虛擬樣機技術(shù)在機械設(shè)計中的應用

趙永燕,李 玲

(新鄉(xiāng)職業(yè)技術(shù)學院,河南 新鄉(xiāng) 453000)

0 引言

計算機技術(shù)是提高機械設(shè)計的重要基礎(chǔ),各項計算機模擬技術(shù)及仿真技術(shù)對于提高機械生產(chǎn)效率具有重要意義。早在1994年,Prett提出一種“VP”概念,主要是指利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)(Virtual reality,VR)和其他信息技術(shù)聯(lián)合建立的機械產(chǎn)品數(shù)字模型,在機械產(chǎn)品設(shè)計的不同階段定量分析產(chǎn)品與用戶之間的交互仿真?；谔摂M樣機技術(shù)可以為機械設(shè)計人員創(chuàng)造更加真實的模擬環(huán)境,在機械設(shè)計樣機制造前,機械設(shè)計人員或相關(guān)用戶基于計算機仿真系統(tǒng)建立機械產(chǎn)品數(shù)字模型,通過模擬真實環(huán)境下機械產(chǎn)品各項工作特性,不斷優(yōu)化和修改設(shè)計方案,可以極大地提高機械設(shè)計效率,保證機械產(chǎn)品的設(shè)計可靠性。目前,虛擬樣機技術(shù)在工業(yè)、醫(yī)療、軍事和教育等多個工程領(lǐng)域得到了廣泛的應用與發(fā)展,減少機械設(shè)計缺陷[1-3]。

為了進一步擴大虛擬樣機技術(shù)在機械設(shè)計中的應用與發(fā)展,本研究以聯(lián)合收獲機切割器和玉米秸稈切割臺的運用為例子,系統(tǒng)論述軟件操作過程與步驟,可以為相關(guān)人員的學習提供參考與借鑒。

1 ADAMS軟件發(fā)展概述

ADAMS(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems)是機械設(shè)計中重要的仿真軟件,在機械設(shè)計與工程發(fā)展中。ADAMS軟件可以進行自動輸出位移、運行速度、加速度和作用力等條件,為機械產(chǎn)品的機械動力性能進行仿真分析,并且支持大多數(shù)的CAD、FLEX及控制軟件之間的雙向通信[4-5]。

1.1 核心模塊

1.1.1 ADAMS/View

ADAMS/View是ADAMS軟件的交互式圖形環(huán)境,采用簡單的分級方式完成建模工作,其運行結(jié)果一般采用直觀、形象的方式描述機械產(chǎn)品的力學性能,如曲線圖或者動畫等。

1.1.2 ADAMS/Solver

ADAMS/Solver是ADAMS軟件的核心部件，可以提供機械產(chǎn)品的靜力學、動力學運算結(jié)果，精確地輸出位移、速度、加速度和力，操作人員可以通過運動副、隨機運動和自定義程序等添加物體約束。

1.1.3 ADAMS/Flex

ADAMS/Flex屬于ADAMS軟件中的集成可選模塊,是ADAMS和Flex軟件之間的雙向通訊與信息交互利用模態(tài)頻率生成柔性體的ADAMS模型,支持ANSYS、MSC/NAS-TRAN和I-DEAS的中性文件格式。

1.1.4 ADAMS/Car

ADAMS/Car可以為操作人員提供精確的汽車虛擬樣機能力,主要包括懸架、傳動系統(tǒng)、發(fā)動機、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、ABS系統(tǒng)等,操作人員可以模擬車輛在各種道路條件上運行,模擬汽車駕駛的操作穩(wěn)定性、舒適性、安全性等各項性能。

1.1.5 ADAMS/Tire

ADAMS/Tire可以研究車輛輪胎與道路之間的相互作用關(guān)系,精確地計算側(cè)向力、自動回正力和由于路面不穩(wěn)產(chǎn)生的障礙力等,模擬車輛在制動、轉(zhuǎn)向和滑行狀態(tài)下的車輛動力學特性。

