緯機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)”為例,介紹ADAMS軟件在機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)、機(jī)構(gòu)性能分析與優(yōu)化中的應(yīng)用過(guò)程。

首先,進(jìn)行機(jī)構(gòu)的方案設(shè)計(jì),打緯機(jī)構(gòu)方案有連桿打緯機(jī)構(gòu)和凸輪打緯機(jī)構(gòu)。經(jīng)過(guò)對(duì)打緯機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析和方案比較,可知連桿打緯機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)沒(méi)有停頓時(shí)間,所以筘座幅度及速度都受到限制。而共軛凸輪打緯機(jī)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)200°～300°的筘座絕對(duì)靜止角,且可按工藝要求來(lái)設(shè)計(jì)凸輪外形從而保證擺動(dòng)規(guī)律,因而更能滿足機(jī)構(gòu)要求。

然后,進(jìn)行共軛凸輪的設(shè)計(jì)。共軛凸輪打緯機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足這些要求:打緯過(guò)程中,筘座由靜止?fàn)顟B(tài)開(kāi)始運(yùn)動(dòng),再到由運(yùn)動(dòng)變?yōu)殪o止,位移、速度和加速度的變化光滑連續(xù)平緩;正加速度和速度的峰值應(yīng)較小,躍度曲線連續(xù)且無(wú)突變。

接下來(lái)要選擇筘座的運(yùn)動(dòng)曲線,但單一運(yùn)動(dòng)曲線方程往往不能同時(shí)滿足要求,因此采用兩種或三種曲線組合。按照設(shè)計(jì)要求,選擇可適用于高速、穩(wěn)定運(yùn)行的正余弦組合運(yùn)動(dòng)曲線,各段時(shí)期內(nèi)筘座運(yùn)動(dòng)的角加速度可以表示為:

其中:λ為凸輪轉(zhuǎn)角;¨β為角加速度;A,b,B為設(shè)計(jì)系數(shù)。

由共軛凸輪輪廓線方程式解析求出凸輪機(jī)構(gòu)中主、回凸輪輪廓線,將該凸輪輪廓線輸入到ADAMS樣條曲線中可以得到凸輪機(jī)構(gòu)模型,對(duì)擺桿與地面、共軛凸輪與地面之間添加轉(zhuǎn)動(dòng)副,對(duì)兩滾子與擺桿間添加接觸約束,在共軛凸輪基圓圓心處添加STEP轉(zhuǎn)速函數(shù),建立模型如圖5所示。

圖5 共軛凸輪機(jī)構(gòu)ADAMS模型Fig.5 ADAMS model of conjugate cam mechanism

對(duì)ADAMS共軛凸輪機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)計(jì)算,得到結(jié)果如圖6所示。由圖6分析可知,凸輪筘座的角速度存在波動(dòng)、角加速度存在多處突變,這將引起機(jī)構(gòu)具有較大的慣性力并存在較大振動(dòng)。因此,需要對(duì)凸輪輪廓線進(jìn)行優(yōu)化。

用正弦分段組合的運(yùn)動(dòng)規(guī)律來(lái)設(shè)計(jì)共扼凸輪雖然比較方便,但是這種凸輪運(yùn)動(dòng)曲線起止端的躍度是不連續(xù)的[8],圖6所示的仿真結(jié)果也證實(shí)了較大慣性力的存在。因此,對(duì)正余弦組合的筘座運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化,將3段正余弦組合曲線更改為更加平滑的5段曲線,筘座運(yùn)動(dòng)的角加速度表達(dá)式為:

圖6 共軛凸輪機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)結(jié)果:(a)原型凸輪筘座角速度; (b)原型凸輪筘座角加速度Fig.6 Dynamic results of conjugate cam mechanism:(a) Angular velocity of original cam sley;(b)Angular acceleration of original cam sley

