淺談CAE技術(shù)在機(jī)械設(shè)計教學(xué)中的應(yīng)用*

顏秋艷（北京理工大學(xué)珠海學(xué)院，廣東 珠海 519088）

淺談CAE技術(shù)在機(jī)械設(shè)計教學(xué)中的應(yīng)用*

顏秋艷
（北京理工大學(xué)珠海學(xué)院，廣東 珠海 519088）

現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計包含機(jī)構(gòu)設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計和控制系統(tǒng)設(shè)計。在傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計中，上述三種設(shè)計獨立進(jìn)行，然而機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計需要綜合設(shè)計才能達(dá)到整體性能的最優(yōu)化。CAE技術(shù)的發(fā)展給這些設(shè)計環(huán)節(jié)帶來了一種有力的輔助工具，學(xué)生掌握之后將會極大提升機(jī)械設(shè)計水平。文章先介紹幾種典型的輔助設(shè)計軟件，并探討了各軟件協(xié)同優(yōu)化的實現(xiàn)方法，為學(xué)生掌握現(xiàn)代機(jī)械系統(tǒng)分析與優(yōu)化設(shè)計軟件提供一定的參考。

CAE；機(jī)械教學(xué)；優(yōu)化設(shè)計；凸輪機(jī)構(gòu)

一、概述

《機(jī)械設(shè)計》是機(jī)械工程專業(yè)學(xué)生的一門必修課。主要包括機(jī)構(gòu)設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計和控制系統(tǒng)設(shè)計。其中，機(jī)構(gòu)設(shè)計主要是理論力學(xué)和機(jī)械原理，內(nèi)容是根據(jù)某種功能進(jìn)行機(jī)構(gòu)選型、受力和傳動效率分析。結(jié)構(gòu)設(shè)計主要知識是材料力學(xué)，主要是對桿系和軸類零件進(jìn)行受力分析。而控制系統(tǒng)設(shè)計主要是控制工程，通過零極點配置等方法，實現(xiàn)快速、穩(wěn)定、準(zhǔn)確的控制系統(tǒng)。

機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計是機(jī)構(gòu)選型、結(jié)構(gòu)設(shè)計和控制系統(tǒng)設(shè)計的綜合。由于現(xiàn)代機(jī)械裝備結(jié)構(gòu)趨于復(fù)雜，運行速度快，對精度和可靠性的要求也越來越高。理論力學(xué)、機(jī)械原理、材料力學(xué)已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代設(shè)計的需求。幸運的是，人們開發(fā)了各種CAE軟件［1］，如機(jī)構(gòu)動力學(xué)分析軟件ADAMS、Recudyn；結(jié)構(gòu)有限元分析軟件Nastran、Ansys、Marc、Abaqus、Dyna；控制系統(tǒng)仿真軟件Matlab、Simulink、MSC/Easy5。各個軟件的引入和聯(lián)合使用，使得人們可以方便獲得各個學(xué)科的優(yōu)化設(shè)計，將機(jī)械產(chǎn)品的性能最優(yōu)化，以滿足更高的系統(tǒng)要求。俗話說，工欲善其事，必先利其器。為了滿足現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計要求，擴(kuò)展機(jī)械工程類本科生的知識面，提高其機(jī)械系統(tǒng)綜合設(shè)計能力，文章首先介紹CAE技術(shù)的發(fā)展，重點介紹機(jī)構(gòu)動力學(xué)仿真軟件ADAMS、Recudyn，結(jié)構(gòu)動力學(xué)軟件ANSYS、Nastran和ABAQUS，控制系統(tǒng)仿真軟件Matlab、Simulink，同時介紹了聯(lián)合仿真的實現(xiàn)。最后給出一個高速凸輪輪廓線設(shè)計的案例，說明CAE技術(shù)在機(jī)械設(shè)計中的重要作用。

