基于Pro/E与ADAMS的槽式太阳聚光器的联合仿真

郑方辉, 肖洪，朱天宇

(河海大学 机电工程学院，江苏 常州 213022)

基于Pro/E与ADAMS的槽式太阳聚光器的联合仿真

郑方辉, 肖洪，朱天宇

(河海大学 机电工程学院，江苏 常州 213022)

介绍了三维设计软件Pro/E和机械系统动力学仿真软件ADAMS两者之间联合仿真的方法与步骤。建立了槽式太阳聚光器的虚拟样机模型，并对其进行了动力学仿真，验证了模型可靠性和Pro/E与ADAMS进行联合仿真的可行性。运用虚拟样机技术，可以提高设计效率，降低产品开发成本和设计风险，缩短产品研发周期，为后续复杂机、电、液一体化的仿真分析提供了一种便捷的联合仿真方案。

槽式太阳聚光器；Pro/E；ADAMS；联合仿真

0 引言

作为最早实现商业化运营的太阳能热发电技术，槽式太阳能热发电技术目前已较为成熟，且其发电站也是目前所有太阳能热发电试验电站中功率及年效率最高的。目前太阳能槽式发电的研究工作集中在新材料、新工艺、新设计等方面，并已取得了一些实质性的进展。由于现有理论的局限，要取得进一步的技术突破，还需要一段探索过程。本文从槽式太阳聚光装置支架入手，建立其虚拟样机模型，采用联合仿真技术对其机械系统进行动力学仿真研究，验证模型可靠性，为后续液压驱动系统与控制系统设计研究提供参考和技术支持。

在传统的产品设计与制造过程中，为了验证产品的整体性能，往往采用物理原型(Physical Prototype)的方法，但这种方法生产周期长、成本高。随着计算机和CIMS技术的迅猛发展，虚拟样机在产品设计和制造中起到越来越重要的作用。虚拟样机(Visual Prototype也称虚拟原型)技术是在计算机上设计产品的整体模型，并针对该产品在投入使用后的各种工况进行仿真分析，预测产品的整体性能，进而改进产品设计、提高产品性能的一种新技术。本文采用Pro/E来实现槽式太阳聚光器支架三维模型的建立，再导入到ADAMS中进行仿真分析。

1 Pro/E和ADAMS软件介绍

Pro/E软件是美国参数技术公司(parametric technology corporation,PTC)的重要产品。在目前的三维造型软件领域中占有重要地位，并作为当今世界机械CAD/CAE/CAM领域的新标准而得到业界的认可和推广。软件包Pro/Engineer是该系统的基本部分，其主要功能包括参数化定义、实体零件及组装造型，三维上色实体或线框造型等。

ADAMS(automatic dynamic analysis of mechanical systems)软件是美国MDI(mechanical dynamics inc)公司开发的目前最权威的机械系统运动学与动力学仿真计算的商用软件。它使用交互式图形环境和零件库、约束库、力库，创建完全参数化的机械系统几何模型，其求解器采用多刚体系统动力学理论中的拉格朗日方程，建立系统动力学方程，对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析，输出位移、速度、加速度和反作用力曲线，通过在计算机上创建虚拟样机来模拟复杂机械系统的整个运动过程，从而达到改进设计品质、节约成本、节省时间的目的。其核心模块包括ADAMS/View和ADAMS/Solver。

在利用Pro/E和ADAMS进行联合设计时，一般在Pro/E中实现三维特征建模，利用Pro/E生成零件实体，然后装配成运动部件并进行干涉检查，再将整个模型传送给ADAMS，在ADAMS中仿真参数的设定，产生参数化的机构模型，并进行动力学仿真。一般情况下的联合仿真设计流程如图1所示。

图1 联合仿真设计流程图

2 槽式太阳聚光器支架的三维实体建模

2.1Pro/E中建立各零部件的三维实体模型

在草绘界面通过拉伸、旋转、扫描等基本特征建立零件模型，再通过倒角、圆角修饰等特征造型方法处理模型，得到准确完整的零部件模型，主要零部件如图2。

图2 支架主要零件及装配件三维模型

2.2 利用零部件的连接关系建立装配

首先进入Pro/E原始界面，单击“新建”按钮，打开“新增”图框，在“类型”栏选择“组件”，在“子类型”栏选择“实体”，取消“使用缺省模板”选项，在“新增选项”图框的模板下选取mmns-part-solid选项，单击“确定”按钮进入装配界面。新建装配文件，定义各个零件或子装配体之间的约束关系，得到支架装配体的三维模型,如图3所示。

