浅析机构运动仿真分析在机构设计中的作用

作者：南阳理工学院 郑雄文 李韬 靳亚维

欢迎访问e展厅 展厅 2 CAE/模拟仿真展厅 通用有限元分析软件, 结构分析软件, 动力学分析软件, 声学分析软件, 板料冲压成形模拟软件, ... 引言 传统机械设计总是先制定设计方案，然后再采用理论力学的方法计算其运动学或者动力学特性，而后再进行优化、强度分析及结构设计等。这个过程单就运动学或者动力学特性分析而言，要经过大量的理论分析及计算。本文作者以一汽集团的自卸车举升机构设计为例，采用UG软件的运动仿真功能来说明一种运动学或者动力学特性分析的新的设计方法。 1、介绍 机构运动仿真分析，可以实现机械工程中非常复杂、精确的机构运动分析，在实际制造前利用零件的三维数字模型进行机构运动仿真已成为现代CAD工程中的一个重要方向及课题。机构仿真分析所解决的问题有以下几点：位移、速度、加速度、力，解决零件间干涉、作用力、反作用力等问题。一般说，工程师首先将零件的三维模型建好，其次确定运动零件，并确定各运动零件之间的约束关系，最后利用特定分析软件进行机构分析，如ADAMS、ANSYS等。其中的关键环节为建立零件间约束关系及载荷定义，并求解。 UG软件是美国EDS公司推出的大型CAD/CAE/CAM软件，它的运动分析模块（UG Scenario）是一个模拟仿真分析的设计工具，它是ADAMS软件的一个子集。它既能进行运动学（Kinematic）分析，又能进行动力学（Dynamic）分析。典型步骤如下：首先将要分析的装配图存入一个Scenario文件，确定分析所需构件（LINKS），再建立构件之间的运动副（JOINTS），然后定义整个机构承受的载荷（FORCES），进行机构运动仿真，从中得出所分析的运动副处的位移、速度、加速度及力的数值及特性曲线，为下一步做有限元分析或作强度分析、结构设计、优化设计打下了基础。 本文引用的是一汽集团的一种F式自卸车举升机构，实质上是一个四连杆机构，如图1所示。动力部分是两构件之间的液压缸的推力相对于A、G铰支座产生的转矩。 这个机构运行过程的各种运动学及动力学参数运算方法非常复杂，采用手工计算或者采用计算机编程的方法解决的话，计算量都相当大。因此，要全新设计及优化这样一套机构，必须进行全部运动过程的运动学及动力学参数变化跟踪，而这个跟踪计算过程采用UG Scenario（即Motion功能）来完成就比较方便。 2、实现 2.1 自卸车举升机构的运动学分析 首先采用UG软件建立自卸车举升机构的三维实体数字装配图如图2所示。（具体结构尺寸略） 在UG的Motion模块下，创建三角臂、液压缸体、活塞体、拉杆及车厢等5个构件，创建有J001、J002、J003、J005、J006及J007等6个转动副，J004等1个移动副，共有7个低副，没有高副。其自由度总数： 由此，F式举升机构的自由度为1，合理。 并且设置J004移动副为驱动运动副，按照举升机构的要求，活塞在初始位置即0s时位移为0mm，活塞在15s时位移为750mm，因此，定义一个适合此边界条件的阶梯函数step(time,0,0,15,750)。 阶梯函数的定义为： 作一个完整的机构运动分析仿真，仿真节奏为15s按200步计算。 首先，采用UG软件的位移分析功能分析车厢转动的角位移、三角臂转动的角位移曲线如图3所示： 由此可见，车厢转动的最大角位移是51.2646度, 三角臂转动的最大角位移是64.5733度，并且出现了“点头”现象，与实际工作情况相符。这可以作为掌握举升机构终止位置设计姿态的依据。 其次，采用UG软件的速度分析功能分析活塞运动的速度、车厢转动的角速度、三角臂转动的角速度曲线分别如图4、图5所示： 由于液压缸的承载是时变的，结果造成液压缸的速度在0～75.3137mm/s之间变化，具体波动情况参看图4。 