ADAMS在机械原理机构教学中的应用

崔 立,梁彩平,李 宁,吴 俊

ADAMS在机械原理机构教学中的应用

崔 立,梁彩平,李 宁,吴 俊

(上海第二工业大学机电学院,上海201209)

介绍了应用虚拟样机仿真软件——ADAMS(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems,机械系统动力学自动分析)在机械原理课程中进行机构动力学求解与机构设计优化的原理与方法,分析了传统机构教学方法的缺点以及虚拟样机仿真软件在机构教学中的应用过程。通过分别对内燃机机构、共轭凸轮机构进行仿真,说明了ADAMS软件在机械原理机构动力学教学以及机构创新设计与优化中的应用。

虚拟样机;ADAMS;机械原理;机构教学

0 引言

机械原理课程的主要组成部分为机构学和机械动力学[1]。机构学研究机构运动时仅对几何结构进行计算,而不考虑力对机械系统运动产生的影响[2]。机械动力学研究的是机器在已知载荷作用下的真实运动规律和调节方法、机械效率以及如何平衡惯性力等问题。一方面,在机械原理课程中要使学生掌握对机构的结构、运动学和动力学进行分析的理论知识,培养学生对现有机构的理论分析能力;另一方面,机械原理课程的培养目标是使学生具有机构运动方案的创新设计能力,针对不同的设计任务,提出多种机构运动方案,并进行综合评价,因此它又是一门实践性很强的课程。

对机械和机构开展运动学、动力学分析的方法有图解法和解析法。图解法较为形象、直观,但求解精度不高,对于较复杂的机构需要反复作图,其过程相当繁琐,且由于测量误差等原因,求解的准确性较差。解析法通过数学关系式将机构中已知的尺寸参数和运动变量与未知的运动变量相关联,然后进行求解,因此解析方程一旦列出,即可求解机构在不同位置处的运动变量,但对于复杂机构则需要编制求解的计算机程序,工作量很大,输出的结果也很难直观地演示。

ADAMS虚拟样机软件可在交互式的图形环境下创建机械系统的三维模型[3-4],采用拉格朗日方程法求解系统动力学方程;可以对机械系统开展静力学、运动学和动力学分析,输出位移、速度、加速度和作用力曲线[5];可用于机构的设计、装配、运动性检测、机构动力学分析等过程[5-6]。王鸿云、刘相权等[1,7]探讨了机械原理教学中引入ADAMS软件的必要性,但目前仅将动画应用到了课堂教学中。

上海第二工业大学机械专业FH班的使用了ADAMS虚拟样机软件。本文通过实例,分析介绍了ADAMS软件在机构运动学分析、动力学分析和机构设计与优化中的应用,使用ADAMS仿真实现了机械原理教学中机构的创新设计、优化及动力学分析。

1 ADAMS软件在机构分析中的应用

使用ADAMS软件进行机构建模仿真的步骤:首先对运动部件建模并用运动副的模型和约束连接,然后施加外力或运动驱动,采用拉格朗日方程法建立微分方程求解,仿真过程完成后在后处理界面中观察模型的运动并提取计算结果。

在机械原理机构教学过程中,可使用ADAMS软件进行机构建模、施加驱动与载荷、动态仿真,通过动画和数据输出将机构很直观地演示出来,激发学生学习机构的兴趣。使用ADAMS软件还可以通过后处理平台输出复杂机械系统的运动学和动力学性能,帮助学生完成机构的创新设计。

以机械原理课程中内燃机的曲柄连杆机构为例,在ADAMS软件中建立仿真模型,计算机构的受力情况并对机构进行分析。由于内燃机连杆和曲轴等部件在高速运行过程中的受力情况十分复杂,这些因素对于曲柄连杆机构的应力、应变磨损的情况具有决定性的作用。为便于进一步分析强度及疲劳寿命,首先必须得到这些构件所受外力的大小以及变化规律。

在ADAMS软件中建立曲柄连杆系统模型,设置各部件的材料属性。定义各部件之间的运动副关系、添加约束和边界条件,图1所示为某船用七缸内燃机的ADAMS模型。

图1 内燃机曲柄连杆机构的ADAMS仿真模型Fig.1 Simulation model of crank-link mechanism of engine in ADAMS

