基于ADAMS的熱壓罐啟門機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

高景秋，劉 波，陳 柯

（航空工業(yè)成都飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，成都 610092）

0 引言

熱壓罐設(shè)備主要用于大型航空復(fù)合材料的固化成型。如圖1所示，罐體通常為臥式結(jié)構(gòu)，罐門位于罐體一側(cè)，風(fēng)機(jī)布置在另一側(cè)，電阻用于罐體升溫，罐體內(nèi)側(cè)分為保溫層與風(fēng)道層，用于加熱過程中保溫和風(fēng)循環(huán)。罐體配接有冷卻水、氮?dú)?、真空管路用于滿足工藝要求。如圖2所示，常見的熱壓罐啟門機(jī)構(gòu)分為側(cè)開式和連桿式[1,2]，其中側(cè)開式機(jī)構(gòu)占地面積較大，多用于1米罐、6米罐等中小型熱壓罐，連桿式機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)緊湊，多用于13米、15米等大型熱壓罐。

圖1 常見熱壓罐結(jié)構(gòu)

圖2 連桿式啟門機(jī)構(gòu)

圖3 罐門運(yùn)動(dòng)軌跡

連桿式罐門機(jī)構(gòu)由位于頂部的啟門機(jī)構(gòu)和位于罐門中部的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)組成。如圖4所示，罐門與門框采用嚙合式快開機(jī)構(gòu)，門框與罐體固定為一體，罐門可繞中心點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，開啟罐門時(shí)，首先由電機(jī)帶動(dòng)渦輪蝸桿減速器，驅(qū)動(dòng)罐門旋轉(zhuǎn)，當(dāng)罐門與門框嚙合處脫開后，啟門機(jī)構(gòu)開始動(dòng)作，電機(jī)經(jīng)減速后驅(qū)動(dòng)底部的大齒盤，帶動(dòng)連桿機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)從而打開罐門。從結(jié)構(gòu)本身的特點(diǎn)即可看出連桿式啟門機(jī)構(gòu)對(duì)于各連桿尺寸精度要求較高，連桿尺寸的變化將導(dǎo)致罐門姿態(tài)的變化，使罐門嚙合變得困難，同時(shí)罐門開啟過程中不同位置的姿態(tài)也確定了設(shè)備占地面積的大小，這些都是設(shè)計(jì)連桿尺寸時(shí)需要慎重考慮的因素。

圖4 齒嚙合式快開機(jī)構(gòu)

1 作圖法初步確定連桿機(jī)構(gòu)尺寸

罐門要求在開啟前與門框盡量平行以便于旋轉(zhuǎn)嚙合鎖緊[3,4]，在開啟過程中軌跡所占空間要盡可能小，即旋轉(zhuǎn)臂旋轉(zhuǎn)90°時(shí)，罐門與門框平面應(yīng)當(dāng)平行。當(dāng)旋轉(zhuǎn)臂旋轉(zhuǎn)180°時(shí)，罐門應(yīng)完全打開，且罐門與罐體長(zhǎng)度方向平行。由給定連桿的三個(gè)位置可以確定鉸鏈中心，從而確定各連桿初始尺寸，為接下來的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

圖5 圖解法求解連桿尺寸

如圖5所示，不妨取開門機(jī)構(gòu)連桿BC長(zhǎng)180mm，連架桿AB約為罐門直徑的1/2，取1000mm，連桿BC與罐門機(jī)構(gòu)初始夾角35°，因罐門與連桿固定在一起，運(yùn)動(dòng)過程中此角度始終保持不變，由前述罐門位置確定連桿BC的位置B1C1、B2C2、B3C3，分別作弦線的垂線b12、b23、c12、c23即可找出機(jī)架固定點(diǎn)A、D，初步確定機(jī)構(gòu)各連桿尺寸AD=177mm，CD=1022mm。

