搜索LMS Virtual.Lab在含沖擊多體動力學研究中的應用
2013-06-06 by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM 來源:仿真在線
本文在LMS Visual.Lab Motion平臺上建立了含沖擊試驗臺的虛擬樣機,在前期虛擬樣機仿真分析的指導下,確定了試驗臺的工作原理和傳感器的選擇。通過試驗臺物理樣機細化和修改虛擬樣機,對比實測結(jié)果和虛擬樣機仿真結(jié)果,修正虛擬樣機的一些參數(shù),使它們的動態(tài)性能趨近一致。修正后的虛擬樣機能夠在一定程度上代替物理樣機,減少試驗的次數(shù),降低成本。
張偉 來源:LMS
關(guān)鍵字:LMS 虛擬樣機 物理樣機 參數(shù)修正 散布度
1. 前言
虛擬樣機技術(shù)是在計算機硬件和軟件技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種機械產(chǎn)品研發(fā)技術(shù),極大地提高了機械系統(tǒng)設(shè)計和分析水平。研發(fā)工程師在計算機里建立機械系統(tǒng)的虛擬模型,分析和評估其動態(tài)性能,為機械產(chǎn)品的設(shè)計及改進提供指導。這種技術(shù)能夠降低設(shè)計和生產(chǎn)成本,提高設(shè)計效率,縮短研發(fā)周期。目前這個技術(shù)已經(jīng)被廣泛應用于航空航天業(yè)、國防工業(yè)、工程機械、車輛工程、機械制造業(yè)等領(lǐng)域。
考慮到復雜系統(tǒng)多體虛擬樣機仿真的可行性,在建立虛擬樣機時必須作一些適當?shù)暮喕?例如忽略溫度、裝配間隙以及對系統(tǒng)動態(tài)性能影響較小的一些零件等等。另外虛擬樣機中材料的密度、結(jié)構(gòu)剛度、粘性阻尼系數(shù)、摩擦阻尼系數(shù)等都不一定與物理樣機系統(tǒng)一致。由于虛擬樣機結(jié)構(gòu)參數(shù)和邊界條件的差異可能會導致仿真結(jié)果和實測結(jié)果不一致,甚至差別很大。因此必須根據(jù)實測結(jié)果對虛擬樣機進行修正,使它的仿真結(jié)果和實測結(jié)果盡可能的一致,提高虛擬樣機的真實度。
本文中設(shè)計了一個含沖擊的多體動力學試驗臺,并結(jié)合多體動力學軟件Virtual Lab建立它的虛擬樣機模型。通過對試驗平臺的虛擬樣機仿真結(jié)果和實測數(shù)據(jù)的對比,判斷仿真模型的準確性。假定實測數(shù)據(jù)是真值,修正仿真模型的一些參數(shù),例如阻尼、摩擦系數(shù)、剛度和碰撞系數(shù)等相關(guān)參數(shù),使仿真和實測數(shù)據(jù)相吻合。
2. 試驗臺工作原理
在前期簡單的試驗臺虛擬樣機仿真分析的指導下,確定了試驗臺的工作原理和傳感器、彈簧、氣缸的選擇,初步預測了試驗臺的動態(tài)響應,例如傳感器在實際的測試過程中并沒有超過其量程,彈簧的剛度和氣缸的大小都比較合適,使試驗臺的設(shè)計幾乎一次成功,同時也驗證里虛擬樣機技術(shù)在機械產(chǎn)品前期設(shè)計中的重要性。
試驗臺的工作原理如圖1.1,試驗臺的主體部分安裝在支撐立板上,并且可以轉(zhuǎn)動,其后端采用一個緩沖器支撐。主氣缸和主緩沖器連接,可以在導軌上滑動,活塞在高壓氣體的作用下前后運動,撞擊撞擊座和連接筒,使主氣缸前后運動和安裝板轉(zhuǎn)動。干擾氣缸在高壓氣體的作用下產(chǎn)生水平方向上的力,靠支撐立板的變形使安裝板擺動。激光器安裝在氣缸外壁上,激光束模擬炮彈的彈道射在一個有感光二極管的激光靶上。由于安裝板可以轉(zhuǎn)動和擺動,激光斑在激光靶在兩個方向上都具有一定的散布度。
3. 試驗臺虛擬樣機的建立
為了保證虛擬樣機的真實度,虛擬樣機的所有零件模型均按實際零件1:1建模,包括測試系統(tǒng)所需的安裝件,因為它們的質(zhì)量會影響到整個系統(tǒng)的動態(tài)響應。
虛擬樣機中對氣缸的模擬非常重要,氣缸是實驗臺的驅(qū)動部件,對系統(tǒng)響應非常大。本文中,首先建立氣缸(包括活塞)的零件虛擬模型,保證它們的質(zhì)量和實際的氣缸相同,活塞和氣缸之間添加一個移動副,在氣缸兩端和活塞之間添加兩個受后臺子程序控制的彈簧力,這兩個力模擬氣體對活塞的作用力,不考慮氣體阻尼及磨擦的影響。由于實際的氣體作用力很難測得,不能給虛擬樣機直接提供邊界條件,只能首先給定一個參考值,這個值是由氣體壓力乘以活塞面積初步確定,也是可以修改的參數(shù)。其實作用在活塞上的氣體力不是固定值,是時間的函數(shù),而在虛擬樣機中用一個定值來模擬。
對兩個緩沖器的模擬也都是采用后臺子程序控制的彈簧力模擬,在子程序里可以定義它的剛度、阻尼、預壓力等。另外,在氣缸兩端和活塞之間添加兩個碰撞副,主氣缸活塞和撞擊座之間添加一個碰撞副。
