2015/11/27 16:36:06 基于多软件平台三维虚拟仿真方法及其应用研究

该文在分析当今虚拟仿真技术现状,比较多种仿真软件的功能、特点的基础上提出了“基于多软件平台虚拟仿真方法”,论述了该方法的原理与特点,研究了其实现方法与具体步骤,并在多种软件之间的无缝接、三维模型的建立与导入、仿真结果的后处理方面进行了具体研究。另外,将此方法应用于曲轴连杆式低速大扭矩液马达的运动学仿真,通过应用表明,基于多软件平台虚拟仿真方法对复杂机械系统进行三维仿真是有效的,它将有助于设者进行复杂机械系统的设计与性能的优化研究。

   随着科学技术的快速发展,各种机械系统的功能越来越强大,机械系统的设计也越来越复杂,这就需要利用虚拟样机技术来模拟机械系统的实际运作情况。

当今,国内外的仿真软件层出不穷,各个软件都有各自擅长的功能,但也有各自的不足,若对复杂的机械系统仅仅应用单一的仿真软件进行分析,必然在某些功能上有所欠缺,并非最佳的仿真分析方法。

所以,若能将各软件有机地结合起来,利用各个软件的优点,对复杂的机械系统进行联合建模和仿真,则势必能弥补各单一软件的不足,使各软件都能充分高效地发挥作用,使设计者更为直观地进行产品的设计,节约产品开发时间与成本。本文把这种建立在多个软件基础之上的、专用于复杂机械系统三维运动学、动力学仿真的新方法,称之为“基于多软件平台三维虚拟仿真方法”。

基于多软件平台虚拟仿真方法的原理

 各种仿真软件的比较

每种仿真软件都有各自擅长的功能,也有功能较欠缺的方面。ADAMS、PRO /E、UG和MATLAB是当今流行的四种仿真软件。

在三维建模功能上,UG和PRO /E软件具有强大的能力,而ADAMS软件功能较弱,不适于复杂模型的建造,MAT-LAB无实体建模功能;在机构分析功能上,ADAMS的功能最强大,UG和PRO /E软件都设有ADAMS的接口;在动力学分析功能上,ADAMS和MATLAB的计算功能比较强大;在仿真功能上,ADAMS、UG和PRO /E都可做三维实体仿真,而MATLAB仅输出数据曲线,无实体显示。

基于多软件平台三维虚拟仿真方法的原理

要对一种复杂的机械系统进行比较精确的动力学仿真研究,较可靠的解决方案就是结合各种仿真软件进行联合建模。利用各个软件的优点,弥补各单一软件的不足,博采众长,这样各个软件都能充分发挥作用,使仿真分析更为简易,节约时间和成本。

一般而言,由于UG、PRO /E的建模功能比较好,ADAMS的机构分析功能强大,而MATLAB对简化的机构模型的运动控制分析功能较好,可以结合这三类软件对复杂的机械系统进行完整的虚拟仿真分析。本文把这种结合多种软件对机械系统进行联合仿真的方法称之为“基于多软件平台三维虚拟仿真方法”。

该方法的原理如下:

1)利用UG或PRO /E软件,精确建立复杂机械系统各零部件的几何模型;

2)将建好的几何模型导入ADAMS中,添加复杂的力和约束;

3)利用MATLAB对机构进行运动控制分析,得到精确的仿真计算结果;

4)将仿真结果导入到ADAMS中进行仿真后处理,实现三维仿真分析;

5)最终形成系统的虚拟样机,并在样机上对系统进行动力学仿真研究。

基于多软件平台三维虚拟仿真方法的实现几何建模

1)设置建模基本环境:设置主参考系OXYZ;设置重力方向;选择单位制为国际单位制。

2)在UG中完成零部件的三维造型、装配。UG为用户提供了强大的复合建模手段,包括实体建模、特征建模、装配建模等基本建模功能。

3)UG模型导入ADAMS。在UG中,按照建模要求,将部件进行正确放置,然后以Parasolid格式导出为* . xmt txt格式,再将此文件导入ADAMS即可。读入方式可以是以模型(Model)方式或以构件(Part)方式分层引入或整体引入。

4)几何属性和质量属性。设定材料的密度,ADAMS即可根据三维模型自动将计算出的各种数据填入相应的对话框。

5)模型修改与整合。若机械系统比较复杂,从UG中导入的虚拟仿真模型还必须按ADAMS分析要求进行整合,因为导入的模型太繁杂将影响仿真分析。

添加约束及自由度分析

整合的三维数值根据仿真要求摆好位置,并设置好坐标系、图标、工作网格后,应根据实际工作情况并加约束,约束应是边加边调试。这样做是为了便于最后的调试通过。同时应注意分析自由度,以避免过约束或少约束。

