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6.2  虚拟样机技术
 
      虚拟样机技术是20世纪80年逐渐兴起、基于计算机技术的一个新概念。从国内外对虚
拟样机技术(Virtual Prototyping, VP)的研究可以看出,虚拟样机技术的概念还处于发展的
阶段,在不同应用领域中存在不同定义。
 
6.2.1基本概念
 
    通常认为虚拟样机技术利用虚拟环境在可视化方面的优势以及可交互式探索虚拟物体功
能,对产品进行几何、功能、制造等许多方面交互的建模与分析。它在CAD模型的基础
上,把虚拟技术与仿真方法相结合,为产品的研发提供了一个全新的设计方法。该技术涉及
多体系统运动学、动力学建模理论及其技术实现,是基于先进的建模技术、多领域仿真技
术、信息管理技术、交互式用户界面技术和虚拟现实技术等的综合应用技术,其核心部分是
多体系统运动学与动力学建模理论及其技术实现。国外虚拟样机相关软件的开发较为成功,
目前影响较大的有美国MSC旗下的ADAMS, CADSI公司的DADS,德国航天局的
SMPACK等。
    1.机构组成
    从运动学的角度看,机器都是由若干个机构组成的,如内燃机就包含了曲柄滑块机构、
控制阀门启闭的凸轮机构和齿轮机构。机构是通过一系列运动副将多个构件联系在一起,使
其在运动过程中部件之间存在相对运动的系统。
    构件是机构的基本组成单位,是机构中的一个刚性系统,它与机构的其他刚性系统相接
触而保持一定的相对运动。机构中的固定构件称为机架;活动构件称为运动件,其中,运动
规律给定的构件称为主动件,运动规律没有给定的构件称为从动件。
    机构中两构件直接接触而又能产生一定形式的相对运动的连接,称为运动副。机构构件
之间通过运动副组成的活动连接来限制各相邻构件使它们能作一定的相对运动。常见的运动
副包括移动副、转动副、螺旋副、球面副等。
    2.机构分析的目的
    机构分析的目的在于掌握机构的组成原理、运动性能和动力性能,以便合理地使用现有
机构并充分发挥其效能,为验证和改进设计提供依据。具体内容包括结构分析、运动分析和
动力分析。
    (1)结构分析
    结构分析的目的是了解各种机构的组成及其对运动的影响,其内容包括按照一定的原则
将已知机构分解为原动件、机架、杆组,并确定机构的级别。进行运动分析和动力分析之
前,首先需要对机构进行结构分析。
    (2)运动分析
    机构的运动分析,就是根据给定的原动件的运动规律,求出机构中其他构件的运动规
律,即求出各构件的位置、速度、加速度等运动参数。以便确定各构件在运动过程中所占据
的空间大小,判断各构件之间是否会发生位置千涉,考察从动件及其上某些点能否实现预定
的位置或轨迹要求;了解从动件的速度、加速度变化规律能否满足工作要求。运动分析是计
算构件惯性力和研究机械动力性能的必要前提。
    (3)动力分析
    机构动力分析的目的有两个:一个是确定运动副中的反力,以便设计或校核机构中各零
件的强度、测算机构中的摩擦力和机械效率等;另一个是确定机构的平衡力或平衡力矩,以
便确定机器工作时所需的驱动功率或能承受的最大载荷等。
    3.作用于机构中力的分类
    1)驱动力。驱使机构产生运动的力,做正功.例如,推动内燃机活塞的燃气压力,加
在各种工作机主轴上的原动机提供的外力矩。
    2)阻力。阻止机构运动的力,做负功.可分为有效阻力(又称工作阻力,例如,机床
的切削阻力、起重机的荷重)和有害阻力(例如,齿轮机构中的摩擦力)。
    3)运动副反力。当机构运转时,在运动副中产生的反作用力,不做功。可分解为沿运
动副两元素接触处法向和切向的法向反力和切向反力(即运动副中的摩擦力)。
    4)重力。因地球吸引产生,作用在构件质心上的力,在一个运动循环中重力所做的功
的和为零,重力在很多情况下(尤其在高速机械的计算中)可以忽略不计。
    5)惯性力。与运动加速度和构建质量有关的虚拟力,Fi=-ma,在一个运动循环中所做
功的和为零。
 
6.2.2虚拟样机技术的分析原理
 
图6-13曲柄滑块机构
图6-13曲柄滑块机构
    3.仿真分析
    (1)打开曲柄滑块机构装配
    打开“资源文件”中“分析原理”下的“曲柄滑块机构.SLDASM”装配体,并单击
“运动算例”,打开“Motion管理器”,选择分析类型为“Motion分析”,如图6-14所示。
   (2)设置曲轴驱动力参数
SolidWorks 2014 设计应用教程 6.2 虚拟样机技术
   (3)仿真计算
图6-14 Motion管理器
(4)查看结果
SolidWorks 2014 设计应用教程 6.2 虚拟样机技术1
图6-17滑块质心速度曲线
图6-19滑块惯性力设置
    3)结果比较。由表6-1可见解析法和虚拟样机仿真法所得结果非常接近。但虚拟样机
仿真法非常简单,而且可以直接在机构的装配模型中进行分析,效率高、时间短。

