結(jié)合數(shù)值模擬和應(yīng)力檢測(cè)的駕駛運(yùn)動(dòng)模擬器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

張潤(rùn)梅，段飛亞，陶余錢(qián)，田春會(huì)，劉濤

(1.安徽建筑大學(xué) 機(jī)械與電氣工程學(xué)院，安徽 合肥 230601；2.亳州新能源學(xué)校，安徽 亳州 236000)

0 引言

駕駛運(yùn)動(dòng)模擬器作為一種經(jīng)濟(jì)、安全且模擬性能極強(qiáng)的產(chǎn)品，可供駕校學(xué)前模擬，還可結(jié)合VR[1]設(shè)備提升虛擬賽車(chē)等游戲體驗(yàn)，具有廣闊的市場(chǎng)前景。傳統(tǒng)駕駛運(yùn)動(dòng)模擬器多為液壓、氣動(dòng)和電動(dòng)推桿驅(qū)動(dòng)[2]。如竺玉成等[3]研制出一款液壓控制的通用型運(yùn)動(dòng)模擬器，并自主開(kāi)發(fā)了配套游戲軟件。龔成等[4]研制的液壓控制動(dòng)感車(chē)架同樣屬于駕駛游戲模擬器。Hoon等[5]開(kāi)發(fā)了六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)懸浮平臺(tái)。目前國(guó)內(nèi)的駕駛運(yùn)動(dòng)模擬器普遍存在體積較大，對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)強(qiáng)度校核的描述較少等問(wèn)題，本文所設(shè)計(jì)的駕駛運(yùn)動(dòng)模擬器運(yùn)用四桿機(jī)構(gòu)基礎(chǔ)原理，控制自由度至兩個(gè)，從而減小占地空間，使得外觀上簡(jiǎn)潔、美觀。為驗(yàn)證結(jié)構(gòu)合理性，采用ANSYS有限元軟件開(kāi)展了靜力學(xué)和瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析，最后結(jié)合實(shí)測(cè)應(yīng)變應(yīng)力值，驗(yàn)證了仿真的有效性。

1 運(yùn)動(dòng)模擬器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 運(yùn)動(dòng)模擬器原理

為達(dá)到運(yùn)動(dòng)模擬器的駕駛效果，運(yùn)動(dòng)模擬器平臺(tái)至少需要兩個(gè)自由度[6]，分別為前后晃動(dòng)和左右搖擺。圖1為模擬器原理簡(jiǎn)圖。圖中模擬器配置一個(gè)底面和一個(gè)運(yùn)動(dòng)面。底面布置驅(qū)動(dòng)部件，如電機(jī)、控制板和穩(wěn)壓器等。運(yùn)動(dòng)面可根據(jù)客戶喜好設(shè)計(jì)為可更換座椅，并配備減震器、雙向滑動(dòng)自鎖導(dǎo)軌等。圖1中A點(diǎn)為載荷施加點(diǎn)，由臥式蝸輪蝸桿直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)凸緣施加力于兩連桿上。當(dāng)兩電機(jī)的轉(zhuǎn)速大小與方向相同時(shí)，傳遞到兩連接桿的力的大小、方向相同，運(yùn)動(dòng)面B會(huì)通過(guò)萬(wàn)向聯(lián)軸器C前后晃動(dòng)。當(dāng)兩電機(jī)轉(zhuǎn)速大小不同，方向相同時(shí)，運(yùn)動(dòng)面B產(chǎn)生左右晃動(dòng)。當(dāng)兩電機(jī)轉(zhuǎn)速大小、方向不同，運(yùn)動(dòng)面B產(chǎn)生隨機(jī)晃動(dòng)。

圖1 運(yùn)動(dòng)原理簡(jiǎn)圖

1.2 運(yùn)動(dòng)模擬器結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)軌跡推導(dǎo)

圖2所示為運(yùn)動(dòng)模擬器四桿機(jī)構(gòu)，已知AB為機(jī)架，BC為搖桿，CD為連桿，DEFM為連架桿。為求其運(yùn)動(dòng)軌跡，對(duì)各桿長(zhǎng)度及動(dòng)態(tài)角度進(jìn)行定義。如圖 2，l1，l2，l3，l4，l5，l6分別為機(jī)架AB，搖桿BC，連桿CD，連架桿DE，EF，F(xiàn)M的長(zhǎng)度，α為BC與負(fù)x軸的夾角，β1為AC與AD的夾角，β2為AC與x軸的夾角，γ1為AF與AC的夾角，γ2為AC與AB的夾角，γ為AF與AB的夾角，Φ為AF與AD的夾角，坐標(biāo)系原點(diǎn)在A點(diǎn)處。