  ADAMS提供多种约束副:理想约束、虚约束、高副约束和运动驱动等类型。

添加力或运动激励

1)力(force):它包括机构内部产生的作用力和外界对机构所加的作用力。

2)运动激励(generator,或驱动):它是机构内一个构件相对于另一构件按约束允许的运动方式,以给定的规律进行的运动。该运动不受机构运动的影响。ADAMS提供多种力的模型,包括各种方向力和力矩,重力,弹簧阻尼器等。

虚拟仿真分析及调试

进行仿真分析有两种方法。一种方法是在ADAMS中直接调用ADAMS /Solver模块进行分析计算,这适合于比较简单的机械系统;对于较复杂的机械系统,可以采用另一种方法,即利用ADAMS中的控制模块(ADAMS /Controls),调用MATLAB软件进行仿真分析计算,再将计算结果输入AD-AMS中,进行三维的仿真分析。

本文将讨论利用MATLAB对机械模型进行仿真分析的过程

1)ADAMS中模型的设置和导出

ADAMS /Controls与MATLAB的相互通信是通过状态变量来实现的,因此在ADAMS中,必须将模型的输入输出变量定义为与状态变量相关的设置。

具体步骤如下:

①启动ADAMS /Controls模块。

②建立输入输出变量。根据模型的要求建立所需的输入输出变量。

③修改输入输出变量的函数。先在ADAMS中建立变量,然后将它们的函数修改成与MATLAB相关的变量。

④导出变量。在ADAMS /View界面中,选择菜单中Con-trols-PlantExport命令,选择输入输出变量。

2)MATLAB中建立仿真系统与分析

①在MATLAB中输入ADAMS模块。在命令窗口界面中输入ADAMS导出的文件名,MATLAB返回相应的结果。然后输入adams sys,显示adams sys的模块窗口。在其adams子模块窗口的MechanicalDynamics模块中,可设置文件名、计算积分步长等仿真参数。

②控制系统建模。在MATLAB命令窗口中,启动Simu-link模块,进行控制系统建模,将前面已打开的ADAMS系统的子模块复制到这个新窗口,根据控制系统的具体需要,在Simulink工具库窗口中选择有关图形模块,完成各控制图标以及adams sys模块之间的连接和参数设置。

3)进行模型仿真分析

首先可对仿真时间、求解模式等参数进行设置。然后,开始进行MATLAB和ADAMS的联合仿真分析。程序将显示一个新的ADAMS /View窗口,显示仿真分析结果。同时,还显示一个窗口,用以显示联合仿真分析过程中的各种数据。

仿真结果后处理

1)将MATLAB中已生成的结果导入ADAMS。

①在ADAMS /View中打开原来已建好的系统的几何模型,然后启动后处理模块ADAMS /PostProcessor。

②选择菜单File -Import-Results File,弹出对话框。选择文件名和模型名,即导入了MATLAB生成的结果文件* .res。

2)ADAMS /PostProcessor中进行设置

①在ADAMS /PostProcessor界面中,可以将主界面分割成几块不同的绘图区域,分别设为动画(Animation)和曲线(Plotting),这样就可以同时显示动画和参数的变化情况。

②在动画区域,可调整三维实体的位置,以获得最佳视角。在曲线区域,图像的名称、曲线的名称、坐标轴单位以及仿真时间等可进行修改、设置。

3)ADAMS /PostProcessor中进行仿真。

在工具栏上选择开始,可进行仿真分析,并可在任一瞬时暂停,以分析瞬时的各种结果。三个参数的曲线与三维动画同时进行仿真,以直观地显示虚拟仿真分析的过程。

虚拟仿真结果分析

经过仿真,得出仿真结果,与实际的试验值或理论进行比较,以进行判断,做出改进,再重复上述的过程,进行再一次的仿真和判断。这样进行多次仿真后,就可得到优化的设计。

曲轴连杆式低速大扭矩液压马达的三维仿真

前三节介绍了基于多软件平台三维虚拟仿真方法的原理和实现方法,本节将具体讨论基于多软件平台虚拟仿真方法在曲轴连杆式低速大扭矩液压马达三维仿真上的应用。曲轴连杆式低速大扭矩液压马达结构简单、性能可靠、价格便宜,成为世界上生产量最多,主机应用最为广泛的一种低速大扭矩液压马达。

