机械系统的建模与仿真.pdf

《机械系统的建模与仿真.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《机械系统的建模与仿真.pdf（4页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、机械系统的建模与仿真门党党,汤军社,贺春荣,王红艳(西北工业大学 机电学院,陕西 西安 710072)摘要:通过一个导弹弹射机构,介绍了机械系统建模与仿真的一般过程。运用目前简单实用的三维建模软件SolidWorks建立了弹射机构的模型,接着运用目前比较流行的机械系统动力学分析软件ADAMS对其进行了仿真,通过分析试验结果和不断修改,最后得到了较为理想的弹射机构的物理样机。关键词:弹射机构;建模与仿真;ADAMS中图分类号:TH133.5;TH122 文献标识码:A 文章编号:1672-1616(2008)07-0026-041 建模与仿真技术的发展40多年来,我国在建模与仿真(Modelin

2、g andSimulation)方面发展迅速并取得了很大成就。建模与仿真技术的应用已扩展到产品的全生命周期:方案论证、设计、制造、试验、使用、维护和训练。建模与仿真技术最早应用于自动控制领域,飞机、导弹的飞行控制、制导系统采用数学仿真和半实物仿真进行分析试验,同时采用的是模拟计算机和面向方程的建模方法1。实践证明,建模与仿真所能应用的领域,都极大地促进了该领域的发展。所以人们就开始把其应用于传统的机械系统中,从20世纪90年代至今,我国的研究人员对建模与仿真技术开展了研究,包括分布交互仿真、虚拟现实仿真、基于仿真的设计、虚拟样机、建模与仿真的重用和互操作性,以及分布虚拟环境等。近几年随着计算机

3、技术的迅速发展,新的建模与仿真技术也应运而生,其极大地推动了机械行业的发展,提高了经济效益。下面通过一个实例来探讨有关机械系统建模与仿真的一般过程。2 虚拟样机技术按照产品的传统设计思想,为获得较好的设计方案,在产品定型生产之前必须制造物理样机,并对物理样机进行试验测试,如不能满足性能要求,就必须对原设计方案进行修改和优化2。很显然,这种传统的设计方法需要耗费大量的人力和物力。随着计算机技术的发展,物理样机可以被虚拟样机所取代,虚拟样机技术(Virtual PrototypeTechnology)是当前设计制造领域的一门新技术,涉及多体系统动力学、计算方法与软件工程等学科。虚拟样机就是在建造第

4、一台物理样机之前,工程师利用软件技术建立的机械系统计算机模型,进行仿真分析并以图形显示该系统在真实工程条件下的运动特性,从而修改并优化设计方案。它利用软件建立机械系统的三维实体模型和力学模型,分析和评估系统的性能,从而为物理样机的设计和制造提供依据。虚拟样机技术在设计的初级阶段即概念设计阶段就可以对整个系统进行完整的分析,可以模拟并观察各组成部件的相互运动情况。在各种虚拟环境中使用系统仿真软件可真实地模拟系统的运动,它可以在计算机上方便地修改设计缺陷,仿真试验不同的设计方案,对整个系统进行不断的改进,直至获得最优设计方案后,再做出物理样机3。3 研究内容本文研究的是一个导弹弹射机构,要求首先建

5、立弹射机构的三维模型,接着将其导入机械系统动力学分析与仿真软件ADAMS中,对弹射机构的各个组成杆件进行运动学和动力学分析,得到弹射机构弹射过程中的主要杆件的运动学和动力学参数。我们所要关心的主要参数是导弹弹射过程中的位移、速度、加速度是否满足实际要求,由得出的试验数据检验实际设计存在的缺陷,通过不断地改进,直至获得最优设计方案后,最后做出实际的物理样机。本弹射机构的简图图1所示。收稿日期:2007-10-15作者简介:门党党(1981-),男,陕西咸阳人,西北工业大学硕士研究生,主要研究方向为机电控制及自动化。622008年4月 中国制造业信息化 第37卷 第7期图1 弹射机构简图 图1中,