二、仿真軟件的介紹

（一）機(jī)構(gòu)設(shè)計軟件

ADAMS：即機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)分析（Automatic Dynamic An alysis of Mechanical Systems），ADAMS軟件是美國機(jī)械動力公司（Mechanical Dynamics Inc.）開發(fā)的虛擬樣機(jī)分析軟件［2］。該軟件使用的是交互式圖形環(huán)境，集合了眾多的軟件模塊，包括基本界面、求解、控制、后處理等模塊。利用零件庫和約束庫，用戶可以建立參數(shù)化幾何模型，并創(chuàng)建系統(tǒng)動力學(xué)方程，進(jìn)行靜力學(xué)、運動學(xué)和動力學(xué)等響應(yīng)分析，輸出各種曲線，從而實現(xiàn)對機(jī)械系統(tǒng)的運動范圍、碰撞檢測、峰值載荷、輸入載荷等性能的預(yù)測。

RecurDyn：由于傳統(tǒng)的動力學(xué)分析軟件存在諸多問題，如模型過于簡化、求解效率低、穩(wěn)定性差等等，特別是對于機(jī)構(gòu)中普遍存在的接觸碰撞問題解決不夠完善，難以滿足現(xiàn)代工程應(yīng)用的需要。因此，韓國Function Bay公司充分利用最新的多體動力學(xué)理論，基于相對坐標(biāo)系建模和遞歸求解，開發(fā)出了RecurDyn軟件［3］。該軟件求解速度快、穩(wěn)定性好，很好地解決了機(jī)構(gòu)接觸碰撞問題，拓展了多體動力學(xué)軟件的應(yīng)用范圍。

（二）結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件

ANSYS軟件：ANSYS是美國ANSYS公司研制的大型通用有限元分析（FEA）軟件［4］，其利用數(shù)學(xué)近似方法對模擬真實物理系統(tǒng)，將無限未知量的真實系統(tǒng)簡化為有限數(shù)量的未知量的模型，實現(xiàn)對機(jī)械系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、強度、模態(tài)、接觸響應(yīng)、疲勞等性能的分析，是目前增長最快的CAE軟件，能與多數(shù)其他計算機(jī)輔助設(shè)計軟件接口，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換，在各個領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。該軟件功能強大、操作簡單，而且能適應(yīng)各種復(fù)雜形狀，成為工程分析中行之有效的手段。

*基金項目：廣東省教育廳省級質(zhì)量工程建設(shè)項目——面向先進(jìn)制造業(yè)的應(yīng)用型人才培養(yǎng)模式創(chuàng)新實驗區(qū)。

作者簡介：顏秋艷（1988-），女，湖南邵陽人，碩士，研究方向：機(jī)械裝備設(shè)計與測控、仿真分析。.

（三）控制系統(tǒng)軟件

Simulink：是MATLAB數(shù)學(xué)工具包中最重要的組件之一。它提供一個面向動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成化開發(fā)環(huán)境。只需要通過簡單直觀的圖形操作，就可以構(gòu)造出復(fù)雜的控制系統(tǒng)。該軟件結(jié)構(gòu)清晰、高效靈活等優(yōu)點，在控制理論和數(shù)字信號處理等復(fù)雜系統(tǒng)的設(shè)計和仿真中得到廣泛應(yīng)用。

MSC/Easy5：提供圖形化建模環(huán)境、強大的仿真析能力和開放性的軟硬件結(jié)構(gòu)，方便與其他軟件進(jìn)行協(xié)同仿真。主要通過微分、差分和代數(shù)方程來描述動態(tài)系統(tǒng)并進(jìn)行仿真。MSC Easy5的特點在于對控制系統(tǒng)的仿真分析能力強大，可以，可以使用內(nèi)建專業(yè)應(yīng)用庫中預(yù)定義的元件模型，以便快速建立各種復(fù)雜系統(tǒng)的模型；其次，該軟件開放性好，內(nèi)嵌代碼生成和求解器，可自動生成相應(yīng)的C或FORTRAN源代碼，方便用戶進(jìn)行二次開發(fā)。最后，MSC Easy5可與其它CAE軟件無縫集成，真正實現(xiàn)協(xié)同仿真。

