虚拟样机技术在机械设计中的应用

赵永燕,李 玲

(新乡职业技术学院,河南 新乡 453000)

0 引言

计算机技术是提高机械设计的重要基础,各项计算机模拟技术及仿真技术对于提高机械生产效率具有重要意义。早在1994年,Prett提出一种“VP”概念,主要是指利用虚拟现实技术(Virtual reality,VR)和其他信息技术联合建立的机械产品数字模型,在机械产品设计的不同阶段定量分析产品与用户之间的交互仿真。基于虚拟样机技术可以为机械设计人员创造更加真实的模拟环境,在机械设计样机制造前,机械设计人员或相关用户基于计算机仿真系统建立机械产品数字模型,通过模拟真实环境下机械产品各项工作特性,不断优化和修改设计方案,可以极大地提高机械设计效率,保证机械产品的设计可靠性。目前,虚拟样机技术在工业、医疗、军事和教育等多个工程领域得到了广泛的应用与发展,减少机械设计缺陷[1-3]。

为了进一步扩大虚拟样机技术在机械设计中的应用与发展,本研究以联合收获机切割器和玉米秸秆切割台的运用为例子,系统论述软件操作过程与步骤,可以为相关人员的学习提供参考与借鉴。

1 ADAMS软件发展概述

ADAMS(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems)是机械设计中重要的仿真软件,在机械设计与工程发展中。ADAMS软件可以进行自动输出位移、运行速度、加速度和作用力等条件,为机械产品的机械动力性能进行仿真分析,并且支持大多数的CAD、FLEX及控制软件之间的双向通信[4-5]。

1.1 核心模块

1.1.1 ADAMS/View

ADAMS/View是ADAMS软件的交互式图形环境,采用简单的分级方式完成建模工作,其运行结果一般采用直观、形象的方式描述机械产品的力学性能,如曲线图或者动画等。

1.1.2 ADAMS/Solver

ADAMS/Solver是ADAMS软件的核心部件，可以提供机械产品的静力学、动力学运算结果，精确地输出位移、速度、加速度和力，操作人员可以通过运动副、随机运动和自定义程序等添加物体约束。

1.1.3 ADAMS/Flex

ADAMS/Flex属于ADAMS软件中的集成可选模块,是ADAMS和Flex软件之间的双向通讯与信息交互利用模态频率生成柔性体的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可以为操作人员提供精确的汽车虚拟样机能力,主要包括悬架、传动系统、发动机、转向系统、ABS系统等,操作人员可以模拟车辆在各种道路条件上运行,模拟汽车驾驶的操作稳定性、舒适性、安全性等各项性能。

1.1.5 ADAMS/Tire

ADAMS/Tire可以研究车辆轮胎与道路之间的相互作用关系,精确地计算侧向力、自动回正力和由于路面不稳产生的障碍力等,模拟车辆在制动、转向和滑行状态下的车辆动力学特性。

另外,ADAMS软件还包括Linear(线性分析模块)、Exchange(图形接口模块)、Controls(控制模块)、MECHNISM/Pro(机构分析模块)等[6]。

1.2 应用特点

ADAMS软件具有以下特点:

1)ADAMS软件具有先进的机械产品数值分析、计算和求解能力。

2)ADAMS软件可以开展机械产品动力学分析、静力学分析和运动学分析等,兼具二维和三维建模能力。

3)具有装配、分析和动态显示不同机械设计模型或者同一机械设计模型的变化过程或者运动情况。

4)具有开放式运行结构,允许用户集成自己的子程序,拥有强大的函数库。

5)ADAMS提供了多种建模和仿真工具,可以灵活地创建各种机械系统的模型,同时能与其他软件进行接口,实现多种数据交换和共享[7]。

6)ADAMS软件采用全局定位图识别过约束系统,整体功能更加强大,运行精度更高,机械产品的表面接触功能可以通过自动检测接触是否发生并作出响应。

2 谷物联合收获机切割机构仿真

2.1 切割器运动分析

目前,谷物联合收获机主要采用往复式切割器实现谷物收获,具有结构简单、工作效率高和不需要高的切割速度等应用优势,在往复式切割器中,割刀速度直接影响谷物切割质量,因此,需要对割刀进行动力学分析,掌握相关变化规律。