由圖2幾何關(guān)系可計(jì)算C點(diǎn)的坐標(biāo)位置為：

β1為AC與AD的夾角，β2為AC與x軸的夾角，表達(dá)式如下：

式2中l(wèi)AC是由得到。聯(lián)立式(1)(2)可繼續(xù)推導(dǎo)D點(diǎn)的坐標(biāo)為：

γ1為AF與AC的夾角，γ2為AC與AB的夾角，γ為AF與AB的夾角，Φ為AF與AD的夾角，由：

得到AF與AB的夾角γ，進(jìn)而可推導(dǎo)出點(diǎn)F運(yùn)動(dòng)軌跡為：

(具體尺寸計(jì)算較為復(fù)雜，其最終結(jié)果是根據(jù)推導(dǎo)的運(yùn)動(dòng)軌跡及一個(gè)四桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)運(yùn)行軟件得出，如圖3。

圖3

2 運(yùn)動(dòng)模擬器的建模與仿真

2.1 三維模型的建立

前述運(yùn)動(dòng)模擬器由底盤(pán)、前端支架、驅(qū)動(dòng)單元、座椅模塊及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等組成。其中底盤(pán)由底架、電氣元件蓋板、控制板等單元構(gòu)成；前端支架由方向盤(pán)支架、擋位托盤(pán)、油門(mén)剎車(chē)踏板等構(gòu)成；驅(qū)動(dòng)單元由蝸輪蝸桿直流電機(jī)和凸緣等構(gòu)成；座椅模塊由座椅、雙導(dǎo)軌自鎖滑塊和座椅支架等構(gòu)成；傳動(dòng)機(jī)構(gòu)由球頭連接桿、座椅連桿和十字聯(lián)軸器等構(gòu)成。繪制得到運(yùn)動(dòng)模擬器三維模型如圖4所示。

圖4 運(yùn)動(dòng)模擬器三維模型

2.2 設(shè)定邊界條件

將三維模型導(dǎo)入ANSYS Workbench[7-8]中，將以上部件以表1內(nèi)容定義在有限元中。將底架與地面之間為始終固定，加載Fixed Suppor固定約束；在凸緣與電機(jī)之間加載Cylindrical Support圓柱面約束，；球頭連接桿兩端的球頭內(nèi)部用Fixed Rotation轉(zhuǎn)動(dòng)約束；同樣的還有十字聯(lián)軸器是圓柱面約束，兩個(gè)電機(jī)成對(duì)稱(chēng)約束等。

表1 有限元單元材料設(shè)置特性表

最后加載外力(人體重力設(shè)定為600 N)。在游戲座椅上，該力可分解為垂直和水平兩個(gè)方向。最終建立ANSYS仿真模型如圖5。

2.3 網(wǎng)格劃分

為更方便快捷地劃分網(wǎng)格，總體結(jié)構(gòu)采用自由網(wǎng)格，考慮計(jì)算的精確性，部分關(guān)鍵零部件采用手動(dòng)劃分網(wǎng)格，如十字聯(lián)軸器擋板、凸緣零件的網(wǎng)格單元選取為2 mm等。圖6為駕駛運(yùn)動(dòng)模擬器網(wǎng)格劃分圖，檢測(cè)劃分結(jié)果，整體和各部分網(wǎng)格疏密度合理，網(wǎng)格質(zhì)量符合要求。

圖5 有限元分析模型

2.4 仿真結(jié)果

根據(jù)上述有限元模型，進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算，得到應(yīng)力云圖。由圖7(a)、圖7(b)為運(yùn)動(dòng)模擬器靜態(tài)分析結(jié)果，圖中可見(jiàn)整個(gè)模擬器應(yīng)力集中在十字聯(lián)軸器附近，最大靜態(tài)應(yīng)力為36.383 Mpa，兩連接桿也存在較大應(yīng)力，且桿中間應(yīng)力值最大；圖7(c)、圖7(d)為運(yùn)動(dòng)模擬器動(dòng)態(tài)分析結(jié)果，其載荷為時(shí)變載荷，加載歷時(shí)3秒，由600 N遞增至1500 N，在600～1500 N載荷變化下，其高應(yīng)力區(qū)域逐漸擴(kuò)大，應(yīng)力值呈逐步增加趨勢(shì)，由圖7(c)可知起始狀態(tài)下應(yīng)力值最小為15.117 Mpa，圖7(d)為加載載荷第三秒，載荷達(dá)極限1500 N時(shí)，應(yīng)力值達(dá)最大值45.372 Mpa。仿真得到的應(yīng)變應(yīng)力結(jié)果均在材料許用范圍內(nèi)，因此該結(jié)構(gòu)強(qiáng)度安全可靠。

