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轮胎活络模具的运动仿真 |
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作者：广东巨轮模具股份有限公司 孟超 来源：汽车制造业 |
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轮胎活络模具（以下简称“活络模具”）技术含量高，结构复杂，零部件较多，体积大、重量重，而且精度要求高，再加上因轮胎硫化工艺及过程复杂而难以在模具厂实施试模等因素制约，很容易出现设计缺陷不能被及时发现的情况，造成模具结构运动时发生干涉，严重时会使模具报废，因此，非常有必要对活络模具进行三维运动仿真。
三维运动仿真技术具有经济、安全、实验周期短等特点，通过活络模具机构的三维运动仿真模拟其开模及合模运动过程，可以实时地检查出零部件之间的干涉，从而可以直观地看到整个活络模具的运动过程，同时也可以分析其运动的极限位置、空间运动位置、运动参数以及轨迹包络等内容。这样，设计人员在轮胎厂试模之前就可以提前对可能出现的问题做出精确的预测，改进和优化设计，为活络模具的合理设计提供科学依据。
活络模具的运动特点
与大多数其他类型的模具一样，活络模具一般也由动模和定模两部分组成，在轮胎模具行业，我们称之为“上模”和“下模”，具体结构见图1。上模包括上盖、中模套、滑块、上侧板、花纹块及导向机构等，安装在硫化机的移动模板上，在轮胎硫化成型过程中，它随硫化机上的合模系统运动。下模包括底座、下侧板等，安装在硫化机的固定模板上。硫化成型时，上模和下模闭合，胶囊充气张开构成封闭的型腔，事先缠绕成型的胎坯套在胶囊外面，在胶囊的张力作用下贴合在型腔内壁，高温保压进行硫化。硫化成型后开模，上模与下模分离，然后由硫化机的机械手取出轮胎制品。
图1 活络模具的结构
在轮胎生产过程中，活络模具的运动形式相对简单，其开模及合模均沿同一方向作直线运动，活络机构沿径向作直线运动。
合模时，在硫化机的动力作用下，合模力通过中模套的斜面施压于滑块的斜面，形成滑块移动的动力，在中模套的导向斜面及装在滑块上导向条的导向下，滑块进行径向滑动，从而带动装在滑块上的花纹块合拢，完全合拢后，中模套内圆锥面与滑块的外圆锥面达到轻微的线性接触状态，既不会有过量的导向度，还可以保证一定的热传递效果。
开模时，在硫化机的带动下，中模套与上盖向上运动，由于滑块与花纹块有自重，在中模套斜平面及导向条的导向下开始下滑，同时向外张开直至最终脱胎。
通过上面的分析可以看出，活络模具在运动的过程中，一部分零部件固定不动，另一部分零件随着硫化机的上模板移动一段距离X，而滑块及花纹块在移动的同时，在导向机构的作用下，则沿径向移动一段距离Y，X、Y 统称为“活络模具的开模行程”，其余的零部件移动的距离小于开模行程。
三维运动仿真
1. 运动仿真原理
运动仿真的内容主要包括：静力学（Static）分析、运动学（Kinematic）分析和动力学（Dynamic）分析。当系统或机构受到静载荷时，确定在运动副制约下的系统平衡位置以及运动副静反力的问题，属静力学内容；在不考虑系统运动起因的情况下研究各部件的位置与姿态及其变化速度与加速度的关系，属运动学内容；而讨论载荷与系统的关系则属动力学内容。
笔者采用UG NX3.0作为仿真平台，通过Modeling功能设计并建立活络模具的三维实体模型，然后利用Motion（运动仿真）功能建立运动仿真模型。UG/Motion模块集成了Mechanical Dynamics 公司（MDI）的ADAMS/Kinematics 解算器，这个嵌入式软件代码是求解运动分析方案所用的处理器，可实现对任何二维、三维机构或系统进行复杂的静力学分析、运动学分析、动力学分析及设计仿真。
我们的仿真运算过程如下：
（1）前处理器：创建运动分析方案是分析过程的前处理（Pre-Processing）阶段，利用这些分析方案得到的信息生成内部的ADAMS输入数据文件，再传送到ADAMS 解算器；
（2）求解过程（Processing）： ADMAMS解算器处理输入数据，确定递交分析方案的解，并生成内部的ADAMS输出数据文件，再传送到运动分析模块中；
（3）后处理（Post-Processing）： Motion模块解释ADAMS的输出数据文件，并转换成动画、图表及报表文件。
2. 运动仿真过程
我们基于UG NX3.0软件平台来实现活络模具的运动仿真。在此之前，我们必须先在UG NX3.0软件平台下建立活络模具的三维造型，图2是其中几个主要零部件的三维造型。
图2 活络模具主要零部件的三维造型
运动仿真实现的步骤一般包括如下几步：
（1）建立运动场景