其中,c為設(shè)計(jì)系數(shù)。

使用以上改進(jìn)過(guò)的運(yùn)動(dòng)曲線設(shè)計(jì)凸輪輪廓線,將得到的新凸輪輪廓線導(dǎo)入ADAMS模型中,仿真得到新的凸輪筘座動(dòng)力學(xué)結(jié)果如圖7所示。

經(jīng)過(guò)對(duì)比可以看出優(yōu)化后得到的共軛凸輪打緯機(jī)構(gòu),其角速度的波動(dòng)幾乎被消除,角加速度曲線突變大大減少且最大加速度幅值僅為優(yōu)化前的1/3,因此慣性力也減小為優(yōu)化前的1/3。

使用ADAMS仿真軟件能夠較容易地得到凸輪機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)計(jì)算結(jié)果,在運(yùn)動(dòng)學(xué)分析和基本尺寸動(dòng)力性能優(yōu)化的基礎(chǔ)上,進(jìn)行機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì),即可得到滿足使用要求的機(jī)構(gòu)。

圖7 凸輪優(yōu)化設(shè)計(jì)后動(dòng)力學(xué)結(jié)果:(a)優(yōu)化凸輪筘座的角速度曲線;(b)優(yōu)化凸輪筘座的角加速度曲線Fig.7 Dynamic results of optimization cam:(a)Angular velocity of optimized cam sley;(b)Angular acceleration of optimized cam sley

3 結(jié)論

本文研究了ADAMS在機(jī)械原理機(jī)構(gòu)教學(xué)中的應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)了機(jī)械原理機(jī)構(gòu)教學(xué)方法的創(chuàng)新。分別以內(nèi)燃機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)、共軛凸輪打緯機(jī)構(gòu)為實(shí)例,研究了ADAMS在機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析、機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化中的應(yīng)用,彌補(bǔ)了機(jī)械原理傳統(tǒng)教學(xué)中機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)求解困難、機(jī)構(gòu)優(yōu)化難以實(shí)現(xiàn)的缺點(diǎn)。

通過(guò)教學(xué)實(shí)踐表明,學(xué)生對(duì)所學(xué)機(jī)構(gòu)以及設(shè)計(jì)任務(wù)產(chǎn)生了濃厚的興趣,激發(fā)了他們的學(xué)習(xí)熱情,培養(yǎng)了他們的創(chuàng)新意識(shí),大大提高了學(xué)生的實(shí)際機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)能力。在教學(xué)過(guò)程中使用ADAMS軟件完成了機(jī)械原理課程設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)了機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)。該軟件還可用于后續(xù)機(jī)械類課程,實(shí)現(xiàn)機(jī)械系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與分析。

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Application of ADAMS in Teaching of Mechanism in Theory of Machinery

CUI Li,LIANG Cai-ping,LI Ning,WU Jun
(School of Mechanics&Electronic Engineering,Shanghai Second Polytechnic University, Shanghai 201209,P.R.China)

The principle and method of virtual prototype simulation software—ADAMS using in modeling and dynamic simulation of mechanism system is introduced.Traditional teaching methods are analyzed and the application course of virtual prototype simulation software in mechanism teaching is given.Taking an engine mechanism and conjugate cam mechanism as examples,application of ADAMS in teaching dynamic,design and optimization of mechanism in theory of mechanism and machinery are illuminated.

virtual prototype;ADAMS;theory of machinery;teaching of mechanism

TH111

A

1001-4543(2014)04-0311-05

2014-03-07

崔立(1981–),男,河南人,講師,博士,主要研究方向?yàn)楦咚佥S承技術(shù)和數(shù)字化設(shè)計(jì)制造。電子郵箱cuili@sspu.edu.cn。

上海第二工業(yè)大學(xué)?；痦?xiàng)目(No.EGD14XQD12)、上海市自然科學(xué)基金項(xiàng)目(No.14ZR1416800)、上海市聯(lián)盟計(jì)劃項(xiàng)目(No.LM201408)資助