迄今为止,国内外对曲轴连杆式低速大扭矩液压马达开展三维运动学和动力学分析研究得很少。如果能对曲轴连杆式低速大扭矩液压马达的重要摩擦副和核心部件进行三维建模和仿真,对进行液压马达的优化设计、开发新产品和指导实际的工业生产都具有重要的意义。

液压马达的几何建模

1)首先根据二维图纸在UG中进行实体建模和装配,然后,将UG中所建的模型导入ADAMS。

2)设置液压马达的几何属性和质量属性。模型的材料根据二维图纸上的要求选定为钢, ADAMS可以自动计算零件的质量和惯量等参数。

3)液压马达的模型修改与整合。将不重要的小零件进行失效、隐藏处理,留下主要研究的部件为柱塞、连杆和偏心轴。

对液压马达添加约束

根据实际运作情况,给模型加约束条件。柱塞与液压马达外壳(外壳与地面固定)之间为移动副;柱塞与连杆之间为球铰副;连杆与偏心轴之间为圆柱副;偏心轴与地面之间为转动副。

对液压马达添加作用力

轴连杆式低速大扭矩液压马达上主要作用了四类力(矩),一是作用在柱塞上的油压力,二是作用在输出轴(偏心轴)上的负载力矩,三是各个零件之间的摩擦力,四是油膜及其他因素形成的运动阻尼力。这四类力的合成形成了液压马达的作用力合力。接下来即对液压马达模型添加作用力及设定各参数:

①油压力p1。设定油压力作用在各个柱塞的质心上,方向为沿柱塞径向,朝偏心轴方向。

②负载力矩TL。设定负载力矩作用在偏心轴上,沿偏心轴周向。

③摩擦力考虑到运行时油液作用,故摩擦系数较小,可忽略不计。

④设定阻尼力作用在柱塞与液压马达外壳之间,方向沿柱塞径向。

 液压马达的虚拟仿真分析

1)模型在AD-AMS中变量的设置在ADAMS中设置了18个变量,6个输入变量, 12个输出变量。分别为:输入:5个作用在柱塞上的油压力和1个作用在偏心轴上的负载力矩。输出:1个偏心轴的转角,1个偏心轴的角速度,5个活塞的位移和5个活塞的运动速度。

2)液压马达模型在MATLAB中建立仿真系统

这个仿真系统由信号模块、微分方程模块、ADAMS机械系统模块、负载和示波器组成。

①信号模块是由于液压马达的特性决定的,它是用来判断高、低压油腔转换的标志。

②运用Simulink工具箱建立微分方程模块,以求解液压马达高压腔流量连续性方程。

③在MATLAB中用step函数设定负载在起动后0. 6s时添加。

④通过示波器是实时显示仿真结果,可以及时地调整各个参数,以得到优化结果。

3)MATLAB中进行模型的虚拟仿真

MATLAB仿真结果在示波器内可以实时看到。MATLAB中的仿真结果输出只是二维的曲线,不够直观,这需要将仿真结果导入ADAMS,在ADAMS中进行三维虚拟仿真过程的回放和虚拟仿真分析。

液压马达的仿真结果后处

三维虚拟仿真分析

将MATLAB仿真分析后得到的结果导入ADAMS,应用ADAMS /PostProcessor模块可进行曲轴连杆式低速大扭矩液压马达的仿真结果后处理。

1)液压马达的三维仿真

将MATLAB中仿真的结果导入ADAMS之后,可以实现液压马达的三维仿真动画回放。在回放过程中,可以暂停,以观察某一瞬时液压马达的运作情况,做出定性的判断;并且可结合仿真结果曲线进行对比,获得各参数在这一瞬时的值,对液压马达的运作有定量的分析。

  综上所述,本文在分析当今虚拟仿真技术现状,比较多种仿真软件的功能、特点的基础上提出了“基于多软件平台三维虚拟仿真方法”,论述了该方法的原理与特点,研究了其实现方法与具体步骤,并将此方法应用于曲轴连杆式低速大扭矩液压马达的运动学仿真分析。

本文提出的基于多软件平台三维虚拟仿真方法不仅适用于曲轴连杆式低速大扭矩液压马达的虚拟仿真分析,这种方法是适用于机械系统仿真的通用方法,尤其适用于结构复杂的机械系统。可以将此方法拓展到更多更广的领域中,发挥它独有的高效、高性能的特点

 
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