朱耀武

(無(wú)錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械技術(shù)學(xué)院，江蘇無(wú)錫 214121)

在機(jī)械運(yùn)動(dòng)學(xué)研究領(lǐng)域，存在諸多需要研究者破解的難題，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和電子技術(shù)的發(fā)展，通過(guò)專(zhuān)業(yè)軟件來(lái)分析和模擬各種機(jī)械運(yùn)動(dòng)成為可能。在機(jī)械運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域，常用的兩種軟件是UG(Unigraphics)軟件和 ADAMS(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems)軟件。但是這兩款軟件都存在一定的不足，尤其是在解決一些關(guān)鍵問(wèn)題時(shí)，均不能收到理想的效果。為此，本文基于UG軟件和ADAMS軟件對(duì)滑塊聯(lián)軸器進(jìn)行仿真分析，通過(guò)對(duì)比分析結(jié)果，得出分析結(jié)論，為2款軟件以后的仿真研究提供參考。

1 UG和ADAMS概況

UG是由美國(guó)EDS公司研發(fā)的一款集CAD/CAM/CAE于一體的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造軟件系統(tǒng)。該系統(tǒng)的功能非常強(qiáng)大，不僅具有動(dòng)力學(xué)分析功能和有限元分析功能，還可以輕松實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜實(shí)體及各類(lèi)造型的構(gòu)建。ADAMS即機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)自動(dòng)分析，該軟件是美國(guó)MDI公司(Mechanical Dynamics Inc．)開(kāi)發(fā)的虛擬樣機(jī)分析軟件，是目前國(guó)際上機(jī)械領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的動(dòng)力學(xué)仿真和機(jī)械運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)仿真軟件，系統(tǒng)中的交互式圖形環(huán)境、約束庫(kù)、零件庫(kù)和力庫(kù)等可以通過(guò)創(chuàng)建參數(shù)化虛擬機(jī)樣的形式來(lái)實(shí)現(xiàn)，利用多剛體動(dòng)力學(xué)理論中的拉格朗日方程，從容建立較為系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程模型，通過(guò)虛擬樣機(jī)模擬較為復(fù)雜的機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程，從而實(shí)現(xiàn)提高系統(tǒng)設(shè)計(jì)性能、節(jié)約時(shí)間和節(jié)約成本的目標(biāo)。

ADAMS在運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真分析方面，雖然功能強(qiáng)大，但通常是先利用CAD系統(tǒng)軟件來(lái)進(jìn)行三維的實(shí)體建模，然后再把模型導(dǎo)入到ADAMS系統(tǒng)當(dāng)中，最終建立零件的仿真模型，進(jìn)行仿真分析。從這里不難看出，這一過(guò)程是比較麻煩的，如果利用CAD所建立的實(shí)體模型不準(zhǔn)確，其分析結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性也得不到保證。ADAMS雖然為CAD系統(tǒng)軟件提供多種交互式數(shù)據(jù)圖形處理接口，但在實(shí)際導(dǎo)入模型時(shí)會(huì)出現(xiàn)一些問(wèn)題，比如從CAD軟件中導(dǎo)入的三維模型在ADAMS中無(wú)法進(jìn)行參數(shù)化計(jì)算，幾何尺寸也無(wú)法在ADAMS系統(tǒng)中修改，要修改只能在CAD軟件中進(jìn)行，然后再將模型導(dǎo)入到ADAMS當(dāng)中。同時(shí)要想把CAD系統(tǒng)當(dāng)中的仿真模型轉(zhuǎn)換到ADAMS中，還必須對(duì)模型構(gòu)件屬性和構(gòu)成構(gòu)件的各種元素進(jìn)行處理和編輯，主要包括構(gòu)件的顏色、名稱、所在位置和材質(zhì)等等，對(duì)于那些比較復(fù)雜的零件來(lái)講，處理和編輯可以說(shuō)是一項(xiàng)非常復(fù)雜的工作，如果這些屬性信息得不到及時(shí)的修改，那么在計(jì)算過(guò)程中就會(huì)無(wú)可避免地出現(xiàn)計(jì)算錯(cuò)誤。事實(shí)上，ADAMS仿真計(jì)算過(guò)程相當(dāng)繁瑣，不僅達(dá)不到節(jié)省成本和時(shí)間的目的，而且仿真計(jì)算的結(jié)果還可能不準(zhǔn)確，不具有可靠性。