另外,ADAMS軟件還包括Linear(線性分析模塊)、Exchange(圖形接口模塊)、Controls(控制模塊)、MECHNISM/Pro(機構(gòu)分析模塊)等[6]。

1.2 應用特點

ADAMS軟件具有以下特點:

1)ADAMS軟件具有先進的機械產(chǎn)品數(shù)值分析、計算和求解能力。

2)ADAMS軟件可以開展機械產(chǎn)品動力學分析、靜力學分析和運動學分析等,兼具二維和三維建模能力。

3)具有裝配、分析和動態(tài)顯示不同機械設(shè)計模型或者同一機械設(shè)計模型的變化過程或者運動情況。

4)具有開放式運行結(jié)構(gòu),允許用戶集成自己的子程序,擁有強大的函數(shù)庫。

5)ADAMS提供了多種建模和仿真工具,可以靈活地創(chuàng)建各種機械系統(tǒng)的模型,同時能與其他軟件進行接口,實現(xiàn)多種數(shù)據(jù)交換和共享[7]。

6)ADAMS軟件采用全局定位圖識別過約束系統(tǒng),整體功能更加強大,運行精度更高,機械產(chǎn)品的表面接觸功能可以通過自動檢測接觸是否發(fā)生并作出響應。

2 谷物聯(lián)合收獲機切割機構(gòu)仿真

2.1 切割器運動分析

目前,谷物聯(lián)合收獲機主要采用往復式切割器實現(xiàn)谷物收獲,具有結(jié)構(gòu)簡單、工作效率高和不需要高的切割速度等應用優(yōu)勢,在往復式切割器中,割刀速度直接影響谷物切割質(zhì)量,因此,需要對割刀進行動力學分析,掌握相關(guān)變化規(guī)律。

驅(qū)動割刀主要包括連桿機構(gòu)和擺環(huán)機構(gòu)等。本研究以擺環(huán)機構(gòu)進行運動分析,機構(gòu)簡圖如圖1所示。擺環(huán)機構(gòu)是將傳動半軸的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為擺臂的往復運動進行割刀驅(qū)動。

1.刀頭;2.連桿;3.擺臂;4.擺叉軸;5.擺環(huán);6.傳動半軸圖1 擺環(huán)機構(gòu)運動簡圖

2.2 切割器的建模與仿真

在仿真前,應建立割刀仿真模型,根據(jù)仿真結(jié)果確定割刀是否符合設(shè)計要求,在建模過程中,首先選擇建模環(huán)境,主要包括構(gòu)件長度、網(wǎng)格間距等,創(chuàng)建各個設(shè)計點如表1所示。

表1 切割器各設(shè)計點的坐標值

然后在ADAMS/View中調(diào)用建模實體Link建立切割器實體,再進行相關(guān)約束,其中擺環(huán)機構(gòu)用萬向節(jié)表示,最后給定曲柄轉(zhuǎn)速,設(shè)定擺臂長度為152 mm,連桿長度為95 mm,擺環(huán)夾角為300°,擺環(huán)主軸轉(zhuǎn)速為495 r·min-1。

利用ADAMS軟件求解割刀運動參數(shù),在割刀運動過程中,可以測定割刀位移、速度和加速度。

3 玉米秸稈切割調(diào)質(zhì)剛?cè)峤佑|仿真

玉米秸稈是重要的生物質(zhì)資源之一,但是目前我國關(guān)于秸稈資源化利用尚未形成完善的體系,主要是由于玉米摘穗時期秸稈含水率較高,一般在70%～80%,進行秸稈曬干耗時較長,另一方面是由于玉米秸稈較為堅硬,難以進行打捆。針對以上問題,提出了玉米秸稈切割調(diào)質(zhì)處理,促進玉米秸稈破節(jié)、裂皮,并且加速秸稈的水分蒸發(fā),改變玉米秸稈的物理狀態(tài),最終實現(xiàn)玉米秸稈的高密度打捆作業(yè)要求,為玉米秸稈資源化利用提供基礎(chǔ)。玉米秸稈切割調(diào)質(zhì)裝置安裝在玉米摘穗臺底部,與摘穗臺共同構(gòu)成玉米收獲雙層平臺。