驱动割刀主要包括连杆机构和摆环机构等。本研究以摆环机构进行运动分析,机构简图如图1所示。摆环机构是将传动半轴的旋转运动转换为摆臂的往复运动进行割刀驱动。

1.刀头;2.连杆;3.摆臂;4.摆叉轴;5.摆环;6.传动半轴图1 摆环机构运动简图

2.2 切割器的建模与仿真

在仿真前,应建立割刀仿真模型,根据仿真结果确定割刀是否符合设计要求,在建模过程中,首先选择建模环境,主要包括构件长度、网格间距等,创建各个设计点如表1所示。

表1 切割器各设计点的坐标值

然后在ADAMS/View中调用建模实体Link建立切割器实体,再进行相关约束,其中摆环机构用万向节表示,最后给定曲柄转速,设定摆臂长度为152 mm,连杆长度为95 mm,摆环夹角为300°,摆环主轴转速为495 r·min-1。

利用ADAMS软件求解割刀运动参数,在割刀运动过程中,可以测定割刀位移、速度和加速度。

3 玉米秸秆切割调质刚柔接触仿真

玉米秸秆是重要的生物质资源之一,但是目前我国关于秸秆资源化利用尚未形成完善的体系,主要是由于玉米摘穗时期秸秆含水率较高,一般在70%～80%,进行秸秆晒干耗时较长,另一方面是由于玉米秸秆较为坚硬,难以进行打捆。针对以上问题,提出了玉米秸秆切割调质处理,促进玉米秸秆破节、裂皮,并且加速秸秆的水分蒸发,改变玉米秸秆的物理状态,最终实现玉米秸秆的高密度打捆作业要求,为玉米秸秆资源化利用提供基础。玉米秸秆切割调质装置安装在玉米摘穗台底部,与摘穗台共同构成玉米收获双层平台。

3.1 玉米秸秆切割调质台数字样机

玉米秸秆切割调质台主要包括切割装置、输送装置、机架和调质装置4个部分。首先在SolidWorks中建立系统模型,对各个关键部件进行装配,设置好不同部件之间的配合关系。

3.2 玉米秸秆切割调质台数字样机导入仿真平台

本研究选取Recurdyn V7R1作为仿真平台。首先将3.1实体模型在SolidWorks装配格式转换成Recurdyn可以处理的文件格式,借助中间文件导入,如Parasolid。为了减少运动分析量,在不影响模型性能的前提下,去掉轴头、轴套、加强板等辅助零件,简化后导入Recurdyn环境。

3.3 玉米秸秆切割调质台数字样机运动仿真研究

数字样机定义结束后,进行空载运动仿真分析,测试相关运动参数,点击动态仿真(下拉菜单Analysis中的Dynamic/Kinematic按钮),弹出设置窗口,设置End time为0.5 s,Step为50,最后点击Simulate按钮开始计算,录制相关运动动画后进行分析,并通过绘图按钮(下拉菜单Post里的Plot按钮)绘制关键部件的位移曲线、速度曲线、加速度曲线等。

4 虚拟样机技术在机械设计中的发展趋势

虚拟样机技术在机械设计中的应用发展趋势主要围绕以下几个方面开展:

1)模拟仿真技术将更加成熟。随着计算机技术和仿真技术的不断发展,模拟仿真技术将越来越成熟和精确。这将使虚拟样机技术在机械设计中的应用更加广泛。

2)多学科融合。虚拟样机技术在机械设计中的应用将与多学科融合,例如材料科学、电子技术和控制技术等。这将使机械设计更加全面和高效。

3)可视化技术将变得更加先进。随着可视化技术的不断发展,虚拟样机技术在机械设计中的应用将变得更加真实和生动。这将使机械设计人员能更好地理解机械系统的运作。

4)智能化设计。虚拟样机技术将越来越智能化,例如采用人工智能技术对设计进行优化和改进。这将使机械设计更加高效和准确。

5)云计算技术的应用。随着云计算技术的不断发展,虚拟样机技术在机械设计中的应用将更加便捷和高效。设计人员可以随时随地访问虚拟样机,并进行设计和仿真分析。

5 结论

本研究系统论述了虚拟样机技术在机械设计中的应用,主要得到以下结论。

1)ADAMS是机械设计中重要的计算机模拟仿真软件,可以通过对机械产品的运动性能和各项功能进行仿真分析,为机械产品的优化提供多种设计方案,并且具有强大的运算功能与分析库。

2)以谷物联合收获机切割机构和玉米秸秆切割调质刚柔接触仿真进行运动分析、建模与仿真,系统论述相关工作步骤与过程。