运动场景（Scenario）是整个运动仿真过程的入口，是运动模型的载体，运动模型的全部数据都存储在运动场景之中。建立运动场景后，可对三维实体模型设置各种运动参数，然后对由这些运动参数所构建的运动模型进行运动仿真。
要建立运动场景，先要打开UG/Motion（运动仿真）的主界面。在UG的主界面中选择菜单命令Application→Motion进入运动仿真界面，之后，在右侧导航栏中选择Scenario Navigator（场景导航），系统将会自动打开运动场景导航窗口。
在模型的右键快捷菜单中选择New Scenario菜单项，建立一个新的运动场景，默认名称为Scenario_1，类型为Motion，运动仿真环境为静态动力学仿真（Static & Dynamics），该信息将显示在运动场景导航窗口中，并且运动仿真各工具栏项将变为可操作的状态。
运动场景建立后便可以对三维实体模型设置各种运动参数了。在该场景中设立的所有运动参数都将存储在该运动场景之中，由这些运动参数所构建的运动模型也将以该运动场景为载体进行运动仿真。重复该操作可以在同一个Master Model下设立各种不同的运动场景，比如通过设置不同的运动参数，实现不同的运动。
（2）构建运动模型
运动模型包括连杆特性与运动副。构件和运动副是整个运动机构的两大基本要素，对机构进行运动统一建模，不可避免地要对机构的拓扑进行有效表达。这些关系在Motion模块的算法中有所体现。连杆指运动分析过程中所操作的实体对象，是Modeling与Motion功能之间的连接纽带。机构的运动副是连接相邻两构件的一种运动约束的力学抽象，是铰链的物理背景。通过建立运动副才能组成相应的运动机构，从而进行后续的运动仿真。
在活络模具的运动分析过程中，按照各个零部件的相互装配关系，通过连杆将其逐一建立Modeling与Motion功能之间的连接，各个运动机构之间的运动副相对简单，均为滑块连接。滑块连接是两个相连件互相接触并保持着相对的滑动，可以实现一个部件相对与另一部件的直线运动，它有两种形式：一种是滑块为一个自由滑块，在另一部件上产生相对滑动；一种为滑块连接在机架上，在静止表面上滑动。
上述过程完成后，我们将看到图3所示的画面。
图3 建立运动场景
（3）运动输入
运动输入是赋给运动副相应的控制运动的参数，是驱动整个机运动的关键部分，即运动副的驱动力。Motion模块里提供了4种驱动：恒定驱动（Constant）、简谐运动驱动（Harmonic）、运动函数（General）与关节运动驱动（Articulation）。在实际的机构运动分析中，复杂的运动只有通过运动函数进行仿真，附给连杆以精确的运动。在活络模具的运动分析中，活络模具的运动形式相对简单，故我们设定为恒定驱动
（Constant）即可。
（4）运动仿真
运动仿真是基于时间的一种运动形式，机构在指定的时间段中运动，并同时指定该时间段中的步数，从而进行运动分析。通过对运动分析过程的控制，可以直观地以动画的形式输出运动模型的不同运动状况，可以比较准确地模拟分析所设计的模具机构的真实运动情况（见图4）。
图4 活络模具机构的运动仿真
3.干涉检查
UG/Motion模块还可以进行机构的干涉检查，跟踪零件的运动轨迹，从而可以检查出模具设计过程中容易忽略的一些问题，提高设计的效率与质量。
装配环境下的干涉检查分为静态干涉检查和动态干涉检查。静态干涉检查是指在某个特定位置关系下，检查装配体中各个零部件间的干涉。动态干涉检查是指在运动过程中检查干涉。在干涉检查中一般可以选择是检查全部的零件，还是某几个零件间的干涉情况。
在本文中用到的是动态干涉检查，即通过模拟模具的运动过程来检查是否存在干涉。模具的运动仿真过程中发生干涉的原因主要有3个：运动分组和运动参数设置不当；设计不当；系统本身的误差。在模具运动仿真的过程中若出现干涉，首先需检查运动参数的设置是否合理，并对运动方向和运动距离进行重新设置，如果各项运动参数的设置没有问题，则要检查干涉零件的相交部分是否存在不合理的结构，如果有问题则要修改模具的结构。
结论
模具的CAD/CAM/CAE集成化已经被越来越多地应用到当今模具领域之中，我们借助UG NX3.0实现了对轮胎活络模具运动仿真的全过程。在活络模具的设计中，通过三维运动仿真，可以及时有效地发现问题所在，并提出相应的解决方案，大大缩短新产品设计的周期；而且通过对数字化模型的分析可以提早发现模具产品的缺陷并加以修改，达到提高产品质量、优化模具产品的设计目的；直接在数字化模型上进行各种运动及材料特性的仿真分析而不用投入大量的人力、财力进行产品试制，有效节约了生产成本。总之，三维运动仿真技术的应用对模具行业乃至各个机械行业都是大有裨益的。(end)
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(7/25/2008) |
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