一種聚氨酯包膠輪式移動(dòng)平臺(tái)剛?cè)狁詈夏Ｐ徒⒎椒ㄑ芯?/h1>
2018-02-20 06:26溫家璽
現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備 2018年12期
曹 翱 宋 超 溫家璽
（長(zhǎng)安大學(xué) 工程機(jī)械學(xué)院，西安 710064）
在大多數(shù)情況下，把機(jī)構(gòu)當(dāng)做剛性系統(tǒng)處理不會(huì)產(chǎn)生太大誤差，但在一些對(duì)模型精度要求非常高的情況下，如果想要更真實(shí)地模擬機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)性能，必須將模型部分或者整體構(gòu)件當(dāng)做可以產(chǎn)生變形的柔性體來(lái)分析[1]。聚氨酯彈性體材料由于具備承載能力大、耐磨、耐油以及與金屬骨架粘結(jié)牢固等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)制造當(dāng)中，并且由于其具有較好的彈性變形特點(diǎn)，相關(guān)設(shè)備具有良好地緩沖性能[2]。聚氨酯包膠輪是輪式移動(dòng)平臺(tái)的關(guān)鍵部件，它的材料變形特點(diǎn)直接影響到該移動(dòng)平臺(tái)整機(jī)性能，為了更好提高虛擬樣機(jī)技術(shù)準(zhǔn)確性，實(shí)現(xiàn)聚氨酯包膠輪式移動(dòng)平臺(tái)剛?cè)狁詈戏抡媸直匾?。本文以聚氨酯包膠輪式移動(dòng)平臺(tái)為例，借助soliderworks、Adams、ANSYS軟件，闡述了該移動(dòng)平臺(tái)剛?cè)狁詈蠈?shí)現(xiàn)方法。
1 三維模型建立
在soliderworks中建立移動(dòng)平臺(tái)車(chē)體、聚氨酯包膠外輪和內(nèi)軸零件圖，并完成裝配體。再將聚氨酯包膠外輪零件圖及裝配體總文件另存為parasolid格式，將新生成零件圖文件導(dǎo)入ANSYS中生成模態(tài)中性文件，再將新生成的裝配體總文件導(dǎo)入Adams中建立虛擬樣機(jī)。移動(dòng)平臺(tái)三維模型如圖1所示。
圖1 移動(dòng)平臺(tái)三維模型
2 模態(tài)中性文件生成
模態(tài)中性文件可由Adams/View模塊中直接生成，也可借助其他有限元軟件來(lái)完成，如ANSYS、Nastran、Abques等。本文從ANSYS中輸出模態(tài)中性文件，模態(tài)中性文件的生成方法則采用Mass21單元+剛性區(qū)域法。聚氨酯包膠輪柔性體模態(tài)中性文件生成的具體步驟如下：
第一，選取單元，并將聚氨酯包膠輪導(dǎo)入ANSYS中，選取分析單元；第二，定義材料屬性，根據(jù)聚氨酯的材料屬性分別輸入楊氏模量、泊松比和密度；第三，設(shè)置實(shí)常數(shù)，Mass21的實(shí)常數(shù)取10-6；第四，建立關(guān)鍵點(diǎn)，用于生成能施加約束及載荷的連接點(diǎn)，由于輪式特殊結(jié)構(gòu)，本設(shè)計(jì)添加兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)；第五，劃分網(wǎng)格，將聚氨酯包膠輪整體和關(guān)鍵點(diǎn)分別劃分網(wǎng)格；第六，建立剛性區(qū)域，剛性區(qū)域作用是傳遞力和力矩，由于該對(duì)象為輪式模型，故選擇建立兩個(gè)剛性區(qū)域，如圖2所示。
圖2 剛性區(qū)域建立示意圖
3 剛?cè)狁詈夏Ｐ徒?/h2>
移動(dòng)平臺(tái)總裝配體導(dǎo)入ADAMS后，將生成的柔性體機(jī)構(gòu)替換模型中的剛性體機(jī)構(gòu)，如果沒(méi)有出現(xiàn)錯(cuò)誤，則該模型可用作進(jìn)行剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)分析，如圖3所示。然后添加連接副（車(chē)體和內(nèi)軸為旋轉(zhuǎn)副、內(nèi)軸和聚氨酯包膠輪為固定副、地面與大地為固定副）、特殊力（聚氨酯包膠輪和地面的接觸力）和驅(qū)動(dòng)（主動(dòng)輪30d*TIME），分別在剛性體模型和剛?cè)狁詈夏Ｐ椭羞M(jìn)行仿真，測(cè)量輪式移動(dòng)平臺(tái)主動(dòng)輪（MARKER-37）和從動(dòng)輪（MARKER-36）的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，如圖4、圖5所示。
圖3 剛?cè)狁詈弦苿?dòng)平臺(tái)模型
圖4 剛性體模型運(yùn)動(dòng)參數(shù)測(cè)量圖
圖5 剛?cè)狁詈夏Ｐ瓦\(yùn)動(dòng)參數(shù)測(cè)量圖