图3 支架Pro/E装配体

3 槽式太阳聚光器支架的动力学仿真

3.1 建立虚拟样机模型

将在Pro/E中创建的模型导入ADAMS仿真环境。Pro/E与ADAMS间进行图形数据传递的方法主要有两种：1) 使用Pro/E和ADAMS的专用数据接口模块Mechanism/Pro;2) 通过标准图形格式转换，即将Pro/E创建的模型存储为中性文件格式，再导入ADAMS中去。Pro/E与ADAMS共同支持的中性文件格式主要有：IGES，STEP，DXF/DEG，SLA，Render等，但在传递过程中可能会导致模型属性、特征丢失，在导入后需要另外添加。

本文采用第二种方式，在ADAMS中提供的多种数据模型接口中，最常用的格式是parasolid，其扩展名为：*.x_t,文件名和保存路径不要出现中文字符；在ADAMS中的import选择文件类型，指向文件，选择model name,在后面的空格里单击右键，选model再选create,修改名字；在ADAMS中可以编辑各个零件的属性，添加约束。

在虚拟样机中，机构之间的相对运动是通过运动副来实现的。ADAMS建模时或者中性文件导入后，可以通过各种约束限制构件之间的相对运动，并以此将不同构件连接起来，组成一个机械系统。在本文槽式太阳聚光器支架虚拟样机中，由于零件较多，在ADAMS中对没有相对运动的零件作了布尔运算，简化模型。简化后的模型分为：扭矩框、反射镜、支撑架(三个)五个部分(不含大地)，模型如图4所示。

图4 支架虚拟样机模型

验证虚拟样机模型，单击菜单栏中的“Tools”-“Model Verify”命令，可以启动模型自检。完成自检后，程序显示自检结果表。完成模型属性、约束(四个固定副和三个旋转副)和驱动添加。

3.2ADAMS动力学仿真

在用Adams/solver进行计算前，先确定计算仿真的时间和选择合适的步长，根据初始位置和实际工作情况，驱动速度设置为0.004d/s,确定仿真时间为43200s，即工作12h，步长为50000步。将驱动力矩MOTION_1和反射镜PART3的质心CM_Position设置为测量点，用以记录驱动力矩和PART3 CM_Position位移随时间变化情况,如图5所示。

图5 驱动力矩曲线图

从曲线图5上可以看出力矩变化整体呈对称分布，y、z方向力矩波动较之x方向更为明显。将驱动速度增大到30d/s，同时增加仿真步数后，力矩随时间变化情况整体不变，但更为直观明了，如图6所示。

图6 驱动速度30 d/s时力矩曲线图

从仿真结果看，在没有外负载(如风载)情况下，驱动力矩只需克服装置重力进行动力学仿真，力矩曲线呈对称分布。当相对增加仿真步数时，仿真结果更为明了，y，z方向力矩分量波动尤为明显。反射镜,即PART3的质心位移在x轴上的分量保持不变，在y，z轴方向上的分量的起始点和终止点呈对称点分布，总位移保持不变，如图7所示。驱动力矩MOTION_1和质心位移PART3 CM_Position的变化规律与装置实际变化规律一致，验证了模型可靠性和联合仿真技术的可行性，为后续机电液联合仿真分析提供了基础。

图7 PART3 CM_Position位移曲线图

4 结语

Pro/E和ADAMS作为三维建模领域和动力学仿真分析领域的优势产品，二者的联合仿真广泛应用于机械设计、产品开发、工程校验等过程中。本文在ADAMS中建立了虚拟样机模型，实现了太阳能聚光装置支架的动力学仿真，为下一步优化设计提供依据，同时该方法也为后面液压和控制系统的设计研究提供参考和依据，极大地缩短了研发周期，降低了生产成本，对企业提高设计效率和产品品质具有重要的指导意义。

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Co-simulation of Trough Solar Concentrator Based on Pro/E and ADAMS

ZHENG Fang-hui, XIAO Hong,ZHU Tian-yu

(Mechanical and Electrical Institute, Hohai University, Changzhou 213022, China)

The methods and steps of the united simulation by the 3-dimension modeling software Pro/E and the dynamic simulation & analysis software ADAMS are introduced. The virtual prototype model of the trough solar concentrator station is established, and the kinematics simulation is done, the reliabilily of the model and the feasibility of the united simulation by Pro/E and ADAMS are demonstrated. Virtual prototype technology can be used to improve the design efficiency and reduce the design risk, costs of product development and shortening development cycle. It proposes a convenient co-simulation scheme for mechanical-electrical-hydraulic coupling system.

trough solar concentrator; Pro/E; ADAMS; united simulation

国家重点基础研究发展计划(973计划)高效规模化太阳能热发电的基础研究(2010CB227102);南通市2011B产学研合作科技计划——新能源及装备制造项目(BC2011009)

郑方辉(1987-)，男，湖北武汉人，硕士研究生，研究方向为机械电子工程。

TP391.9

B

1671-5276(2014)02-0102-03

2013-01-28