2 罐門機(jī)構(gòu)的優(yōu)化數(shù)學(xué)模型

2.1 選取設(shè)計(jì)變量

罐門機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)臂與門框平行時(shí)為初始狀態(tài)[5,8]，在初始狀態(tài)下選取AB的桿長(zhǎng)l1，C點(diǎn)坐標(biāo)（x1，y1），D點(diǎn)坐標(biāo)（x2，y2）作為設(shè)計(jì)變量，當(dāng)上述設(shè)計(jì)變量取值變化時(shí)，罐門機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)也會(huì)發(fā)生確定的變化，這5個(gè)變量是相互獨(dú)立的，以列向量表示：

2.2 建立目標(biāo)函數(shù)

大型熱壓罐的安裝要求占地面積盡可能小，這就需要在驅(qū)動(dòng)連架桿運(yùn)動(dòng)時(shí)，在0°～90°范圍內(nèi)，罐門應(yīng)盡可能貼近門框且保持平行狀態(tài)，在90°～180°運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)，罐門與門框盡量呈垂直狀態(tài)，同時(shí)罐門的空間極限位置要盡可能小。將上述2個(gè)目標(biāo)條件綜合為一個(gè)單目標(biāo)函數(shù)，其中第一個(gè)目標(biāo)可分為兩段進(jìn)行，首先測(cè)量0°～90°時(shí)罐門兩端E、F點(diǎn)的y向位移差Y_Disp，若罐門完全平行則位移差為0，可以將位移差的平均值最小作為目標(biāo)函數(shù)，同理測(cè)量90°～180°時(shí)罐門兩端E、F點(diǎn)的x向位移差X_Disp，即：

式中k即設(shè)置的仿真步數(shù)，第二個(gè)目標(biāo)可測(cè)量罐門左側(cè)端點(diǎn)位置，要求其在運(yùn)動(dòng)過程中的位移最小，用以保證最小的極限位置尺寸。

取上述三個(gè)目標(biāo)函數(shù)的和作為唯一目標(biāo)函數(shù)。即：

式中α，β，γ∈（0，1）為各優(yōu)化目標(biāo)所占權(quán)重比，優(yōu)化時(shí)可調(diào)節(jié)權(quán)重值來滿足不同要求。

2.3 確定約束條件

2.3.1 考慮傳動(dòng)特性

圖解法所設(shè)計(jì)的連桿機(jī)構(gòu)只考慮了連桿的位置，并未考慮到力學(xué)傳遞特性問題，為保證良好的傳遞特性，要求連桿BC與CD之間的夾角（傳動(dòng)角）的值40°≤γ≤140°，其中γ在γmin和γmax時(shí)分別取得最小值和最大值。

2.3.2 考慮現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況及桿長(zhǎng)要求

由于常用軸承的尺寸、加工條件等限制，旋轉(zhuǎn)支撐筒體直徑不能太大。機(jī)架鉸接點(diǎn)A、D距離通常不超過250mm，為減輕罐門機(jī)構(gòu)整體慣量，三角機(jī)架尺寸應(yīng)盡可能小。由作圖法可看出連桿尺寸AB與CD接近、BC與AD接近，其中AB尺寸必須大于罐體半徑尺寸，否則罐門將與罐體發(fā)生碰撞。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，各桿長(zhǎng)應(yīng)滿足的約束條件按ADAMS規(guī)定格式書寫如下：

綜上所述，罐門機(jī)構(gòu)優(yōu)化仿真的數(shù)學(xué)模型為：

3 罐門機(jī)構(gòu)的ADAMS優(yōu)化設(shè)計(jì)與仿真

3.1 建立動(dòng)力學(xué)仿真參數(shù)模型

根據(jù)作圖法得出的連桿機(jī)構(gòu)尺寸建立仿真模型，因?yàn)樵贏DAMS/View中直接建立確定尺寸連桿模型較為困難，采用在AutoCAD中進(jìn)行連桿機(jī)構(gòu)的繪制，轉(zhuǎn)化為dwg格式導(dǎo)入，此種方法需保證原點(diǎn)重合，Part Name選擇ground，用Link單元模擬連桿，建立上述設(shè)計(jì)變量，在Table Editor中對(duì)點(diǎn)A、B、C、D進(jìn)行參數(shù)化，設(shè)置運(yùn)動(dòng)副為旋轉(zhuǎn)副，設(shè)置AB為主動(dòng)桿，驅(qū)動(dòng)設(shè)置為-30d*time，用EF模擬罐門，EF與連桿BC固接，建立參數(shù)模型如圖6所示。

