機構分析與合成的運動模擬

2013-06-09 by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM 來源:仿真在線

作者: COSMOS 來源: COSMOS
關鍵字: 運動模擬 FEA 機構分析動力學性能

簡介

二十世紀八十年代以來,設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,該工具幫助設計工程師研究新產(chǎn)品的結構性能,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)品日漸復雜,不斷加劇的競爭加快了新設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模擬結構性能外,工程師還需要在構建物理原型之前確定新產(chǎn)品的運動學和動力學性能。

運動模擬(又稱剛性實體動力學)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用,與此同時,設計工程師希望了解更多關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設計工具的現(xiàn)實應用。

用于機構分析與合成的運動模擬

假設一位工程師要設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、功率要求等結果,設計人員需要一個更強大的工具。運動模擬便應運而生了。

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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所有零部件的運動學性能(包括位置、速度和加速度)和動力學性能(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。

用于機構分析與合成的運動模擬

在上述橢圓規(guī)案例中,設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果。程序會自動執(zhí)行其余的內(nèi)容,無須用戶干預。運動模擬程序使用CAD零件的材料特性定義機構零部件的慣性特性,并將CAD裝配體配合條件轉換為運動接點。然后,該程序會自動用等式描述機構運動。與使用FEA研究的靈活結構不同,機構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,結果包括所有機構零部件的位移、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中所示的翻轉滑桿機構運動模擬是機械運動學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;學生最常使用的可能是復數(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的學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滑桿的運動。

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圖3用于計算搖臂角速度的翻轉滑桿機構模擬。

用于機構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動連桿之間的干涉。

工程師可以將簡單機構(如上述的橢圓規(guī)或翻轉滑桿)表示為2D機構。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果的方法。但是,3D機構(即使是簡單機構,如圖5所示)迄今還未建立分析結果的方法。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雜程度的機構(無論是2D還是3D)而設計的。機構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驅動器(圖8)等的運動可能會像翻轉滑桿一樣易于模擬。

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圖5“手動”分析簡單3D機構非常困難,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健身器設計受益于運動模擬,它在該設計中用于優(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驅動器是一種復雜的機構,但仍可以使用運動模擬輕松地進行分析。

除了機構分析外,產(chǎn)品開發(fā)人員還可通過將運動軌跡轉換為CAD幾何體,來將運動模擬用于機構合成。圖9顯示了一個問題范例。此設計方案設計的是一個會沿著導軌移動滑桿的凸輪,此設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坯料凸輪(圓盤)上移動的軌跡的函數(shù)。然后,將軌跡路徑轉換為CAD幾何體,以創(chuàng)建凸輪輪廓,如圖10所示。

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