虚拟样机技术在水电站启闭机设备设计中的应用

牛军燕1，刘 杰，唐永涛3，刘 全

(1.河南交通职业技术学院，河南 郑州 450015；2.河南职业技术学院，河南 郑州 450015；3.华电郑州机械设计研究院有限公司，河南 郑州 450000)

0 引言

随着数控技术的发展，工业生产逐步变成了自动化、智能化的生产方式[1]。如果直接设计并制造出物理样机，一旦出现碰撞干涉或个别杆件应力不足等现象，将需要重新设计，这样不仅浪费成本而且延长生产周期。而虚拟样机技术作为一种先进的计算机技术，可以大大减少昂贵而费时的物理样机制造及试验过程，设计人员可以直接在计算机进行快速分析，比较多种设计方案，进行分析优化，在设计中及时发现问题，提高产品质量，缩短产品开发周期，降低产品开发成本，显示了其无与伦比的作用与地位[2]。

1 虚拟样机技术的软件平台

虚拟样机技术是指在产品设计开发过程中，将分散的零部件设计和分析技术揉和在一起，在计算机上建造出产品的整体模型，并针对该产品在投入使用后的各种工况进行仿真与分析，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[3]。虚拟样机技术不仅具有机械系统运动学及动力学分析技术，而且还具有建模仿真技术、虚拟现实技术、计算机辅助设计与制造技术、优化分析技术、驱动元件建模技术结构分析、模型分析、控制系统设计技术等相关技术。虚拟样机技术在一些较发达国家，如美国、德国、日本等国已得到广泛的应用，应用领域从汽车制造业、工程机械 、航空航天业 、国防工业 、通用机械制造业、生物力学 、医学以及工程咨询等很多方面，虚拟样机技术也将在机械手设计研发方面扮演越来越重要的角色。本文就是利用虚拟样机技术在水电站启闭机设备上进行的研究与应用。

虚拟样机技术在工程中的应用是通过界面友好、功能强大、性能稳定的商品化虚拟样机软件实现的。以三维设计软件PRO/E、机械动力学仿真软件ADAMS、大型有限元分析软件ANSYS、Hypermesh和控制仿真软件 MATLAB为核心，构建集成的软件环境平台，从而为水电站启闭机设备的虚拟样机设计提供一种新型的、具有实用价值的工程设计方法，使企业能够应用虚拟样机技术进行产品设计与开发。ADAMS是集建模、 求解、可视化技术于一体的机械系统仿真分析软件，一方面是虚拟样机分析的应用软件，用户可以运用该软件非常方便的对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析；另一方面，又是虚拟样机分析开发工具，它拥有开放性的程序结构和多种接口，如ADAMS支持的IGES、 STEP、 DXF/DWG、 Parasolid Wavefront、Test Date等图形交换格式都可以导入到ADAMS中，进行运动学仿真和动力学仿真，更扩大了它的使用范围，同时可以成为特殊行业用户进行特殊类型虚拟样机分析的二次开发工具平台[4]。

以水电站启闭机设备的集成虚拟样机设计为例，软件设计平台如图1 所示。

图1 水电站启闭机设备的集成虚拟样机软件设计平台

如图1所示，水电站启闭机设备虚拟样机是利用计算机辅助设计分析仿真软件对虚拟样机进行性能分析的，如同对水电站启闭机设备物理样机的试验研究一样。对虚拟样机主要部件进行动力学和运动学仿真，从仿真的结果不仅可以得到各运动件的动画、位置、速度、加速度、位移、轨迹，检验机构运动是否合理，是否出现干涉、卡死等问题，还可以得到各零部件实际所受的各种载荷。有了零件所受的力和力矩作为载荷条件，可以将载荷传递给有限元分析软件ANSYS、Hyperhesh进行水电站启闭机设备关键零件的刚度、热变形、振动、动态特性等分析，获得零件的应力、应变分布、 位移以及固有频率和振型等。同时，也可以对水电站启闭机设备整机特性进行分析。在对水电站启闭机设备虚拟样机性能测试不能满足要求时，返回概念设计或详细设计中，进行方案修改或变化有关参量，直至测试满足要求。

2 虚拟样机技术在水电站启闭机设备设计中的应用

2.1 在PRO/E中建模

在水电站启闭机设备虚拟样机初步设计阶段，主要进行调研分析，了解企业的需要，明确水电站启闭机设备的工作性能，确定所设计机械手的主要结构及主要参数。具体设计是在总体方案基本确定后 ，对机械结构零部件进行主要形状和尺寸的设计，水电站启闭机设备零部件外形结构、尺寸的设计对整个机械手性能有直接的影响。

由于ADAMS软件建模功能还不完善，在仿真过程中需要借助其他CAD软件建模。本文采用PRO/E建立了水电站启闭机设备的三维实体模型。

2.2 动态仿真分析

2.2.1 导入模型

将PRO/E中的水电站启闭机设备模型导入ADAMS 中进行仿真分析。导入过程如下：PRO/E与ADAMS之间的数据传输有两种方式。

1)MSC公司推出了 ADAMS与PRO/E的接口模块，即利用Pro/E和ADAMS软件的接口程序 Mechanism/Pro来生成ADAMS可以读取的文件，这是这两个软件能无缝连接的关键所在。利用该接口程序可以直接把实体模型存成可以在ADAMS读取的文件格式。

2)对PRO/E创建好的装配体另存为 Parasolid (. x_t)格式 ，这种是 ADAMS可以识别的格式 ，从而实现连接。

经过多次试验，本文采用方式(2)进行导入，值得注意的是导入 ADAMS的实体为空白实体，无质量、无约束。

2.2.2 完善模型

完善模型对运动学分析的正确性至关重要。首先要设置好工作环境，如背景颜色、单位、工作网格的大小等，以方便后续的工作。然后对每一个零件定义质量、颜色、材料进行设定。最好为每一个零件进行重命名，这样在后续添加约束等操作时容易识别，节省时间。其次，对各运动副添加约束。水电站启闭机设备各运动部件之间用接触力属性定义，并设置摩擦系数。最后对所要求的运动关节添加驱动。水电站启闭机设备的移动关节和旋转关节都是采用 STEP函数进行驱动。

2.2.3 测量分析

在ADAMS/View环境下设置End Time为1.5 s，Steps为50，仿真类型选为缺省，然后启动仿真。

在仿真结束后，进入ADAMS的后处理模块，后处理模块可以生成水电站启闭机设备各部件的位置、速度、加速度和各个运动关节上的作用力矩、角速度等数据曲线，通过修改某些参数，就可以改变水电站启闭机设备的运动特性。另外，还可以根据水电站启闭机设备的力矩特性曲线为电机和减速器进行选型，而电机及减速器的选择是一个复杂的过程，在几种选择电机和减速器的方法中，仿真数据是最主要的选型和验证依据。因此，笔者在选择水电站启闭机设备的驱动电机时，就是根据仿真数据选择合适的电机和减速器的。

3 结语

虚拟样机技术是一门很实用的应用技术，它具有高精度的分析能力和广泛的应用范围，同时，可以使企业缩短生产周期、 降低成本、增强竞争力。通过在水电站启闭机设备上的应用分析，特别是本文提出的水电站启闭机设备的集成虚拟样机软件设计平台可以为其他的设计方案做参考利用。同时，虚拟样机技术还有利于方案的筛选和优化，可以节省大量时间，为未来的设计工作提供了一条新的思路。