圖6 運(yùn)動(dòng)仿真模型

3.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)與仿真

進(jìn)入Function Builder模塊，通過DM()函數(shù)獲取各連桿長(zhǎng)度值，建立尺寸約束函數(shù)，用Measures工具測(cè)量角度值∠BCD，建立有關(guān)角度的約束函數(shù)，分別測(cè)量罐門左右端點(diǎn)E、F的X向位移差、Y向位移差、X向極限位移值用于建立目標(biāo)函數(shù)，在Design Evaluation模塊中對(duì)約束及目標(biāo)函數(shù)分別進(jìn)行設(shè)置，設(shè)置完成即可對(duì)目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化迭代。

默認(rèn)取值范圍為初始值的±10%，因?yàn)樵撍臈U機(jī)構(gòu)不一定含有曲柄，約束條件中也未對(duì)曲柄存在條件進(jìn)行數(shù)學(xué)說明，機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)時(shí)只要主動(dòng)連架桿能運(yùn)動(dòng)180°即可，這樣在變量取值范圍內(nèi)可能出現(xiàn)干涉情況，優(yōu)化不能成功進(jìn)行，此時(shí)可通過調(diào)節(jié)變量取值范圍和權(quán)重系數(shù)重新進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化結(jié)束后可將變量設(shè)置回初始值，重復(fù)優(yōu)化過程以期獲得理論最優(yōu)解。

表1 優(yōu)化前后數(shù)據(jù)值 (mm)

圖7 優(yōu)化前后罐門左端點(diǎn)位移及連桿BC角速度

圖8 優(yōu)化前后罐門左右端點(diǎn)X，Y向位移差

如圖7、圖8所示，優(yōu)化完成后罐門左端點(diǎn)極限位移減小，罐門旋轉(zhuǎn)速度曲線也更為平滑，優(yōu)化前6S時(shí)Y向位移差為974.7mm，優(yōu)化后Y向位移差為996.23（此值越接近罐門設(shè)計(jì)半徑尺寸1000mm，代表罐門與罐體越平行，設(shè)備所占空間越?。?，優(yōu)化前后的0～3s時(shí)間段內(nèi)，X向位移基本保持為0，但6s時(shí)優(yōu)化前X位移值為-233.2mm，優(yōu)化后此值變?yōu)?86.6mm，表示罐門在0～90°運(yùn)動(dòng)時(shí)與門框位置基本平行，運(yùn)動(dòng)至180°位置時(shí)，罐門幾乎與罐體相平行，相比于優(yōu)化前，啟門機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)性能得到了改善和提高，占用場(chǎng)地面積也有效減小，滿足了預(yù)期設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過對(duì)熱壓罐罐門啟閉過程中的位置要求進(jìn)行分析，先用圖解法設(shè)計(jì)出了連桿機(jī)構(gòu)的初始尺寸，并通過ADAMS/View建立了動(dòng)力學(xué)仿真參數(shù)模型，利用ADAMS的Design Evaluation模塊對(duì)初始尺寸進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)及仿真，最終得出的數(shù)據(jù)表格及運(yùn)動(dòng)曲線表明：根據(jù)以上方法優(yōu)化后的啟門機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特性更好，占用場(chǎng)地空間減小，達(dá)到了預(yù)期目的，這種方法也可推廣用于其他有位置要求的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)任務(wù)中。