4 結(jié)論
經(jīng)測(cè)試可知，聚氨酯膠輪彈性變形已經(jīng)嚴(yán)重影響了輪式移動(dòng)平臺(tái)輸出響應(yīng)，為了避免與系統(tǒng)真實(shí)情況產(chǎn)生很大的差距，不能僅將其簡(jiǎn)化為剛性體系統(tǒng)，因此對(duì)于聚氨酯包膠輪式移動(dòng)平臺(tái)來(lái)說(shuō)，運(yùn)用剛?cè)狁詈蠈?shí)現(xiàn)動(dòng)力學(xué)仿真才能更接近真實(shí)情況。另外，該聚氨酯包膠輪式移動(dòng)平臺(tái)剛?cè)狁詈夏Ｐ徒⒎椒ǎ部梢詳U(kuò)展到其他工業(yè)輪式移動(dòng)平臺(tái)剛?cè)狁詈咸摂M樣機(jī)建立當(dāng)中。
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1 三維模型建立
在soliderworks中建立移動(dòng)平臺(tái)車(chē)體、聚氨酯包膠外輪和內(nèi)軸零件圖，并完成裝配體。再將聚氨酯包膠外輪零件圖及裝配體總文件另存為parasolid格式，將新生成零件圖文件導(dǎo)入ANSYS中生成模態(tài)中性文件，再將新生成的裝配體總文件導(dǎo)入Adams中建立虛擬樣機(jī)。移動(dòng)平臺(tái)三維模型如圖1所示。
圖1 移動(dòng)平臺(tái)三維模型
2 模態(tài)中性文件生成
模態(tài)中性文件可由Adams/View模塊中直接生成，也可借助其他有限元軟件來(lái)完成，如ANSYS、Nastran、Abques等。本文從ANSYS中輸出模態(tài)中性文件，模態(tài)中性文件的生成方法則采用Mass21單元+剛性區(qū)域法。聚氨酯包膠輪柔性體模態(tài)中性文件生成的具體步驟如下：
第一，選取單元，并將聚氨酯包膠輪導(dǎo)入ANSYS中，選取分析單元；第二，定義材料屬性，根據(jù)聚氨酯的材料屬性分別輸入楊氏模量、泊松比和密度；第三，設(shè)置實(shí)常數(shù)，Mass21的實(shí)常數(shù)取10-6；第四，建立關(guān)鍵點(diǎn)，用于生成能施加約束及載荷的連接點(diǎn)，由于輪式特殊結(jié)構(gòu)，本設(shè)計(jì)添加兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)；第五，劃分網(wǎng)格，將聚氨酯包膠輪整體和關(guān)鍵點(diǎn)分別劃分網(wǎng)格；第六，建立剛性區(qū)域，剛性區(qū)域作用是傳遞力和力矩，由于該對(duì)象為輪式模型，故選擇建立兩個(gè)剛性區(qū)域，如圖2所示。
圖2 剛性區(qū)域建立示意圖
3 剛?cè)狁詈夏Ｐ徒?/h2>
移動(dòng)平臺(tái)總裝配體導(dǎo)入ADAMS后，將生成的柔性體機(jī)構(gòu)替換模型中的剛性體機(jī)構(gòu)，如果沒(méi)有出現(xiàn)錯(cuò)誤，則該模型可用作進(jìn)行剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)分析，如圖3所示。然后添加連接副（車(chē)體和內(nèi)軸為旋轉(zhuǎn)副、內(nèi)軸和聚氨酯包膠輪為固定副、地面與大地為固定副）、特殊力（聚氨酯包膠輪和地面的接觸力）和驅(qū)動(dòng)（主動(dòng)輪30d*TIME），分別在剛性體模型和剛?cè)狁詈夏Ｐ椭羞M(jìn)行仿真，測(cè)量輪式移動(dòng)平臺(tái)主動(dòng)輪（MARKER-37）和從動(dòng)輪（MARKER-36）的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，如圖4、圖5所示。
圖3 剛?cè)狁詈弦苿?dòng)平臺(tái)模型
圖4 剛性體模型運(yùn)動(dòng)參數(shù)測(cè)量圖
圖5 剛?cè)狁詈夏Ｐ瓦\(yùn)動(dòng)參數(shù)測(cè)量圖
4 結(jié)論
經(jīng)測(cè)試可知，聚氨酯膠輪彈性變形已經(jīng)嚴(yán)重影響了輪式移動(dòng)平臺(tái)輸出響應(yīng)，為了避免與系統(tǒng)真實(shí)情況產(chǎn)生很大的差距，不能僅將其簡(jiǎn)化為剛性體系統(tǒng)，因此對(duì)于聚氨酯包膠輪式移動(dòng)平臺(tái)來(lái)說(shuō)，運(yùn)用剛?cè)狁詈蠈?shí)現(xiàn)動(dòng)力學(xué)仿真才能更接近真實(shí)情況。另外，該聚氨酯包膠輪式移動(dòng)平臺(tái)剛?cè)狁詈夏Ｐ徒⒎椒ǎ部梢詳U(kuò)展到其他工業(yè)輪式移動(dòng)平臺(tái)剛?cè)狁詈咸摂M樣機(jī)建立當(dāng)中。
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