基于CATIA和ADAMS的變胞機(jī)構(gòu)兩構(gòu)態(tài)動(dòng)力學(xué)仿真及分析

王 鐵，王天舒

（沈陽(yáng)理工大學(xué)汽車與交通學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110159）

0 引言

隨著變胞機(jī)構(gòu)的不斷發(fā)展，對(duì)變胞機(jī)構(gòu)的研究已經(jīng)成為了機(jī)構(gòu)學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。同時(shí)對(duì)變胞機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)分析也越來(lái)越重要[1]。

本文根據(jù)擴(kuò)展Assur桿組的變胞機(jī)構(gòu)組成原理[2]，組成2自由度2環(huán)路變胞機(jī)構(gòu)，由三維建模軟件CATIA建立該機(jī)構(gòu)的三維模型，導(dǎo)入ADAMS中，對(duì)其中兩個(gè)構(gòu)態(tài)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，對(duì)比分析仿真結(jié)果，為對(duì)該機(jī)構(gòu)的進(jìn)一步的優(yōu)化做好準(zhǔn)備。

1 組成變胞機(jī)構(gòu)

本文應(yīng)用擴(kuò)展Assur桿組的變胞機(jī)構(gòu)組成法。組成由主動(dòng)件、RRP桿組和擴(kuò)展II級(jí)Assur桿組RPRP（圖1a-1c）構(gòu)成的2自由度2環(huán)路變胞源機(jī)構(gòu)如圖1 所示[2]。

圖12 自由度2環(huán)路變胞源機(jī)構(gòu)

在機(jī)構(gòu)中的擴(kuò)展Assur桿組上選不同構(gòu)件進(jìn)行合合并固結(jié)變胞。本文所述的2自由度2環(huán)路變胞源機(jī)構(gòu)的固結(jié)變胞構(gòu)型如圖2所示。其中構(gòu)態(tài)一與構(gòu)態(tài)二固結(jié)點(diǎn)相同，但固結(jié)構(gòu)件不同。構(gòu)態(tài)一為構(gòu)件4與機(jī)架固結(jié)，主要運(yùn)動(dòng)形式為構(gòu)件2的擺動(dòng)；構(gòu)態(tài)二為構(gòu)件3與構(gòu)件4固結(jié)，主要運(yùn)動(dòng)方式為構(gòu)件2的擺動(dòng)、構(gòu)件6的平移和構(gòu)件8的擺動(dòng)；構(gòu)態(tài)三為構(gòu)件4與構(gòu)件5固結(jié)，構(gòu)主要運(yùn)動(dòng)形式為件2的擺動(dòng)、構(gòu)件6的平移和構(gòu)件8的擺動(dòng)；構(gòu)態(tài)四為固件7在固結(jié)點(diǎn)固結(jié)，主要運(yùn)動(dòng)為構(gòu)件2的擺動(dòng)和構(gòu)件6的平移。

圖2 變胞機(jī)構(gòu)的固結(jié)構(gòu)型（各構(gòu)態(tài)）簡(jiǎn)圖

2 基于CATIA三維建模軟件建立變胞機(jī)構(gòu)的三維模型

對(duì)于一般的簡(jiǎn)單機(jī)構(gòu)模型來(lái)說(shuō)，可以直接利用ADAMS軟件的建模模塊進(jìn)行簡(jiǎn)單的模型建立，但對(duì)于構(gòu)件較多和構(gòu)件較復(fù)雜的模型來(lái)說(shuō)，應(yīng)該應(yīng)用三維建模軟件（例如CATIA、PRO/E、UG等）進(jìn)行模型的建立。本文應(yīng)用CATIA軟件，建立變胞機(jī)構(gòu)的三維模型。首先根據(jù)變胞源機(jī)構(gòu)的二維圖如圖1所示，應(yīng)用零件設(shè)計(jì)工作臺(tái)建立變胞源機(jī)構(gòu)各個(gè)零件的三維模型并保存。然后進(jìn)入裝配設(shè)計(jì)工作臺(tái)，依次插入現(xiàn)有部件（即之前保存過(guò)的零件），設(shè)置各零件之間的約束并保存，利用PRO/E打開(kāi)并保存為ADAMS軟件所需要的Parasolid格式，完成三維模型的建立如圖3所示[3]。

圖3 變胞機(jī)構(gòu)的三維模型

3 將三維模型導(dǎo)入ADAMS軟件并處理

將Parasolid格式的三維模型文件導(dǎo)入到ADAMS中。進(jìn)入界面后，首先設(shè)置重力為負(fù)的Y方向，用Modify命令定義各個(gè)構(gòu)件的質(zhì)量，按材料選擇，adams軟件會(huì)自動(dòng)生成所選的材料的密度，彈性模量。本文選擇材料均為鋼。然后在ADAMS中定義各個(gè)構(gòu)件間的運(yùn)動(dòng)副[4]。在ADAMS中有3類運(yùn)動(dòng)副，分別是基本副、高副和低副。根據(jù)2自由度2環(huán)路變胞機(jī)構(gòu)的基本運(yùn)動(dòng)情況添加運(yùn)動(dòng)副，各部件添加的運(yùn)動(dòng)副如表1所示。Adams中有柔性連接力、接觸力、特殊力和作用力共四種類型的力供選擇，而且可以用函數(shù)來(lái)描述一個(gè)力的大小。在對(duì)構(gòu)件添加作用力時(shí)，要確定力產(chǎn)生作用的點(diǎn)、大小和方向。本文在主動(dòng)件構(gòu)件1下方的轉(zhuǎn)動(dòng)中心joint1處添加大小為30 rad/s且逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的角速度。完成該機(jī)構(gòu)在ADAMS中的三維模型導(dǎo)入與處理工作。如圖4所示。

