基于Pro/E與ADAMS的槽式太陽(yáng)聚光器的聯(lián)合仿真

鄭方輝, 肖洪，朱天宇

(河海大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 常州 213022)

基于Pro/E與ADAMS的槽式太陽(yáng)聚光器的聯(lián)合仿真

鄭方輝, 肖洪，朱天宇

(河海大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 常州 213022)

介紹了三維設(shè)計(jì)軟件Pro/E和機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真軟件ADAMS兩者之間聯(lián)合仿真的方法與步驟。建立了槽式太陽(yáng)聚光器的虛擬樣機(jī)模型，并對(duì)其進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)仿真，驗(yàn)證了模型可靠性和Pro/E與ADAMS進(jìn)行聯(lián)合仿真的可行性。運(yùn)用虛擬樣機(jī)技術(shù)，可以提高設(shè)計(jì)效率，降低產(chǎn)品開發(fā)成本和設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)，縮短產(chǎn)品研發(fā)周期，為后續(xù)復(fù)雜機(jī)、電、液一體化的仿真分析提供了一種便捷的聯(lián)合仿真方案。

槽式太陽(yáng)聚光器；Pro/E；ADAMS；聯(lián)合仿真

0 引言

作為最早實(shí)現(xiàn)商業(yè)化運(yùn)營(yíng)的太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)，槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)目前已較為成熟，且其發(fā)電站也是目前所有太陽(yáng)能熱發(fā)電試驗(yàn)電站中功率及年效率最高的。目前太陽(yáng)能槽式發(fā)電的研究工作集中在新材料、新工藝、新設(shè)計(jì)等方面，并已取得了一些實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展。由于現(xiàn)有理論的局限，要取得進(jìn)一步的技術(shù)突破，還需要一段探索過程。本文從槽式太陽(yáng)聚光裝置支架入手，建立其虛擬樣機(jī)模型，采用聯(lián)合仿真技術(shù)對(duì)其機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真研究，驗(yàn)證模型可靠性，為后續(xù)液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究提供參考和技術(shù)支持。

在傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造過程中，為了驗(yàn)證產(chǎn)品的整體性能，往往采用物理原型(Physical Prototype)的方法，但這種方法生產(chǎn)周期長(zhǎng)、成本高。隨著計(jì)算機(jī)和CIMS技術(shù)的迅猛發(fā)展，虛擬樣機(jī)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造中起到越來越重要的作用。虛擬樣機(jī)(Visual Prototype也稱虛擬原型)技術(shù)是在計(jì)算機(jī)上設(shè)計(jì)產(chǎn)品的整體模型，并針對(duì)該產(chǎn)品在投入使用后的各種工況進(jìn)行仿真分析，預(yù)測(cè)產(chǎn)品的整體性能，進(jìn)而改進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、提高產(chǎn)品性能的一種新技術(shù)。本文采用Pro/E來實(shí)現(xiàn)槽式太陽(yáng)聚光器支架三維模型的建立，再導(dǎo)入到ADAMS中進(jìn)行仿真分析。

1 Pro/E和ADAMS軟件介紹

Pro/E軟件是美國(guó)參數(shù)技術(shù)公司(parametric technology corporation,PTC)的重要產(chǎn)品。在目前的三維造型軟件領(lǐng)域中占有重要地位，并作為當(dāng)今世界機(jī)械CAD/CAE/CAM領(lǐng)域的新標(biāo)準(zhǔn)而得到業(yè)界的認(rèn)可和推廣。軟件包Pro/Engineer是該系統(tǒng)的基本部分，其主要功能包括參數(shù)化定義、實(shí)體零件及組裝造型，三維上色實(shí)體或線框造型等。

ADAMS(automatic dynamic analysis of mechanical systems)軟件是美國(guó)MDI(mechanical dynamics inc)公司開發(fā)的目前最權(quán)威的機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算的商用軟件。它使用交互式圖形環(huán)境和零件庫(kù)、約束庫(kù)、力庫(kù)，創(chuàng)建完全參數(shù)化的機(jī)械系統(tǒng)幾何模型，其求解器采用多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論中的拉格朗日方程，建立系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程，對(duì)虛擬機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析，輸出位移、速度、加速度和反作用力曲線，通過在計(jì)算機(jī)上創(chuàng)建虛擬樣機(jī)來模擬復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)的整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程，從而達(dá)到改進(jìn)設(shè)計(jì)品質(zhì)、節(jié)約成本、節(jié)省時(shí)間的目的。其核心模塊包括ADAMS/View和ADAMS/Solver。