表6-1滑块运动分析和动力分析结果比较

6.2.3  SolidWorks Motion基础
 
    目前机械工程领域中常说的虚拟样机特指MDI (Mechanical Dynamics Ins.)公司研制开
发的ADAMS (Automatic Dynamics Analysis of Mechanical System)机械系统动力学仿真分析
软件系统。该软件功能强大,可以对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析,缺点
是价格昂贵,并且同三维建模软件兼容性较弱。SolidWorks Motion是ADAMS软件的简化
版,是MDI公司专门针对Solid Works等软件开发的运动仿真模块。它以插件的形式无缝兼
容于Solid Works,具有体积小,运动速度快和对计算机硬件要求不高等特点.可以对中小装
配体进行完整的运动学和动力学仿真,得到系统中各零部件的运动情况,包括位移、速度、
加速度和作用力及反作用力等。并以动画、图形、表格等多种形式输出结果,还可将零部件
在复杂运动情况下的载荷信息直接输出到主流有限元分析软件中进行强度和结构分析。
    1. Solid Works Motion启动与用户界面
    完全内嵌于SolidWorks的Motion Manager工作环境中,利用在SolidWorks中定义的质
量属性进行运动模拟。和其他插件一样,单击“工具”一“插件”,在“插件”对话框中选
中SolidWorks Motion,单击“确定”按钮,或如图6-21所示,单击“办公室产品”中的
SolidWorks Motion按钮,单击左下角的“运动算例”,在“运动类型”列表中选择“Motion
分析”即可打开“Motion管理器”。
图6-21  Solid Works Motion用户界面
    1)设计树。设计树中包含驱动元素(如“旋转马达勺、装配体中的零部件和分析结果等。
    2)时间线。时间线位于Motion Manager设计树的右方,在SolidWorks Motion可用于设
定仿真时间。
    3)管理工具.管理工具中包含了添加驱动元素等工具按钮。
    2. SolidWorks Motion驱动元素的类型
SolidWorks 2014 设计应用教程 6.2 虚拟样机技术3
表6-2  Solid Works Motion驱动元素的类型

    3. SolidWorks Motion机构仿真步骤
 
    由以上引例分析可知基于SolidWorks Motion的机构仿真的基本步骤如下。
    1)装机械。在Solid Works完成机构装配。
    2)添驱动。为主动件添加运动参数(如位移)或动力参数(如扭矩).
    3)做仿真。设置仿真时间、仿真间隔等仿真参数后,运行仿真计算。
    4)看结果。查看运动件的运动特性(如位移曲线)和运动副的动力特性(如反作用力)。
    4. SolidWorks Motion功能
    SolidWorks Motion具有以下功能。
    1)通过将物理运动与来自SolidWorks的装配体信息相结合,模拟真实运行条件。
    2)提供了多种代表真实运行条件的作用力选项,输入函数、线性和非线性弹簧、力、
力矩、二维和三维接触)来捕获零件间的相互作用。
    3)使用功能强大且直观的可视化工具来解释结果(其形式为位移、速度、加速度、力
向量的图解或数值数据等)。可以创建AVI格式的动画文件等共享数据。
    4)可以将载荷无缝传入Simulation以进行应力分析。
    5.曲柄滑块机构虚拟样机设计
    如图6-22所示,某曲柄滑块机构的尺寸参数:曲柄为lOOmmx lOmmx5mm;连杆为
200mmx lOmmx5mm;滑块为50mmx30mmx2Omm。全部零件的材料为普通碳钢。曲柄以
60rpm的速度逆时针旋转。在滑块端部连接有一弹簧,弹簧原长80mm,其弹性模量为
k=O.1 N/mm.地面摩擦系数f=0.15.求:①绘制滑块的位移、速度、加速度曲线;②绘制弹
簧的受力曲线,并确定当曲柄与水平正向成β=180°时弹簧的受力;③弹簧受力最小时的机构
参数值。
    (1)运动仿真分析
    1) SolidWorks Motion启动.选择“工具”→“插件”命令,在出现的“插件”对话框
中,选择SolidWorks Motion,并单击“确定”按钮。
图6-22曲柄滑块机构
SolidWorks 2014 设计应用教程 6.2 虚拟样机技术5
(2)动力仿真分析
图6-26滑块X向位移曲线
图6-28设置摩擦系数
    4)确定弹簧受力最小时的机构参数值。在零件环境中调整曲柄和连杆长度,重复上
述步骤可确定弹簧受力最小时的机构参数值。
 
 


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