ADAMS軟件在建模功能上有著很大的不足，而UG 軟件則具有強(qiáng)大的建模功能及一定的動(dòng)力學(xué)分析功能和有限元分析功能，因此可采用2種軟件聯(lián)合的方式來(lái)進(jìn)行建模和仿真分析。

2 滑塊聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)

滑塊聯(lián)軸器又稱補(bǔ)償式剛性聯(lián)軸器，它是一種可以移動(dòng)的剛性聯(lián)軸器，主要的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是可以連接中心線不重合的兩個(gè)軸，并使兩軸具有同向且相等的角速度。

滑塊聯(lián)軸器由2個(gè)有徑向通槽的半聯(lián)軸器和一個(gè)具有相互垂直凸榫的十字滑塊組成，如圖1所示。由于凸榫能夠在凹槽當(dāng)中自由滑動(dòng)，因此可以補(bǔ)償安裝和運(yùn)動(dòng)過(guò)程中兩個(gè)軸之間的相對(duì)位移，而這也正是其被稱之為補(bǔ)償性剛性聯(lián)軸器的原因所在。在選用這種聯(lián)軸器時(shí)，應(yīng)注意其轉(zhuǎn)速不能高于規(guī)定值。一般情況下，其轉(zhuǎn)速應(yīng)控制在250r/min以下。

圖1 滑塊聯(lián)軸器圖

3 滑塊聯(lián)軸器的仿真分析

3．1 UG仿真和ADAMS仿真流程

a．UG仿真流程:建立并裝配UG三維模型—添加UG運(yùn)動(dòng)副和驅(qū)動(dòng)—UG三維模型的碰撞模擬—UG仿真與求解—繪制UG半聯(lián)軸器轉(zhuǎn)速曲線及Excel表格。

b．ADAMDS仿真流程:從CAD軟件導(dǎo)入ADAMS模型—ADAMS修改模型構(gòu)件的屬性和顏色—ADAMS添加約束與施加荷載—ADAMS計(jì)算仿真與求解—ADAMS半聯(lián)軸器轉(zhuǎn)速曲線的繪制。

3．2 滑塊聯(lián)軸器UG仿真分析

a．建立活動(dòng)機(jī)架、半聯(lián)軸器1、半聯(lián)軸器2、中間滑塊和固定機(jī)架三維模型，并進(jìn)行UG裝配，從而得到滑塊聯(lián)軸器三維模型，如圖2所示。

圖2 滑塊聯(lián)軸器UG三維模型示意圖

b．添加滑塊聯(lián)軸器運(yùn)動(dòng)仿真約束條件，以及運(yùn)動(dòng)仿真驅(qū)動(dòng)關(guān)系。從“開(kāi)始”菜單欄中選擇“運(yùn)動(dòng)仿真”模塊，分別對(duì)固定機(jī)架和半聯(lián)軸器1、活動(dòng)機(jī)架和半聯(lián)軸器2添加旋轉(zhuǎn)副，對(duì)半聯(lián)軸器1、半聯(lián)軸器2與滑塊之間添加滑動(dòng)副。對(duì)半聯(lián)軸器1和固定機(jī)架上的旋轉(zhuǎn)副施加360(°)/s的初速度。

c．模擬三維碰撞接觸狀態(tài)。在模擬三維碰撞接觸狀態(tài)的過(guò)程中，把上一個(gè)步驟當(dāng)中的半聯(lián)軸器1、半聯(lián)軸器2與滑塊之間的滑動(dòng)副刪除掉，然后點(diǎn)擊右鍵，選擇“新建連接器”，選擇“3D接觸”，在彈出的對(duì)話框當(dāng)中輸入相應(yīng)的值，主要包括力指數(shù)、材料阻尼、穿透深度、緩沖半徑因子、最大步長(zhǎng)因子等，如圖3所示。