3 應(yīng)力檢測(cè)模型實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)儀器與準(zhǔn)備

為驗(yàn)證仿真的有效性，本文采用電測(cè)法對(duì)運(yùn)動(dòng)模擬器進(jìn)行應(yīng)力檢測(cè)。選用DH3818靜態(tài)應(yīng)變儀和TST3406動(dòng)態(tài)測(cè)試分析儀，將應(yīng)變片通過(guò)導(dǎo)線按照對(duì)臂半橋方式與應(yīng)變儀連接，搭建實(shí)時(shí)應(yīng)力檢測(cè)平臺(tái)。

結(jié)合圖7仿真分析結(jié)果，將應(yīng)變片定位在十字聯(lián)軸器的連接桿上，其中下端為工位1，上端為工位2，應(yīng)變片具體定位如圖8。

圖6 網(wǎng)格劃分

圖7 有限元分析云圖

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為保證與仿真條件相同，實(shí)驗(yàn)加載600 N的力于模型上。當(dāng)力保持穩(wěn)定后，DH3818上直接進(jìn)行應(yīng)力顯示。采集工位1和工位2對(duì)應(yīng)的通道數(shù)據(jù)，將其整理如表2、表3(誤差為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與去靜態(tài)仿真數(shù)據(jù)的差值除以實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到)。

在靜力學(xué)實(shí)驗(yàn)中，得出實(shí)驗(yàn)與靜態(tài)仿真的誤差均小于5%，可認(rèn)為兩個(gè)工位對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值與仿真值一致，驗(yàn)證了靜態(tài)仿真的有效性。

為檢測(cè)瞬態(tài)載荷對(duì)運(yùn)動(dòng)模擬器的影響，實(shí)驗(yàn)時(shí)采用恒定600 N加載，并測(cè)量計(jì)算瞬間卸載后的應(yīng)力應(yīng)變。圖9為兩個(gè)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)的時(shí)間—應(yīng)變歷程圖。

圖8 應(yīng)力檢測(cè)實(shí)驗(yàn)

表2 工位1應(yīng)變與靜態(tài)仿真應(yīng)變計(jì)算結(jié)果對(duì)照表(應(yīng)變：mm/mm)

表3 工位2應(yīng)變與靜態(tài)仿真應(yīng)變計(jì)算結(jié)果對(duì)照表(應(yīng)變：mm/mm)

對(duì)比動(dòng)態(tài)仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如表4(誤差為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與去靜態(tài)仿真數(shù)據(jù)的差值除以實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到)，可見(jiàn)在相同環(huán)境下，動(dòng)態(tài)仿真數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差在5%以內(nèi)，驗(yàn)證了動(dòng)態(tài)仿真的有效性。并校核了整個(gè)運(yùn)動(dòng)模擬器的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

表4 實(shí)驗(yàn)應(yīng)變與動(dòng)態(tài)仿真應(yīng)變計(jì)算結(jié)果對(duì)照表(應(yīng)變：mm/mm，誤差：%)

4 總結(jié)

根據(jù)游戲駕駛的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)特性，設(shè)計(jì)了一款模擬游戲駕駛運(yùn)動(dòng)的模擬器，對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了靜力學(xué)仿真和部分瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)仿真，仿真得到的應(yīng)變應(yīng)力結(jié)果均在許用范圍內(nèi)。通過(guò)模型實(shí)驗(yàn)進(jìn)行應(yīng)力檢測(cè)，將仿真值與實(shí)測(cè)值對(duì)比，其誤差在5%以內(nèi)，驗(yàn)證了仿真的有效性。本文方法及結(jié)論可對(duì)后續(xù)運(yùn)動(dòng)模擬器的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)提供技術(shù)支持。

圖9 動(dòng)態(tài)應(yīng)變曲線圖