三、聯(lián)合仿真優(yōu)化設(shè)計

由于機(jī)械系統(tǒng)涉及理論力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、控制系統(tǒng)等多學(xué)科系統(tǒng)，單學(xué)科的仿真優(yōu)化不能滿足系統(tǒng)的要求。為此誕生了交差學(xué)科。例如，將機(jī)構(gòu)與結(jié)構(gòu)動力學(xué)融合，產(chǎn)生了柔性多體動力學(xué)系統(tǒng)。機(jī)構(gòu)與控制系統(tǒng)融合，便成了機(jī)構(gòu)動力學(xué)控制系統(tǒng)。三者融合后變成了柔性多體動力學(xué)控制系統(tǒng)，對其仿真和優(yōu)化可以更加全面了解機(jī)械產(chǎn)品的整體性能。

（一）機(jī)構(gòu)+結(jié)構(gòu)=柔性多體動力學(xué)

當(dāng)機(jī)構(gòu)進(jìn)入“高速”時，需要考慮構(gòu)件的彈性變形，形成柔性多體動力學(xué)。其求解方法有兩種：（1）采用C-B縮減方法，建立各構(gòu)件動態(tài)子結(jié)構(gòu)模型，生成模態(tài)中性文件，導(dǎo)入ADAMS軟件中，替代剛體模型，生成多柔體動力學(xué)仿真模型。（2）用非線性有限元軟件Marc、Abaqus建立含有運動學(xué)自由度的幾何非線性有限元模型，定義原動件的運動函數(shù)，進(jìn)行顯示或隱式動力學(xué)求解，獲得柔性體的動態(tài)位移。第1種方法求解規(guī)模小，但是要丟失高階模態(tài)，適合于中低速機(jī)構(gòu)。第2種方法求解規(guī)模大，采用直接積分方法時，可以獲得高階模態(tài)，適合于中高速機(jī)構(gòu)。

（二）機(jī)構(gòu)+控制系統(tǒng)=多剛體動力學(xué)控制

當(dāng)機(jī)構(gòu)的運動目標(biāo)確定時，常常需要通過多剛體動力學(xué)控制系統(tǒng)仿真優(yōu)化實現(xiàn)控制系統(tǒng)參數(shù)或運動規(guī)劃曲線的設(shè)計。由于涉及到多剛體動力學(xué)仿真和控制系統(tǒng)兩個軟件，宿主軟件可以選擇控制系統(tǒng)仿真軟件（如Simulink），也可以選擇多體動力學(xué)仿真軟件（如Adams）。當(dāng)Simulink為宿主軟件時，可以應(yīng)用該軟件強大的控制系統(tǒng)分析和設(shè)計功能，機(jī)構(gòu)動力學(xué)仿真作為一個子系統(tǒng)被調(diào)用。若選用ADAMS軟件，其自身含有控制工具箱，可以對所用控制環(huán)節(jié)進(jìn)行參數(shù)化，并進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，實現(xiàn)控制系統(tǒng)與機(jī)構(gòu)的同時優(yōu)化設(shè)計。