圖3 三維碰撞接觸狀態(tài)模擬參數(shù)設(shè)置

d．通過(guò)對(duì)滑塊聯(lián)軸器的求解及仿真，得到半聯(lián)軸器2的轉(zhuǎn)速曲線，如圖4所示。

圖4 UG軟件仿真半聯(lián)軸器2的轉(zhuǎn)速曲線

3．3 滑塊聯(lián)軸器的ADAMS仿真分析

a．和滑塊聯(lián)動(dòng)的UG仿真相似，首先要建立活動(dòng)機(jī)架、半聯(lián)軸器1、半聯(lián)軸器2以及中間滑塊的三維模型。固定機(jī)架三維模型，并進(jìn)行UG裝配，進(jìn)而得到滑塊聯(lián)軸器三維模型。

b．添加滑塊聯(lián)軸器運(yùn)動(dòng)仿真約束條件，以及運(yùn)動(dòng)仿真驅(qū)動(dòng)關(guān)系。從“開(kāi)始”菜單欄中選擇“運(yùn)動(dòng)仿真”模塊，分別對(duì)固定機(jī)架和半聯(lián)軸器1、活動(dòng)機(jī)架和半聯(lián)軸器2添加旋轉(zhuǎn)副，對(duì)半聯(lián)軸器1、半聯(lián)軸器2與滑塊添加滑動(dòng)副。對(duì)半聯(lián)軸器1和固定機(jī)架上的旋轉(zhuǎn)副施加360(°)/s的初速度。

c．把 UG中生成的滑塊聯(lián)軸器模型導(dǎo)入到ADAMS軟件當(dāng)中，然后啟動(dòng) ADAMS/View，單擊Impert a file，便會(huì)彈出一個(gè)對(duì)話框，最后導(dǎo)入模型。

d．設(shè)定ADAMS構(gòu)件的材料屬性，先分別選定各個(gè)構(gòu)件，然后設(shè)定構(gòu)件的屬性。其中，Body屬性為huakuai;Category屬性為Mass Properties;Define Mass By屬性為Geomeatry and Material Type;Material Type屬性為 MODEL －1．steel。

e．通過(guò)對(duì)模型的計(jì)算求解及仿真，得到半聯(lián)軸器2的轉(zhuǎn)速曲線，如圖5所示。

圖5 ADAMS仿真半聯(lián)軸器2的轉(zhuǎn)速曲線

3．4 相關(guān)結(jié)論

通過(guò)對(duì)滑塊聯(lián)軸器UG的仿真及ADAMS仿真結(jié)果的對(duì)比分析，得到了如下結(jié)論:

a．在UG滑塊聯(lián)軸器三維模型當(dāng)中，半聯(lián)軸器2的轉(zhuǎn)速在360(°)/s上下波動(dòng)，波動(dòng)的范圍不大，沒(méi)出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象，其最高的轉(zhuǎn)速為420(°)/s，最低的轉(zhuǎn)速僅為320(°)/s，計(jì)算可得其平均轉(zhuǎn)速為370(°)/s。

b．在ADAMS滑塊聯(lián)軸器三維模型當(dāng)中，半聯(lián)軸器2的轉(zhuǎn)速同樣在360(°)/s上下波動(dòng)，但波動(dòng)的范圍更大，且出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象，其最大的轉(zhuǎn)速達(dá)到了 440(°)/s，最低的轉(zhuǎn)速為 310(°)/s，計(jì)算可以得到其平均轉(zhuǎn)速為375(°)/s。

c．對(duì)上述兩個(gè)結(jié)論中的2組數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比可以看出，GU仿真和ADAMS仿真所得到的仿真結(jié)果相類(lèi)似，但是UG仿真所得到的數(shù)據(jù)曲線更加平穩(wěn)，波動(dòng)起伏更小，而ADAMS仿真得到的數(shù)據(jù)曲線波動(dòng)范圍更大，且不平穩(wěn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著我國(guó)市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)體制的逐步完善，以及計(jì)算機(jī)技術(shù)和電子技術(shù)的飛速發(fā)展，我國(guó)的機(jī)械制造行業(yè)得到了快速發(fā)展。在機(jī)械制造過(guò)程中，不可避免地會(huì)對(duì)一些零件和構(gòu)件進(jìn)行仿真分析。通過(guò)對(duì)滑塊聯(lián)軸器UG仿真和ADAMS仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比可知，UG仿真得到的數(shù)據(jù)曲線相對(duì)平穩(wěn)，波動(dòng)起伏范圍更小，ADAMS仿真得到的數(shù)據(jù)曲線波動(dòng)范圍較大，說(shuō)明在將模型導(dǎo)入到ADAMS軟件當(dāng)中時(shí)，確實(shí)會(huì)出現(xiàn)一些無(wú)法控制的誤差。

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