在利用Pro/E和ADAMS進(jìn)行聯(lián)合設(shè)計(jì)時(shí)，一般在Pro/E中實(shí)現(xiàn)三維特征建模，利用Pro/E生成零件實(shí)體，然后裝配成運(yùn)動(dòng)部件并進(jìn)行干涉檢查，再將整個(gè)模型傳送給ADAMS，在ADAMS中仿真參數(shù)的設(shè)定，產(chǎn)生參數(shù)化的機(jī)構(gòu)模型，并進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真。一般情況下的聯(lián)合仿真設(shè)計(jì)流程如圖1所示。

圖1 聯(lián)合仿真設(shè)計(jì)流程圖

2 槽式太陽(yáng)聚光器支架的三維實(shí)體建模

2.1Pro/E中建立各零部件的三維實(shí)體模型

在草繪界面通過拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃描等基本特征建立零件模型，再通過倒角、圓角修飾等特征造型方法處理模型，得到準(zhǔn)確完整的零部件模型，主要零部件如圖2。

圖2 支架主要零件及裝配件三維模型

2.2 利用零部件的連接關(guān)系建立裝配

首先進(jìn)入Pro/E原始界面，單擊“新建”按鈕，打開“新增”圖框，在“類型”欄選擇“組件”，在“子類型”欄選擇“實(shí)體”，取消“使用缺省模板”選項(xiàng)，在“新增選項(xiàng)”圖框的模板下選取mmns-part-solid選項(xiàng)，單擊“確定”按鈕進(jìn)入裝配界面。新建裝配文件，定義各個(gè)零件或子裝配體之間的約束關(guān)系，得到支架裝配體的三維模型,如圖3所示。

圖3 支架Pro/E裝配體

3 槽式太陽(yáng)聚光器支架的動(dòng)力學(xué)仿真

3.1 建立虛擬樣機(jī)模型

將在Pro/E中創(chuàng)建的模型導(dǎo)入ADAMS仿真環(huán)境。Pro/E與ADAMS間進(jìn)行圖形數(shù)據(jù)傳遞的方法主要有兩種：1) 使用Pro/E和ADAMS的專用數(shù)據(jù)接口模塊Mechanism/Pro;2) 通過標(biāo)準(zhǔn)圖形格式轉(zhuǎn)換，即將Pro/E創(chuàng)建的模型存儲(chǔ)為中性文件格式，再導(dǎo)入ADAMS中去。Pro/E與ADAMS共同支持的中性文件格式主要有：IGES，STEP，DXF/DEG，SLA，Render等，但在傳遞過程中可能會(huì)導(dǎo)致模型屬性、特征丟失，在導(dǎo)入后需要另外添加。

本文采用第二種方式，在ADAMS中提供的多種數(shù)據(jù)模型接口中，最常用的格式是parasolid，其擴(kuò)展名為：*.x_t,文件名和保存路徑不要出現(xiàn)中文字符；在ADAMS中的import選擇文件類型，指向文件，選擇model name,在后面的空格里單擊右鍵，選model再選create,修改名字；在ADAMS中可以編輯各個(gè)零件的屬性，添加約束。

在虛擬樣機(jī)中，機(jī)構(gòu)之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)是通過運(yùn)動(dòng)副來實(shí)現(xiàn)的。ADAMS建模時(shí)或者中性文件導(dǎo)入后，可以通過各種約束限制構(gòu)件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，并以此將不同構(gòu)件連接起來，組成一個(gè)機(jī)械系統(tǒng)。在本文槽式太陽(yáng)聚光器支架虛擬樣機(jī)中，由于零件較多，在ADAMS中對(duì)沒有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的零件作了布爾運(yùn)算，簡(jiǎn)化模型。簡(jiǎn)化后的模型分為：扭矩框、反射鏡、支撐架(三個(gè))五個(gè)部分(不含大地)，模型如圖4所示。

圖4 支架虛擬樣機(jī)模型

驗(yàn)證虛擬樣機(jī)模型，單擊菜單欄中的“Tools”-“Model Verify”命令，可以啟動(dòng)模型自檢。完成自檢后，程序顯示自檢結(jié)果表。完成模型屬性、約束(四個(gè)固定副和三個(gè)旋轉(zhuǎn)副)和驅(qū)動(dòng)添加。