3.1 玉米秸稈切割調(diào)質(zhì)臺數(shù)字樣機

玉米秸稈切割調(diào)質(zhì)臺主要包括切割裝置、輸送裝置、機架和調(diào)質(zhì)裝置4個部分。首先在SolidWorks中建立系統(tǒng)模型,對各個關(guān)鍵部件進行裝配,設(shè)置好不同部件之間的配合關(guān)系。

3.2 玉米秸稈切割調(diào)質(zhì)臺數(shù)字樣機導入仿真平臺

本研究選取Recurdyn V7R1作為仿真平臺。首先將3.1實體模型在SolidWorks裝配格式轉(zhuǎn)換成Recurdyn可以處理的文件格式,借助中間文件導入,如Parasolid。為了減少運動分析量,在不影響模型性能的前提下,去掉軸頭、軸套、加強板等輔助零件,簡化后導入Recurdyn環(huán)境。

3.3 玉米秸稈切割調(diào)質(zhì)臺數(shù)字樣機運動仿真研究

數(shù)字樣機定義結(jié)束后,進行空載運動仿真分析,測試相關(guān)運動參數(shù),點擊動態(tài)仿真(下拉菜單Analysis中的Dynamic/Kinematic按鈕),彈出設(shè)置窗口,設(shè)置End time為0.5 s,Step為50,最后點擊Simulate按鈕開始計算,錄制相關(guān)運動動畫后進行分析,并通過繪圖按鈕(下拉菜單Post里的Plot按鈕)繪制關(guān)鍵部件的位移曲線、速度曲線、加速度曲線等。

4 虛擬樣機技術(shù)在機械設(shè)計中的發(fā)展趨勢

虛擬樣機技術(shù)在機械設(shè)計中的應用發(fā)展趨勢主要圍繞以下幾個方面開展:

1)模擬仿真技術(shù)將更加成熟。隨著計算機技術(shù)和仿真技術(shù)的不斷發(fā)展,模擬仿真技術(shù)將越來越成熟和精確。這將使虛擬樣機技術(shù)在機械設(shè)計中的應用更加廣泛。

2)多學科融合。虛擬樣機技術(shù)在機械設(shè)計中的應用將與多學科融合,例如材料科學、電子技術(shù)和控制技術(shù)等。這將使機械設(shè)計更加全面和高效。

3)可視化技術(shù)將變得更加先進。隨著可視化技術(shù)的不斷發(fā)展,虛擬樣機技術(shù)在機械設(shè)計中的應用將變得更加真實和生動。這將使機械設(shè)計人員能更好地理解機械系統(tǒng)的運作。

4)智能化設(shè)計。虛擬樣機技術(shù)將越來越智能化,例如采用人工智能技術(shù)對設(shè)計進行優(yōu)化和改進。這將使機械設(shè)計更加高效和準確。

5)云計算技術(shù)的應用。隨著云計算技術(shù)的不斷發(fā)展,虛擬樣機技術(shù)在機械設(shè)計中的應用將更加便捷和高效。設(shè)計人員可以隨時隨地訪問虛擬樣機,并進行設(shè)計和仿真分析。

5 結(jié)論

本研究系統(tǒng)論述了虛擬樣機技術(shù)在機械設(shè)計中的應用,主要得到以下結(jié)論。

1)ADAMS是機械設(shè)計中重要的計算機模擬仿真軟件,可以通過對機械產(chǎn)品的運動性能和各項功能進行仿真分析,為機械產(chǎn)品的優(yōu)化提供多種設(shè)計方案,并且具有強大的運算功能與分析庫。

2)以谷物聯(lián)合收獲機切割機構(gòu)和玉米秸稈切割調(diào)質(zhì)剛?cè)峤佑|仿真進行運動分析、建模與仿真,系統(tǒng)論述相關(guān)工作步驟與過程。