按照给定内燃机缸内压力曲线,添加活塞上所受压力。在活塞处的移动副,活塞杆与连杆、连杆与曲轴、曲轴与机架间旋转副上考虑摩擦力作用。施加摩擦力的方法为直接在旋转副和移动副上添加摩擦系数,取静摩擦系数为0.10,动摩擦系数为0.08,给定旋转副摩擦臂的大小。

设定仿真时间为30 s,计算完成后得出各运动副处所受的外力。以内燃机第1缸为例进行分析。

图2给出了曲轴在转速平稳时段运转2个周期内的气缸爆炸力的测量结果,可以看出气缸内爆炸力呈稳定的周期变化。

在ADAMS软件中使用传感器对曲轴系统所有移动副和旋转副摩擦力进行测量,图3给出了转速平稳时段2个周期内活塞与缸筒之间的滑动摩擦力、活塞杆与连杆间的摩擦力矩、连杆与曲轴间的摩擦力矩。

图2 曲轴运转2个周期内的气缸爆炸力Fig.2 Explosive force of cylinder within two rotation cycles of crankshaft

图3 各运动副的摩擦力和摩擦力矩测量Fig.3 Measurement of friction and friction torque of kinetic pairs

根据计算得到各运动副的受力情况,可分析系统工作应力与应变,从而校核内燃机关键零部件的强度。

将曲轴连杆系统动力学分析得到的载荷文件导出,在1个周期内取10个时间点的载荷进行分析,使用ANSYS软件分析曲轴在这些时刻的应力与应变。在工作周期内计算发现较大应力的位置出现在曲拐与连杆连接过渡圆角附近、曲轴的轴颈与曲拐连接处。应力最大值为185 MPa,Mises应力分布如图4所示。由于曲轴材料的对称循环弯曲疲劳极限为300 MPa,故该曲轴强度满足使用要求。

图4 曲轴最大Von Mises应力Fig.4 Maximum Von Mises stress of crankshaft

2 ADAMS软件在机构设计及优化中的应用

以机械原理课程设计题目“打纬机构设计”为例,介绍ADAMS软件在机构创新设计、机构性能分析与优化中的应用过程。

首先,进行机构的方案设计,打纬机构方案有连杆打纬机构和凸轮打纬机构。经过对打纬机构的结构分析和方案比较,可知连杆打纬机构运动没有停顿时间,所以筘座幅度及速度都受到限制。而共轭凸轮打纬机构能实现200°～300°的筘座绝对静止角,且可按工艺要求来设计凸轮外形从而保证摆动规律,因而更能满足机构要求。

然后,进行共轭凸轮的设计。共轭凸轮打纬机构的设计应满足这些要求:打纬过程中,筘座由静止状态开始运动,再到由运动变为静止,位移、速度和加速度的变化光滑连续平缓;正加速度和速度的峰值应较小,跃度曲线连续且无突变。

接下来要选择筘座的运动曲线,但单一运动曲线方程往往不能同时满足要求,因此采用两种或三种曲线组合。按照设计要求,选择可适用于高速、稳定运行的正余弦组合运动曲线,各段时期内筘座运动的角加速度可以表示为:

其中:λ为凸轮转角;¨β为角加速度;A,b,B为设计系数。

由共轭凸轮轮廓线方程式解析求出凸轮机构中主、回凸轮轮廓线,将该凸轮轮廓线输入到ADAMS样条曲线中可以得到凸轮机构模型,对摆杆与地面、共轭凸轮与地面之间添加转动副,对两滚子与摆杆间添加接触约束,在共轭凸轮基圆圆心处添加STEP转速函数,建立模型如图5所示。

图5 共轭凸轮机构ADAMS模型Fig.5 ADAMS model of conjugate cam mechanism

对ADAMS共轭凸轮机构进行动力学计算,得到结果如图6所示。由图6分析可知,凸轮筘座的角速度存在波动、角加速度存在多处突变,这将引起机构具有较大的惯性力并存在较大振动。因此,需要对凸轮轮廓线进行优化。