6、杆7为导弹悬挂杆,杆3为气缸,杆4为活塞。杆9、杆10、杆11、机架BI构成上同步机构,杆9为上同步杆,杆10和杆1固连,杆11和杆5固连;杆7、杆8、杆12、杆13构成下同步机构,杆8为下同步杆,杆12和杆2固连,杆13和杆5固连。该弹射机构以压缩氮气为动力源,通过活塞杆4的运动,推动杆1和杆5反向运动,由上同步杆杆9保证杆1和杆5的摆动同步,从而保证气缸和活塞只是平动,没有转动。同理,下同步杆杆8保证杆2和杆6同步摆动,这就保证了在整个弹射过程中杆7保持垂直向下平动的姿态。由于导弹悬挂在杆7底下,因此其运动状态与杆7相同。当弹射角5转动到设定角度时,杆2、杆6带动脱钩装置,解除导弹与杆7的

7、约束,把导弹弹射出去,使导弹获得一定的速度和加速度。在该机构中,上下同步机构非常重要,其在运动的过程中起到保持杆7即导弹的平稳运动的作用。其各个杆的长度以及分布与导弹能否平稳运动有很大的关系。如果选择不当,会导致导弹运动到模态时的倾角过大而丢失目标。杆1、杆2杆13的长度分别用代号l1,l2l13表示(l3,l4由计算得),它们的值如下:l1=320100mm;l2=509100mm;l5=320100mm;l6=509100mm;l7=1374110mm;l8=1 372.23mm;l9=997.60mm;l10=40100mm;l11=40100mm;l12=40100mm;l13=401

8、00mm。给出的限定条件为:a.安装尺寸(BJ2个点的距离)的长度为1 000mm;b.l1=l5,l2=l6;c.导弹质量:mdaodan=250kg。机构设计达到的主要性能指标如下:弹射机构高度(弹射机构初始状态时竖直方向的距离)小于120mm;弹射行程(弹射机构从初始状态到导弹分离走过的竖直方向位移)260mm300mm;导弹离机垂直方向速度大于10m/s,加速度大于390m/s2。4 模型建立阶段4我们利用三维建模软件SolidWorks2006建立弹射机构的三维模型。其具体操作步骤如下:a.模型的总体设计,弄清各个零件之间的运动关系、安装尺寸等,这有利于后面快速的装配。b.把整个机构

9、分解成若干个子块,这不仅能使复杂工作简单化,而且有利于分工合作,同时可提高建模的准确性。c.根据已知各个杆件的具体尺寸,绘制机构的各个子块组成部分零件图(此步较为关键,力求建立的零件与实际接近)。d.完成零件图后,就开始进行装配,注意装配过程要确保各个零件的正确定位关系。最后装配完的效果图如图2所示。图2 弹射机构装配图5 仿真阶段5模型建立完毕后,接下来是仿真,这里我们用的是美国MDI(美国机械动力学公司)软件公司的动力学分析软件ADAMS。ADAMS软件包是目前世界范围内使用最为广泛的机械系统仿真分析软件之一,在汽车制造、航天航空、铁道交通等领域有着广泛的应用。它可以方便地建立参数化的实体

10、模型,并采用多体系统动力学原理,通过建立多体系统的运动学方程和动力学方程进行求解计算。方程的建立和求解都由软件自动完成,无需用户编程,用户只需在其提供的可视化界面里建立与原型一致的结构、连接关系和力等有关参数即可,这就使用户从繁琐的编程中解脱出来,从而能将主要精力放在所关心的问题上。仿真阶段具体步骤如下:a.为了便于对模型进行分析,首先给各个杆件重新命名,命名的原则是见其名知其意。b.给整个弹射机构添加一些约束副,如旋转构件之间添加旋转副,机架和大地之间添加固定副约束,这里要注意的是当约束添加完后一定要检查约束的正确性,防止出现欠约束或过约束,这些都是不允许的。c.确定整个机构的自由度,并决定