从图5中可以发现，车厢转动的角速度，由0度/s变化至4.8742度/s，然后再变化至0度/s；三角臂的角速度变化比较复杂，先由0度/s变化至0.9730度/s，然后再变化至0.0453度/s，而后再上升至7.3171度/s，最后以下降至0度/s。 由此可掌握举升过程中车厢及三角臂转动快慢的特性，对评估系统的可靠性有一定参考价值。 最后，采用UG软件的加速度分析功能分析活塞运动的加速度、车厢转动的角加速度、三角臂转动的角加速度曲线如图6、图7所示。 可以看出，该曲线两头高，中间低。最大数值为19.80 mm/ ，活塞的质量为92.5Kg，故产生的最大惯性力为：。这种惯性力将对液压油的油压产生一定的冲击影响。 从图7可以发现，车厢转动最大角加速度为2.311度/s ，三角臂转动最大角加速度为4.2927度/s 。如图7所示，车厢总负荷若按50吨计算，那 么，车厢对铰链G的转动惯量为： 则车厢对铰链G的惯性矩为： 在液压缸上将会产生的惯性力： 对比液压缸自身产生的惯性力与车厢产生的惯性力，数值相差悬殊。因此，液压缸自身产生的惯性力可以忽略不计。可以推断，尽管三角臂转动最大角加速度为4. 2927度/s ，但其质量仅为48Kg，其产生的惯性力亦可忽略不计。 惯性力的大小关系到液压回路关键件的设计，特别是蓄能器的合理选用及其他液压元件工作可靠性估计，应当引起足够的重视。 从以上分析可以看出，只要机构各构件的主要尺寸定下来以后，在一定的活塞行程的条件下，整个机构的运动特性就相应地被确定了。 2.2 自卸车举升机构的动力学分析 运动学特性分析完之后，我们不妨假定施加50吨的载荷进行机构的动力学特性分析。即如图8所示，在车厢的质心位置，加以方向始终垂直向下的负载FG=-490000N。 首先采用UG软件的力学分析功能仿真液压缸实际工作情况的受力曲线图如图9所示。发现液压缸在初始位置受力最大，达到789597.8N,其曲线变化呈较缓的抛物线型。因为使用的活塞直径为200mm，故其截面积为 ，即31416 ，从而液压缸内的压强： 因此得出液压缸正常工作的最小油压为25.1Mpa。 现将举升机构其他6个转动副的受力曲线分析如图10所示，构件拉杆两头分别是转动副J002与J005,根据力的平衡条件，这两个转动副上的受力大小大小相等、方向相反，并作用在同一条直线上（如有差异，因为液压缸及各构件的重力影响所致）。因此这两个转动副的受力与液压缸内部的受力相等。车厢铰轴孔（即转动副J007）处的受力随举升机构的进程而缓缓变大，最大数值达260029N。三角臂铰轴孔（即转动副J001）处的受力随举升机构的进程而缓缓变小，最大数值为334941N。 举升机构的位移、速度、加速度及受力分析完之后，对该机构的固有属性就相应地比较清楚了，下面的工作就是具体的结构设计及强度设计了。 3、结论 本篇以F式自卸车举升机构为例进行了详细的运动学及动力学参数分析，使我们深刻了解了采用三维软件进行运动学及动力学参数分析的计算机辅助方法。借助于UG/ Scenario的Motion功能，能够有效地分析机构运动过程中的运动特性和规律。这使得机械设计工程师从复杂的理论计算中解放出来，将更多的精力放在优化设计及结构设计上，具有一定的实用价值。另外，通过三维软件仿真分析，可以得出准确的理论数据和曲线，给予我们作结构设计及优化设计提供了理论基础和条件。 参考文献： 1 孙桓 傅则绍，《机械原理》，1989.3; 2 胡晓康，《UG运动分析培训教程》，2002.9; 3 一汽集团《CA3210P1K2T1A80-D79C型自卸车图纸》.(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (2/1/2005)