用正弦分段组合的运动规律来设计共扼凸轮虽然比较方便,但是这种凸轮运动曲线起止端的跃度是不连续的[8],图6所示的仿真结果也证实了较大惯性力的存在。因此,对正余弦组合的筘座运动规律进行改进优化,将3段正余弦组合曲线更改为更加平滑的5段曲线,筘座运动的角加速度表达式为:

图6 共轭凸轮机构动力学结果:(a)原型凸轮筘座角速度; (b)原型凸轮筘座角加速度Fig.6 Dynamic results of conjugate cam mechanism:(a) Angular velocity of original cam sley;(b)Angular acceleration of original cam sley

其中,c为设计系数。

使用以上改进过的运动曲线设计凸轮轮廓线,将得到的新凸轮轮廓线导入ADAMS模型中,仿真得到新的凸轮筘座动力学结果如图7所示。

经过对比可以看出优化后得到的共轭凸轮打纬机构,其角速度的波动几乎被消除,角加速度曲线突变大大减少且最大加速度幅值仅为优化前的1/3,因此惯性力也减小为优化前的1/3。

使用ADAMS仿真软件能够较容易地得到凸轮机构动力学计算结果,在运动学分析和基本尺寸动力性能优化的基础上,进行机构的优化设计,即可得到满足使用要求的机构。

图7 凸轮优化设计后动力学结果:(a)优化凸轮筘座的角速度曲线;(b)优化凸轮筘座的角加速度曲线Fig.7 Dynamic results of optimization cam:(a)Angular velocity of optimized cam sley;(b)Angular acceleration of optimized cam sley

3 结论

本文研究了ADAMS在机械原理机构教学中的应用,实现了机械原理机构教学方法的创新。分别以内燃机曲柄连杆机构、共轭凸轮打纬机构为实例,研究了ADAMS在机构动力学分析、机构设计及优化中的应用,弥补了机械原理传统教学中机构动力学求解困难、机构优化难以实现的缺点。

通过教学实践表明,学生对所学机构以及设计任务产生了浓厚的兴趣,激发了他们的学习热情,培养了他们的创新意识,大大提高了学生的实际机构设计能力。在教学过程中使用ADAMS软件完成了机械原理课程设计,实现了机构创新设计。该软件还可用于后续机械类课程,实现机械系统的计算机辅助设计与分析。

[1]王鸿云,郑洋洋.ADAMS在机械原理课程教学中的应用[J].计算机光盘软件与应用,2012(7):63-66.

[2]孙桓.机械原理[M].西安:西北工业大学出版社,2013.

[3]高秀华.机械三维动态设计仿真技术[M].北京:化工工业出版社,2003.

[4]陆林,李耀明.虚拟样机技术及其在农业机械设计中的应用[J].中国农机化,2004(4):59-61.

[5]赵武云.ADAMS基础与应用实例教程[M].北京:清华大学出版社,2012.

[6]陈泽.轿车刚弹耦合建模及行驶平顺性分析[D].吉林:吉林大学,2009.

[7]刘相权,米杰.基于ADAMS的机械原理课程设计教学研究[J].中国科技信息,2012(24):188-189.

[8]滕兵,何勇.共轭凸轮打纬机构分析与优化[J].山东纺织科技,2007(1):40-42.

Application of ADAMS in Teaching of Mechanism in Theory of Machinery

CUI Li,LIANG Cai-ping,LI Ning,WU Jun
(School of Mechanics&Electronic Engineering,Shanghai Second Polytechnic University, Shanghai 201209,P.R.China)

The principle and method of virtual prototype simulation software—ADAMS using in modeling and dynamic simulation of mechanism system is introduced.Traditional teaching methods are analyzed and the application course of virtual prototype simulation software in mechanism teaching is given.Taking an engine mechanism and conjugate cam mechanism as examples,application of ADAMS in teaching dynamic,design and optimization of mechanism in theory of mechanism and machinery are illuminated.

virtual prototype;ADAMS;theory of machinery;teaching of mechanism

TH111

A

1001-4543(2014)04-0311-05

2014-03-07

崔立(1981–),男,河南人,讲师,博士,主要研究方向为高速轴承技术和数字化设计制造。电子邮箱cuili@sspu.edu.cn。

上海第二工业大学校基金项目(No.EGD14XQD12)、上海市自然科学基金项目(No.14ZR1416800)、上海市联盟计划项目(No.LM201408)资助