搜索機(jī)構(gòu)分析與合成的運(yùn)動模擬
2013-06-09 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來源:仿真在線
作者: COSMOS 來源: COSMOS
關(guān)鍵字: 運(yùn)動模擬 FEA 機(jī)構(gòu)分析 動力學(xué)性能
簡介
二十世紀(jì)八十年代以來,設(shè)計(jì)工程中首次使用計(jì)算機(jī)輔助工程(CAE)方法后,有限元分析(FEA)就成了最先被廣泛采用的模擬工具。多年來,該工具幫助設(shè)計(jì)工程師研究新產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)性能,并讓他們使用在CAD模型上運(yùn)行的廉價(jià)計(jì)算機(jī)模擬代替了很多耗時(shí)又昂貴的原
今天,由于機(jī)械產(chǎn)品日漸復(fù)雜,不斷加劇的競爭加快了新設(shè)計(jì)方案投入市場的速度,工程師們越來越迫切地感到必須使模擬超出FEA的局限范圍。除了使用FEA模擬結(jié)構(gòu)性能外,工程師還需要在構(gòu)建物理原型之前確定新產(chǎn)品的運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)性能。
運(yùn)動模擬(又稱剛性實(shí)體動力學(xué))提供了用于解決這些問題的模擬方法。它很快就得到了廣泛應(yīng)用,與此同時(shí),設(shè)計(jì)工程師希望了解更多關(guān)于該模擬工具的情況:它是什么樣的工具?它能解決什么問題?它能給產(chǎn)品設(shè)計(jì)流程帶來什么益處?
本文旨在回答這樣一些問題并介紹運(yùn)動模擬可以解決的示例問題。此外,本文還提供了一些將運(yùn)動模擬用作CAE設(shè)計(jì)工具的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用。
用于機(jī)構(gòu)分析與合成的運(yùn)動模擬
假設(shè)一位工程師要設(shè)計(jì)一個(gè)用于繪制各種橢圓的橢圓規(guī)。在CAD裝配體中定義配合后,他可以使模型活動起來,以查看機(jī)構(gòu)零部件的移動方式。(圖1)雖然裝配體動畫可以顯示裝配體零部件的相對運(yùn)動,但運(yùn)動速度卻沒有意義,而且計(jì)時(shí)也具有任意性。要得出速度、加速度、接點(diǎn)反作用力、功率要求等結(jié)果,設(shè)計(jì)人員需要一個(gè)更強(qiáng)大的工具。運(yùn)動模擬便應(yīng)運(yùn)而生了。
圖1使用CAD動畫制作器模擬的、處于不同位置的橢圓規(guī)。
運(yùn)動模擬可以提供運(yùn)動機(jī)構(gòu)所有零部件的運(yùn)動學(xué)性能(包括位置、速度和加速度)和動力學(xué)性能(包括接點(diǎn)反作用力、慣性力和功率要求)的完整量化信息。更重要的是,幾乎不用耗費(fèi)更多的時(shí)間就可以獲得運(yùn)動模擬結(jié)果,因?yàn)閳?zhí)行運(yùn)動模擬所需的所有內(nèi)容都已在CAD裝配體模型中定義好了,只需將它們傳輸?shù)竭\(yùn)動模擬程序即可。
用于機(jī)構(gòu)分析與合成的運(yùn)動模擬
在上述橢圓規(guī)案例中,設(shè)計(jì)人員只需確定馬達(dá)的速度、要繪制的點(diǎn)以及希望查看的運(yùn)動結(jié)果。程序會自動執(zhí)行其余的內(nèi)容,無須用戶干預(yù)。運(yùn)動模擬程序使用CAD零件的材料特性定義機(jī)構(gòu)零部件的慣性特性,并將CAD裝配體配合條件轉(zhuǎn)換為運(yùn)動接點(diǎn)。然后,該程序會自動用等式描述機(jī)構(gòu)運(yùn)動。與使用FEA研究的靈活結(jié)構(gòu)不同,機(jī)構(gòu)被表示為由剛性零部件組成的裝配體,而且自由度很小。數(shù)字解算器會很快解算出運(yùn)動方程式,結(jié)果包括所有機(jī)構(gòu)零部件的位移、速度、加速度、接點(diǎn)反作用力和慣性載荷以及保持運(yùn)動所必需的功率的完整信息。(圖2)
圖2由運(yùn)動模擬器計(jì)算的線速度和馬達(dá)功率要求
