機構(gòu)分析與合成的運動模擬

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: 運動模擬 FEA 機構(gòu)分析動力學(xué)性能

簡介

二十世紀(jì)八十年代以來,設(shè)計工程中首次使用計算機輔助工程(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模型上運行的廉價計算機模擬代替了很多耗時又昂貴的原

今天,由于機械產(chǎn)品日漸復(fù)雜,不斷加劇的競爭加快了新設(shè)計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)品的運動學(xué)和動力學(xué)性能。

運動模擬(又稱剛性實體動力學(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,設(shè)計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)計流程帶來什么益處?

本文旨在回答這樣一些問題并介紹運動模擬可以解決的示例問題。此外,本文還提供了一些將運動模擬用作CAE設(shè)計工具的現(xiàn)實應(yīng)用。

用于機構(gòu)分析與合成的運動模擬

假設(shè)一位工程師要設(shè)計一個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動,但運動速度卻沒有意義,而且計時也具有任意性。要得出速度、加速度、接點反作用力、功率要求等結(jié)果,設(shè)計人員需要一個更強大的工具。運動模擬便應(yīng)運而生了。

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圖1使用CAD動畫制作器模擬的、處于不同位置的橢圓規(guī)。

運動模擬可以提供運動機構(gòu)所有零部件的運動學(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,幾乎不用耗費更多的時間就可以獲得運動模擬結(jié)果,因為執(zhí)行運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\動模擬程序即可。

用于機構(gòu)分析與合成的運動模擬

在上述橢圓規(guī)案例中,設(shè)計人員只需確定馬達的速度、要繪制的點以及希望查看的運動結(jié)果。程序會自動執(zhí)行其余的內(nèi)容,無須用戶干預(yù)。運動模擬程序使用CAD零件的材料特性定義機構(gòu)零部件的慣性特性,并將CAD裝配體配合條件轉(zhuǎn)換為運動接點。然后,該程序會自動用等式描述機構(gòu)運動。與使用FEA研究的靈活結(jié)構(gòu)不同,機構(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動方程式,結(jié)果包括所有機構(gòu)零部件的位移、速度、加速度、接點反作用力和慣性載荷以及保持運動所必需的功率的完整信息。(圖2)

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圖2由運動模擬器計算的線速度和馬達功率要求

圖3中所示的翻轉(zhuǎn)滑桿機構(gòu)運動模擬是機械運動學(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)時搖臂的角速度和加速度?？梢允褂枚喾N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行大量的計算,即使借助計算機化的電子表格,也要耗費幾個小時來構(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)生來說是個有趣的作業(yè),但在現(xiàn)實產(chǎn)品開發(fā)中卻根本不切實際。運動模擬軟件使用CAD裝配體模型中已有的數(shù)據(jù)幾乎可以即時地模擬翻轉(zhuǎn)滑桿的運動。

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圖3用于計算搖臂角速度的翻轉(zhuǎn)滑桿機構(gòu)模擬。

用于機構(gòu)分析與合成的運動模擬

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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構(gòu)(如上述的橢圓規(guī)或翻轉(zhuǎn)滑桿)表示為2D機構(gòu)。雖然進行手動分析比較困難且耗時,但工程師們確實找到了分析結(jié)果的方法。但是,3D機構(gòu)(即使是簡單機構(gòu),如圖5所示)迄今還未建立分析結(jié)果的方法。運動模擬卻可以在幾秒之內(nèi)輕松地解決這一問題,這是因為運動模擬是專為處理任何復(fù)雜程度的機構(gòu)(無論是2D還是3D)而設(shè)計的。機構(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)等的運動可能會像翻轉(zhuǎn)滑桿一樣易于模擬。

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圖5“手動”分析簡單3D機構(gòu)非常困難,但使用運動模擬卻易如反掌。

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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。

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圖7健身器設(shè)計受益于運動模擬,它在該設(shè)計中用于優(yōu)化各步驟的運動軌跡以及計算用戶生成的功率。

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圖8CD驅(qū)動器是一種復(fù)雜的機構(gòu),但仍可以使用運動模擬輕松地進行分析。

除了機構(gòu)分析外,產(chǎn)品開發(fā)人員還可通過將運動軌跡轉(zhuǎn)換為CAD幾何體,來將運動模擬用于機構(gòu)合成。圖9顯示了一個問題范例。此設(shè)計方案設(shè)計的是一個會沿著導(dǎo)軌移動滑桿的凸輪,此設(shè)計使用運動模擬生成了該凸輪的輪廓。用戶將所需滑桿位置表達為時間和滑桿在旋轉(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。

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