11、对整个机构72 现代设计与先进制造技术 门党党 汤军社 贺春荣 等 机械系统的建模与仿真是进行动力学仿真还是进行运动学仿真。当自由度等于零时进行运动学仿真;当自由度大于零时进行动力学仿真。本弹射机构计算得到其自由度等于1,但本文是对机构作运动学仿真,所以通过添加必要的驱动力可满足要求。d.添加驱动力。驱动力加载在气缸上。经过上面几步后机构的状态如图3所示。图3 弹射机构仿真模型图e.设置仿真参数及类型。仿真的参数主要包括仿真的积分器,仿真的时间以及步长,仿真的类型是选择交互式仿真还是脚本仿真等。f.开始仿真,然后通过ADAMS提供的后处理模块对机构的各个杆件进行分析,测量要求的各种参数,保存仿

12、真所得结果。g.分析仿真数据,得出结论,指导实际弹射机构的设计与制造,最终获得理想的物理样机。必须指出以上各步骤的求解过程并非一帆风顺,其中很多步骤都需进行反复的运算,这也是实际工作中不可避免的,所以必须有足够的耐性和认真负责的精神。6 结果与评价通过建模和仿真2个过程,我们得到了弹射机构的运动参数。由于篇幅所限,这里我们只给出部分主要参数仿真结果,气缸作用力为220 000N时,导弹的位移、速度、加速度随时间变化曲线如图4、图5、图6所示(弹射过程)。图4 位移曲线图5 速度曲线 由图4、图5、图6可看出机构的主要性能指标如下:a.导弹弹射行程为300mm;b.导弹垂直方向末态速度为12m/

13、s,末态加速度为392.264 2m/s2。由此可见我们得出的结果达到所要求的性能指标,符合实际情况。通过以上步骤,我们得出的结论是:利用虚拟样机技术,不仅能很好地建立弹射机构的模型,而且能较好地仿真其运动和工作过程,得到我们所要822008年4月 中国制造业信息化 第37卷 第7期图6 加速度曲线的参数;同时有利于快速地分析、比较系统的设计方案,并对设计方案进行改进,指导实际制造过程,保证弹射机构获得良好的工作性能,制造出理想的物理样机。仿真得出的各个杆件的运动学参数与实际模型工作中各个杆件的运动参数基本一致,并对存在的偏差进行分析,找出引起偏差的一些原因,如:气缸的实际工作状态不能达到设计

14、的理想参数,这主要是制造方面的问题。还有我们在实际仿真过程中对一些杆件进行了理想化处理,如将一些起次要作用的杆件进行了合并处理等。这些问题的解决都有待进一步研究。7 结束语本文通过具体实例阐述了机械系统建模与仿真的具体过程,不仅能够运用于理论研究,而且对实际的工业应用具有很高的参考价值,特别在降低产品开发的成本方面具有明显的作用。我国这方面的研究和应用尚处于开始阶段,希望此文能成为让更多的人了解现代机械领域先进技术的引玉石,以使更多的人从事这方面的研究并尽快使我国赶上世界先进水平。参考文献:1张晓华.系统建模与仿真 M.北京:清华大学出版社,2006.2 郑 凯,胡仁喜,陈鹿民.ADAMS 2

15、005机械设计高级应用实例M.北京:机械工业出版社,2006.3 李 军,邢俊文,覃文洁.ADAMS实例教程M.北京:北京理工大学出版社,2002.4 侯永涛,黄 娟.SolidWorks机械设计实用教程M.北京:化学工业出版社,2006.5 王国强,张进平,马若丁.虚拟样机技术及其在ADAMS上的实践M.西安:西北工业大学出版社,2002.Modeling and Simulation of Mechanic SystemMEN Dang-dang,TANGJun-she,HE Chun-rong,WANG Hong-yan(Northwestern Polytechnic Universi

16、ty,Shaanxi XiAn,710072,China)Abstract:It introduces a common procession of modeling and simulation of mechanic system by a missile ejec2tion mechanism.Using currently brief and practical model establishment software(SolidWorks),it builds themodel of ejection mechanism and simulates with currently po

17、pular Automatic Dynamic Analysis of MechanicalSystem(ADAMS).Based on analysis of experimentation results and constantly revising,it finally gets theperfect physical prototype of ejection mechanism.Key words:Ejection Mechanism;Modeling and Simulation;ADAMS欢迎赐稿 欢迎订阅 欢迎参加理事会92 现代设计与先进制造技术 门党党 汤军社 贺春荣 等 机械系统的建模与仿真