圖3中所示的翻轉(zhuǎn)滑桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動模擬是機(jī)械運(yùn)動學(xué)教材中常見的一種示例。此處引用該示例的目的是為了獲得曲柄以勻速旋轉(zhuǎn)時(shí)搖臂的角速度和加速度。可以使用多種分析方法來解決該問題;學(xué)生最常使用的可能是復(fù)數(shù)方法。但是,“手動”解決這樣的問題需要進(jìn)行大量的計(jì)算,即使借助計(jì)算機(jī)化的電子表格,也要耗費(fèi)幾個(gè)小時(shí)來構(gòu)建速度和加速度圖表。即便如此,如果滑桿的幾何體發(fā)生更改,那么整個(gè)過程都要從頭再來。這樣的事情對于還在上學(xué)的學(xué)生來說是個(gè)有趣的作業(yè),但在現(xiàn)實(shí)產(chǎn)品開發(fā)中卻根本不切實(shí)際。運(yùn)動模擬軟件使用CAD裝配體模型中已有的數(shù)據(jù)幾乎可以即時(shí)地模擬翻轉(zhuǎn)滑桿的運(yùn)動。
圖3用于計(jì)算搖臂角速度的翻轉(zhuǎn)滑桿機(jī)構(gòu)模擬。
用于機(jī)構(gòu)分析與合成的運(yùn)動模擬
圖4用戶可以輕松地檢測和更正滑桿和驅(qū)動連桿之間的干涉。
工程師可以將簡單機(jī)構(gòu)(如上述的橢圓規(guī)或翻轉(zhuǎn)滑桿)表示為2D機(jī)構(gòu)。雖然進(jìn)行手動分析比較困難且耗時(shí),但工程師們確實(shí)找到了分析結(jié)果的方法。但是,3D機(jī)構(gòu)(即使是簡單機(jī)構(gòu),如圖5所示)迄今還未建立分析結(jié)果的方法。運(yùn)動模擬卻可以在幾秒之內(nèi)輕松地解決這一問題,這是因?yàn)檫\(yùn)動模擬是專為處理任何復(fù)雜程度的機(jī)構(gòu)(無論是2D還是3D)而設(shè)計(jì)的。機(jī)構(gòu)可能包含大量的剛性連接裝置、彈簧、阻尼器和相觸面組,但求解時(shí)間方面幾乎不作任何判罰。例如,雪地車前懸架(圖6)、健身器(圖7)或CD驅(qū)動器(圖8)等的運(yùn)動可能會像翻轉(zhuǎn)滑桿一樣易于模擬。
圖5“手動”分析簡單3D機(jī)構(gòu)非常困難,但使用運(yùn)動模擬卻易如反掌。
圖6雪地車的前懸架由大量包含彈簧和阻尼器的連接裝置組成。
圖7健身器設(shè)計(jì)受益于運(yùn)動模擬,它在該設(shè)計(jì)中用于優(yōu)化各步驟的運(yùn)動軌跡以及計(jì)算用戶生成的功率。
圖8CD驅(qū)動器是一種復(fù)雜的機(jī)構(gòu),但仍可以使用運(yùn)動模擬輕松地進(jìn)行分析。
除了機(jī)構(gòu)分析外,產(chǎn)品開發(fā)人員還可通過將運(yùn)動軌跡轉(zhuǎn)換為CAD幾何體,來將運(yùn)動模擬用于機(jī)構(gòu)合成。圖9顯示了一個(gè)問題范例。此設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì)的是一個(gè)會沿著導(dǎo)軌移動滑桿的凸輪,此設(shè)計(jì)使用運(yùn)動模擬生成了該凸輪的輪廓。用戶將所需滑桿位置表達(dá)為時(shí)間和滑桿在旋轉(zhuǎn)坯料凸輪(圓盤)上移動的軌跡的函數(shù)。然后,將軌跡路徑轉(zhuǎn)換為CAD幾何體,以創(chuàng)建凸輪輪廓,如圖10所示。
圖9應(yīng)用了一個(gè)位移函數(shù),以使滑桿沿導(dǎo)軌移動。
圖10滑桿沿旋轉(zhuǎn)圓盤移動,繪制出凸輪輪廓,圖中顯示為圓盤上的切槽。
設(shè)計(jì)人員還可將運(yùn)動軌跡用于多個(gè)用途,例如,驗(yàn)證工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(如圖11所示)、測試工具路徑以獲取選擇所需機(jī)器人大小所需的信息,以及確定功率要求,所有這些操作都不需要進(jìn)行任何物理測試。
圖11通過模擬工業(yè)機(jī)器人在多個(gè)位置之間的移動,可以創(chuàng)建工具路徑,而不需進(jìn)行任何物理測試。
運(yùn)動模擬的另外一項(xiàng)重要應(yīng)用與運(yùn)動實(shí)體之間的碰撞所產(chǎn)生的運(yùn)動有關(guān)。盡管必須對此類碰撞實(shí)體的彈性進(jìn)行特定的假設(shè),但使用運(yùn)動模擬可以得出機(jī)構(gòu)(其零部件可能只經(jīng)歷過臨時(shí)接觸)的精確結(jié)果,如圖12所示。
圖12舉例來說,使用運(yùn)動模擬可以模擬碰撞和接觸,以研究閥提升機(jī)構(gòu)中凸輪和曲線儀(搖桿)之間可能形成的縫隙。
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