表1 各部件添加的運(yùn)動(dòng)副

圖4 ADAMS中添加運(yùn)動(dòng)副和驅(qū)動(dòng)力后的結(jié)構(gòu)模型

4 利用ADAMS進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真

該變胞機(jī)構(gòu)在c固結(jié)變胞構(gòu)態(tài)與d固結(jié)變胞構(gòu)態(tài)時(shí)三種運(yùn)動(dòng)方式都存在但運(yùn)動(dòng)的位移、速度、加速度的大小均有不同，所以本文選擇對(duì)以上兩種構(gòu)態(tài)進(jìn)行仿真，結(jié)合仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。仿真時(shí)間設(shè)為40 s，步長(zhǎng)為500.對(duì)c固結(jié)變胞進(jìn)行仿真時(shí)，在兩構(gòu)件連接點(diǎn)處添加固定副，然后進(jìn)行仿真。同理對(duì)d固結(jié)變胞進(jìn)行仿真時(shí)，在兩構(gòu)件連接點(diǎn)處添加固定副，然后進(jìn)行仿真[5]。

將同一構(gòu)件在不同構(gòu)態(tài)下的仿真輸出曲線放在同一坐標(biāo)下，仿真后的輸出響應(yīng)曲線如下圖：圖5為構(gòu)件2在c和d固結(jié)變胞構(gòu)態(tài)時(shí)的角速度、角加速度和動(dòng)能隨時(shí)間變化曲線，圖6為構(gòu)件6在c和d固結(jié)變胞構(gòu)態(tài)時(shí)的x方向的位移變化、速度和加速度曲線，圖7為構(gòu)件8在c和d固結(jié)變胞構(gòu)態(tài)時(shí)的角速度、角加速度和動(dòng)能隨時(shí)間變化曲線。

圖5 構(gòu)件2在c固結(jié)變胞構(gòu)態(tài)與d固結(jié)變胞構(gòu)態(tài)時(shí)的角速度、角加速度和動(dòng)能隨時(shí)間變化曲線

圖6 構(gòu)件6在c固結(jié)變胞構(gòu)態(tài)與d固結(jié)變胞構(gòu)態(tài)時(shí)的x方向的位移變化、速度和加速度曲線

圖7 構(gòu)件8在c固結(jié)變胞構(gòu)態(tài)與d固結(jié)變胞構(gòu)態(tài)時(shí)的角速度、角加速度和動(dòng)能隨時(shí)間變化曲線

通過(guò)分析仿真結(jié)果，得知：構(gòu)件2在c和d固結(jié)變胞構(gòu)態(tài)時(shí)的角速度、角加速度和動(dòng)能曲線完全重合，所以構(gòu)件2的擺動(dòng)在兩種構(gòu)態(tài)下沒(méi)有變化；構(gòu)件6在c固結(jié)變胞構(gòu)態(tài)時(shí)的平移范圍和平移速度大于d固結(jié)變胞構(gòu)態(tài)時(shí)，但動(dòng)能變化曲線沒(méi)有在d固結(jié)變胞構(gòu)態(tài)時(shí)平滑，運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性不如d固結(jié)變胞構(gòu)態(tài)；構(gòu)件8在c固結(jié)變胞構(gòu)態(tài)時(shí)的擺動(dòng)速度、擺動(dòng)加速度和動(dòng)能均大于c固結(jié)變胞構(gòu)態(tài)時(shí)，但兩個(gè)構(gòu)態(tài)下的擺動(dòng)角加速度均不穩(wěn)定。

5 結(jié)論

該變胞機(jī)構(gòu)在c固結(jié)變胞構(gòu)態(tài)時(shí)相對(duì)于d固結(jié)變胞構(gòu)態(tài)有更大的位移、速度、加速度和動(dòng)能，但d固結(jié)變胞構(gòu)態(tài)比c固結(jié)變胞構(gòu)態(tài)相對(duì)來(lái)說(shuō)更加穩(wěn)定。

通過(guò)CATIA建立變胞機(jī)構(gòu)的三維模型，導(dǎo)入ADAMS進(jìn)行變胞機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)仿真可以更有效的對(duì)比分析變胞機(jī)構(gòu)不同構(gòu)態(tài)的運(yùn)動(dòng)情況，提高工作效率，從而為進(jìn)一步的優(yōu)化奠定基礎(chǔ)。