基于虛擬樣機(jī)的固定機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

鐘孟春，李 程，李 華，韓 超

（1.裝甲兵工程學(xué)院 兵器工程系，北京 100072；2.北京衛(wèi)戍區(qū)裝備部 軍械裝甲處，北京 100009）

0 引言

固定機(jī)構(gòu)是用于固定工件的裝置，其功能是使工作部件經(jīng)常處于夾緊狀態(tài)，在機(jī)械工業(yè)領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。虛擬樣機(jī)技術(shù)是隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展而興起的一項(xiàng)計(jì)算機(jī)輔助工程技術(shù)，它能反映出產(chǎn)品的真實(shí)特性，包括外觀、運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)特性［1］。在導(dǎo)彈的運(yùn)輸過程中，為實(shí)現(xiàn)導(dǎo)彈儲運(yùn)箱的固定，需要在導(dǎo)彈固定平臺上設(shè)置相應(yīng)的固定機(jī)構(gòu)［2］。在夾緊機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)用虛擬樣機(jī)技術(shù)可以代替物理樣機(jī)的試制，從而大幅縮短開發(fā)周期，減少開發(fā)成本［3］。

1 優(yōu)化設(shè)計(jì)原理

虛擬樣機(jī)分析軟件ADAMS是對機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)動學(xué)與動力學(xué)仿真計(jì)算的商用軟件，利用它可以建立起機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)模型，其模型可以是柔性體也可以是剛性體。但是使用ADAMS進(jìn)行比較復(fù)雜的多剛體系統(tǒng)動力學(xué)仿真分析時(shí)，由于其建模功能有限，通常需要由其他建模功能強(qiáng)大的CAD軟件進(jìn)行建模（例如SoildWorks，Pro/E，UG等），通過格式轉(zhuǎn)換后再導(dǎo)入ADAMS環(huán)境。固定機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的總體流程如圖1所示。

2 虛擬樣機(jī)的構(gòu)建

固定機(jī)構(gòu)主要由手柄、搖臂、連桿和鎖鉤等零件組成。當(dāng)在手柄上施加一個作用力時(shí)，通過剛體的傳動會使鎖鉤產(chǎn)生一定的夾緊力，從而固定住物體。本文利用SoildWorks分別建立各零件的模型，對模型進(jìn)行虛擬裝配，最終完成模型的創(chuàng)建，如圖2所示。

2.1 創(chuàng)建約束

ADAMS提供的模型數(shù)據(jù)交換接口有X.T，STEP，IGES等格式，本文將SoildWorks設(shè)計(jì)的夾緊機(jī)構(gòu)模型以X.T數(shù)據(jù)格式導(dǎo)入到ADAMS/View中。對于直接在ADAMS中創(chuàng)建的構(gòu)件，系統(tǒng)會自動賦予一個材料屬性，而對于導(dǎo)入的構(gòu)件來說是沒有質(zhì)量信息的，需要對每個構(gòu)件指定材料信息。在給機(jī)構(gòu)賦予材料屬性后，分別在機(jī)構(gòu)的各鉸接點(diǎn)位置創(chuàng)建約束副，包括搖臂與鎖鉤之間的旋轉(zhuǎn)副、手柄與連桿之間的旋轉(zhuǎn)副、連桿與鎖鉤之間的圓柱副、手柄與搖臂之間的旋轉(zhuǎn)副、固定塊與搖臂之間的旋轉(zhuǎn)副。

圖1 固定機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)流程圖

2.2 最大夾緊力的測量

為了獲取實(shí)際結(jié)構(gòu)中的夾緊力，在鉤鎖和大地之間創(chuàng)建一個彈簧用以測量夾緊力的變化。設(shè)置彈簧的剛度K為750N/mm，彈簧的阻尼C為0.5Ns/mm。在手柄處施加一個固定載荷并對模型進(jìn)行仿真計(jì)算，最終獲得的彈簧力隨時(shí)間的變化曲線如圖3所示。

圖2 夾緊機(jī)構(gòu)模型

圖3 彈簧力變化曲線

由圖3可知，彈簧的最大拉力為850N，即固定機(jī)構(gòu)的最大夾緊力為850N。

3 優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 參數(shù)化模型的構(gòu)建

由于從三維CAD軟件中導(dǎo)入到ADAMS中的模型不能進(jìn)行參數(shù)化計(jì)算，也不能修改構(gòu)件的幾何尺寸［4］，所以本文根據(jù)上述模型的尺寸利用ADAMS/View模塊構(gòu)建固定機(jī)構(gòu)的簡易參數(shù)化模型。因?yàn)楦縻q接點(diǎn)的位置即為固定機(jī)構(gòu)的主要參數(shù)，優(yōu)化設(shè)計(jì)的實(shí)質(zhì)就是確定固定機(jī)構(gòu)的最佳布置方案，因此以各零件之間5個鉸接點(diǎn)的X，Y坐標(biāo)分別設(shè)置10個設(shè)計(jì)變量。在仿真分析過程中，ADAMS可以根據(jù)預(yù)先設(shè)置的可變參數(shù)，自動地進(jìn)行一系列的仿真分析，觀察在不同參數(shù)值下夾緊力的變化。