通過零件模型的導入、邊界條件和運動副的添加,形成了一個完整的試驗臺多剛體虛擬樣機(如圖3.1)。
由于沒有考慮支撐立板的柔性,多剛體虛擬樣機仿真只能得到激光斑在垂直方向的散布度,水平方向上的散布度為0,不能真實反映試驗臺的動態(tài)性能。在多剛體虛擬樣機的基礎(chǔ)上,考慮支撐立板的柔性,包括傳力點的設(shè)置、有限元網(wǎng)格劃分、計算模態(tài)和替換剛體等,形成剛?cè)峄旌咸摂M樣機,如圖3.2。
4. 試驗臺虛擬樣機的修正
初始仿真模型的動態(tài)特性不一定會和實際的試驗系統(tǒng)的動態(tài)特性一樣,總有或多或少的偏差,這是由于雖然幾何模型一樣,但是仿真和試驗的邊界條件不一樣,例如裝配的間隙,緩沖器的剛度和阻尼,氣體作用力,碰撞系數(shù),材料參數(shù)均存在著誤差,這些參數(shù)有些是測試很困難,有些是無法得到的。為了使仿真的結(jié)果與試驗結(jié)果趨近一致,就要根據(jù)試驗結(jié)果對這些不是很確定的參數(shù)進行修正。
3.1 虛擬樣機參數(shù)修改前后與實測結(jié)果對比
圖3.1是主位移(主氣缸在導軌上的位移)在虛擬樣機修正前后和實測結(jié)果的對比,圖3.2是激光斑效果在虛擬樣機修正前后和實測結(jié)果的對比。
從圖 3.1 可以看出,與實測結(jié)果對比,修正后的虛擬樣機仿真結(jié)果比修正前的結(jié)果有很大的提高。修正后的主位移和實測位移擬合程度較好,幅值基本一致,相關(guān)系數(shù)由 0.5321 提高到 0.9073,相關(guān)系數(shù)表示兩個結(jié)果在時間歷程上的近似程度。圖 3.2 中,修正的效果更為明顯,利用散布度量化修正的效果更為合適,如下表 3.1。
從表3.1可以看出,在水平方向上修正前的誤差為30.93%,修正后為3.64%;在垂直方向上修正前的誤差是274.3 %,修正后為7.53 %。從散布度和修正結(jié)果的息義上看,修正后的誤差控制在10%以內(nèi),實現(xiàn)了修正的基木目的。
3.2虛擬樣機參數(shù)修正
初始的虛擬樣機與試驗臺的差距較大,必須參照試驗臺的測試結(jié)果對虛擬樣機進行修正,而修正的對象就是虛擬樣機中一些無法確定或很難獲得的參數(shù)。有些參數(shù)是比較容易獲得的,例如卞緩沖器和支撐緩沖器的剛度,就是通過實測直接添加到虛擬樣機里的,得到一個虛實混合的虛擬樣機。但是修正那些參數(shù)和如何修正是一個值得研究的問題,木課題在對曲柄滑塊機構(gòu)模型修正等研究的基礎(chǔ)上,結(jié)合試驗臺的特點,對一些關(guān)鍵參數(shù)作了一些修正。修正的參數(shù)和修正前后的對比見表3.2
表3.2中的參數(shù)都不同程度上影響到虛擬樣機的動態(tài)響應,碰撞系數(shù)卞要影響到碰撞過程中能量的損失和碰撞力的大小,對十卞氣缸還影響到其行程。卞氣缸和擾動氣缸氣體模擬力的初始定值200N是由實際的氣體壓力和活塞截ICI積乘積,其實這個力比較復雜,修正后這個力分別為100N和120N。
修正前兩個緩沖器均沒有考慮預壓力,其實在裝配時一就存在一定的預壓力,修正后分別為79.2N和44N, 它們主要影響到系統(tǒng)的固有頗率,關(guān)鍵是這個頗率要和激勵頗率匹配,伸系統(tǒng)響應認到一個態(tài)平衡,不能發(fā)散。卞行程的阻尼系數(shù)由初始的0.01修正為350,變化很大,因為’已卞要影響到卞氣缸的行程和系統(tǒng)的固有頻率。
激光斑水平方向上的散布度卞要靠支撐立板的變形產(chǎn)生,立板的材料為剛,其彈性模量的初始值為2.1E+O11Pa,經(jīng)過修正后’已的值幾乎減小了一信,失去了’已的物理息義,原因在十虛擬樣機沒有考慮到支撐立板和安裝底板的間隙,而是利用立板柔性的增加來補償間隙對系統(tǒng)響應的影響。立板的剛度降低了,反而激光斑的散布度降低了,這是由十干擾氣缸氣體模擬力同時一也降低了。另外,立板的結(jié)構(gòu)阻尼系數(shù)由0修正到0.8,也在一定程度上降低了激光斑的散布度。
5.總結(jié)
在虛擬樣機仿真分析的指導下,設(shè)不l一的試驗臺測試結(jié)果基木符合設(shè)不l一要求,根據(jù)實際的試驗臺細化虛擬樣機得到多剛體虛擬樣機,將試驗臺的薄弱構(gòu)件支撐立板柔性化,建立試驗臺的剛?cè)峄旌咸摂M樣機。在實測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,確定需要修改的虛擬樣機參數(shù),采用攝動法進行參數(shù)修正,得到一組較優(yōu)的參數(shù)組合,使虛擬樣機的仿真結(jié)果和實測結(jié)果有較好的一致性,提高了虛擬樣機的真實度,達到了修正的基木目的,使虛擬樣機的應用在一定程度上可以減少物理實驗的次數(shù)。
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