（三）機(jī)構(gòu)+結(jié)構(gòu)+控制系統(tǒng)=柔性多體動力學(xué)控制仿真

多柔性動力學(xué)系統(tǒng)控制屬于變邊界條件幾何非線性有限元分析。實現(xiàn)方法同樣有兩種。一是動態(tài)子結(jié)構(gòu)法，可以在ADAMS中將多剛體控制系統(tǒng)仿真模型，通過上文中提及的方法替換成柔性體子結(jié)構(gòu)，從而形成多柔性控制系統(tǒng)仿真模型。由于柔性動態(tài)子結(jié)構(gòu)在ADAMS中不能被參數(shù)化，因此只能實現(xiàn)控制系統(tǒng)的優(yōu)化。二是變邊界條件幾何非線性有限元法。采用Abaqus軟件，按上文中提及方法建立含運動學(xué)自由度的幾何非線性有限元模型，并對原動件邊界條件進(jìn)行參數(shù)化。若需要優(yōu)化，則可以與Isight或Tosca模塊聯(lián)合，進(jìn)行參數(shù)或拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計。通過機(jī)構(gòu)、結(jié)構(gòu)和控制多學(xué)科仿真與優(yōu)化，大大提升了機(jī)電系統(tǒng)的設(shè)計水平。

四、案例分析

傳統(tǒng)的凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計是幾何曲線設(shè)計，主要任務(wù)是采用用光滑曲線連接近休止和遠(yuǎn)休止行程。然而，在很多場合，凸輪輪廓線的設(shè)計要考慮到凸輪機(jī)構(gòu)的動力學(xué)行為。例如，在吹瓶機(jī)開合模機(jī)構(gòu)開發(fā)中，凸輪廓線設(shè)計要保證凸輪在高速運轉(zhuǎn)過程中，模具不能發(fā)生激烈的碰撞。用傳統(tǒng)的設(shè)計方法無論采用什么光滑曲線，都難于保證動力學(xué)要求。有了機(jī)構(gòu)與控制系統(tǒng)聯(lián)合仿真優(yōu)化，凸輪廓線的動力學(xué)設(shè)計可以輕松做到。具體做法是先建立起模具開合過程中的控制系統(tǒng)動力學(xué)模型，通過無超調(diào)的最短運動時間優(yōu)化，獲得最優(yōu)運動曲線，再轉(zhuǎn)化為凸輪廓線［5］。

五、結(jié)束語

CAE技術(shù)的引入，對機(jī)構(gòu)、結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)的設(shè)計提供了極大的便利。設(shè)計者從簡單理論分析計算，轉(zhuǎn)移到建模設(shè)計本身。通過CAE軟件的精細(xì)分析與協(xié)同仿真優(yōu)化，為機(jī)構(gòu)與結(jié)構(gòu)、機(jī)構(gòu)與控制、結(jié)構(gòu)與控制以及三者的綜合設(shè)計提供了一種有效的輔助分析工具，改變了傳統(tǒng)設(shè)計方式，可極大提升機(jī)械專業(yè)學(xué)生的設(shè)計水平。

［1］杜平安，范樹遷，葛森.CAD/CAE/CAM方法與技術(shù)［J］.2010.

［2］建榮.ADAMS-虛擬樣機(jī)技術(shù)入門與提高［M］.機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

［3］劉義.RecurDyn多體動力學(xué)仿真基礎(chǔ)應(yīng)用與提高［J］.2013.

［4］李黎明.ANSYS有限元分析實用教程［M］.清華大學(xué)出版社，2005.

［5］楊志軍，羅伯特，凱利，等.基于機(jī)構(gòu)動力學(xué)——控制系統(tǒng)協(xié)同仿真與優(yōu)化的凸輪廓線優(yōu)化設(shè)計［J］.吉林大學(xué)學(xué)報：工學(xué)版，2011，41（1）：149-154.

the modern mechanical design includes mechanism design，structure design and control system design.In the traditional mechanical design，these three designs are carried out independently，however，the design of the mechanical system needs to be integrated to achieve the optimization of the overall performance.The development of CAE technology has brought a powerful tool for the design of these links，students will greatly enhance the level of mechanical design.This paper introduces several typical auxiliary design software，and discusses the implementation methods of the software collaborative optimization，and provides some reference for the students to master the modern mechanical system analysis and optimization design software.

CAE；mechanical teaching；optimization design；cam mechanism

2096-000X（2016）16-0141-02

G642

A