為了使鎖鉤能在固定塊上水平移動，在鎖鉤上一點(diǎn)和固定塊間設(shè)置一個“點(diǎn)－面”約束副。同樣，在鎖鉤和大地間設(shè)置一個剛度為750N/mm、阻尼為0.5 Ns/mm的彈簧用以測量機(jī)構(gòu)的夾緊力。之后在手柄上施加一個大小為80N的力。至此，夾緊機(jī)構(gòu)的參數(shù)化模型已經(jīng)構(gòu)建完成，如圖4所示。

3.2 迭代模型

通過ADAMS的優(yōu)化分析功能，系統(tǒng)能夠生成設(shè)計(jì)研究報(bào)告，并顯示優(yōu)化過程中彈簧力相對于變量的取值曲線。以搖臂與大地之間的鉸接點(diǎn)A的X坐標(biāo)X1為例，變量X1取的是5個離散的位置，每個位置以初始值0為中心，依次間隔0.5mm。如圖5所示，設(shè)計(jì)研究報(bào)告能提供在每一個試驗(yàn)步驟變量X1的取值、彈簧力的大小以及設(shè)計(jì)變量X1對彈簧力影響的敏感度。彈簧力相對于變量X1的變化曲線如圖6所示。

由圖5可知，變量X1在初始值0處對彈簧力的敏感度為－82.025，并且在設(shè)計(jì)點(diǎn)位置取1時(shí)彈簧力最大為924.67N。

圖4 夾緊機(jī)構(gòu)的參數(shù)化模型

圖5 變量X1的敏感度

圖6 彈簧力相對于變量X1的變化曲線

依次對其他設(shè)計(jì)變量進(jìn)行優(yōu)化分析，得出各個設(shè)計(jì)變量的敏感度，如表1所示。

通過表1可以看出設(shè)計(jì)變量Y2，Y3，Y5的敏感度最高，也就是鎖鉤與搖臂鉸接點(diǎn)的Y坐標(biāo)、搖臂與手柄鉸接點(diǎn)的Y坐標(biāo)以及鎖鉤與連桿鉸接點(diǎn)的Y坐標(biāo)，它們的位置對固定機(jī)構(gòu)的夾緊力影響最大。所以下一步通過選取上述敏感度最高的3個設(shè)計(jì)變量進(jìn)行優(yōu)化，獲得固定機(jī)構(gòu)的最大夾緊力。

表1 部分設(shè)計(jì)變量的敏感度對比

3.3 獲取最佳設(shè)計(jì)變量

在數(shù)據(jù)導(dǎo)航器中選擇設(shè)計(jì)變量Y2，將其最大值和最小值分別設(shè)置為1和6；同理，將變量Y3的變化范圍設(shè)置為6～10，變量Y5設(shè)置為8～11，以彈簧的最大張力為目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。優(yōu)化過程中彈簧張力的變化曲線以及優(yōu)化結(jié)果如圖7和圖8所示。

由優(yōu)化結(jié)果可以看出當(dāng)設(shè)計(jì)變量Y2，Y3和Y5的值分別為3.598 6，8.244 3和9.830 8時(shí)固定機(jī)構(gòu)的夾緊力取最大值，為948.79N。通過比較可知優(yōu)化后的夾緊力與初始最大夾緊力850N相比具有顯著提高，即完成了對機(jī)構(gòu)的優(yōu)化。

圖7 彈簧力變化曲線

圖8 最大夾緊力及設(shè)計(jì)點(diǎn)位置

4 結(jié)論

本文構(gòu)建了固定機(jī)構(gòu)參數(shù)化模型，分析各設(shè)計(jì)變量對機(jī)構(gòu)性能影響的敏感度，設(shè)計(jì)了一種較為快捷的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。通過與初始最大夾緊力進(jìn)行比較，驗(yàn)證了該方法的合理和高效性。此研究方法與設(shè)計(jì)思路同樣也可推廣到其他多剛體系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)等應(yīng)用領(lǐng)域。該方法還可對虛擬樣機(jī)關(guān)鍵部位的內(nèi)力、加速度和位移等動力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行評估與分析。

［1］李瑞濤.虛擬樣機(jī)建模仿真的置信度評估［J］.微型機(jī)與應(yīng)用，2011，30（23）：71-72.

［2］韓貝貝，舒濤，程永強(qiáng)，等.基于混合粒子群算法的通用導(dǎo)彈固定平臺布局優(yōu)化［J］.空軍工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，11（4）：42-43.

［3］康文利，張穎，王川.基于UG和ADAMS的減速器的虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)與仿真分析［J］.機(jī)械，2011（1）：49-50.

［4］李增剛.ADAMS入門詳解與實(shí)例［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2006.