3.2ADAMS動(dòng)力學(xué)仿真

在用Adams/solver進(jìn)行計(jì)算前，先確定計(jì)算仿真的時(shí)間和選擇合適的步長(zhǎng)，根據(jù)初始位置和實(shí)際工作情況，驅(qū)動(dòng)速度設(shè)置為0.004d/s,確定仿真時(shí)間為43200s，即工作12h，步長(zhǎng)為50000步。將驅(qū)動(dòng)力矩MOTION_1和反射鏡PART3的質(zhì)心CM_Position設(shè)置為測(cè)量點(diǎn)，用以記錄驅(qū)動(dòng)力矩和PART3 CM_Position位移隨時(shí)間變化情況,如圖5所示。

圖5 驅(qū)動(dòng)力矩曲線圖

從曲線圖5上可以看出力矩變化整體呈對(duì)稱分布，y、z方向力矩波動(dòng)較之x方向更為明顯。將驅(qū)動(dòng)速度增大到30d/s，同時(shí)增加仿真步數(shù)后，力矩隨時(shí)間變化情況整體不變，但更為直觀明了，如圖6所示。

圖6 驅(qū)動(dòng)速度30 d/s時(shí)力矩曲線圖

從仿真結(jié)果看，在沒有外負(fù)載(如風(fēng)載)情況下，驅(qū)動(dòng)力矩只需克服裝置重力進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，力矩曲線呈對(duì)稱分布。當(dāng)相對(duì)增加仿真步數(shù)時(shí)，仿真結(jié)果更為明了，y，z方向力矩分量波動(dòng)尤為明顯。反射鏡,即PART3的質(zhì)心位移在x軸上的分量保持不變，在y，z軸方向上的分量的起始點(diǎn)和終止點(diǎn)呈對(duì)稱點(diǎn)分布，總位移保持不變，如圖7所示。驅(qū)動(dòng)力矩MOTION_1和質(zhì)心位移PART3 CM_Position的變化規(guī)律與裝置實(shí)際變化規(guī)律一致，驗(yàn)證了模型可靠性和聯(lián)合仿真技術(shù)的可行性，為后續(xù)機(jī)電液聯(lián)合仿真分析提供了基礎(chǔ)。

圖7 PART3 CM_Position位移曲線圖

4 結(jié)語(yǔ)

Pro/E和ADAMS作為三維建模領(lǐng)域和動(dòng)力學(xué)仿真分析領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)產(chǎn)品，二者的聯(lián)合仿真廣泛應(yīng)用于機(jī)械設(shè)計(jì)、產(chǎn)品開發(fā)、工程校驗(yàn)等過程中。本文在ADAMS中建立了虛擬樣機(jī)模型，實(shí)現(xiàn)了太陽(yáng)能聚光裝置支架的動(dòng)力學(xué)仿真，為下一步優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)，同時(shí)該方法也為后面液壓和控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究提供參考和依據(jù)，極大地縮短了研發(fā)周期，降低了生產(chǎn)成本，對(duì)企業(yè)提高設(shè)計(jì)效率和產(chǎn)品品質(zhì)具有重要的指導(dǎo)意義。

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Co-simulation of Trough Solar Concentrator Based on Pro/E and ADAMS

ZHENG Fang-hui, XIAO Hong,ZHU Tian-yu

(Mechanical and Electrical Institute, Hohai University, Changzhou 213022, China)

The methods and steps of the united simulation by the 3-dimension modeling software Pro/E and the dynamic simulation & analysis software ADAMS are introduced. The virtual prototype model of the trough solar concentrator station is established, and the kinematics simulation is done, the reliabilily of the model and the feasibility of the united simulation by Pro/E and ADAMS are demonstrated. Virtual prototype technology can be used to improve the design efficiency and reduce the design risk, costs of product development and shortening development cycle. It proposes a convenient co-simulation scheme for mechanical-electrical-hydraulic coupling system.

trough solar concentrator; Pro/E; ADAMS; united simulation

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)高效規(guī)?；?yáng)能熱發(fā)電的基礎(chǔ)研究(2010CB227102);南通市2011B產(chǎn)學(xué)研合作科技計(jì)劃——新能源及裝備制造項(xiàng)目(BC2011009)

鄭方輝(1987-)，男，湖北武漢人，碩士研究生，研究方向?yàn)闄C(jī)械電子工程。

TP391.9

B

1671-5276(2014)02-0102-03

2013-01-28