ADAMS機(jī)械系統(tǒng)仿真教學(xué)實(shí)踐

姜波　孫德志　張穎　胡晶

摘 要：ADAMS機(jī)械系統(tǒng)仿真技術(shù)已成為機(jī)械、汽車相關(guān)專業(yè)領(lǐng)域進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)與開發(fā)的重要技術(shù)手段，結(jié)合四連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，從機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)分析、模型創(chuàng)建、仿真分析到參數(shù)化分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)，開展ADAMS軟件仿真技術(shù)應(yīng)用的教學(xué)，以幫助學(xué)生構(gòu)建ADAMS機(jī)械系統(tǒng)仿真框架，強(qiáng)化實(shí)踐應(yīng)用能力。

關(guān)鍵詞：ADAMS 機(jī)械系統(tǒng)仿真教學(xué) 四連桿機(jī)構(gòu) 仿真分析與設(shè)計(jì)

1 引言

隨著ADAMS機(jī)械系統(tǒng)仿真技術(shù)在工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用，ADAMS軟件仿真技術(shù)已逐步成為機(jī)械工程師的必備技術(shù)[1]。由于該技術(shù)與工程力學(xué)、機(jī)械原理、機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動學(xué)與動力學(xué)、優(yōu)化設(shè)計(jì)等基礎(chǔ)理論課程聯(lián)系緊密，并不易于掌握[2-4]。為更好地開展該課程的教學(xué)，現(xiàn)結(jié)合四連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，采用ADAMS軟件進(jìn)行四桿機(jī)構(gòu)的模型創(chuàng)建、運(yùn)動特性仿真、參數(shù)化分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)，就ADAMS/View、ADAMS/Postprocessor兩大功能模塊的應(yīng)用，幫助學(xué)生構(gòu)建ADAMS機(jī)械系統(tǒng)仿真框架，提高實(shí)踐應(yīng)用能力。

2 教學(xué)內(nèi)容與思路

四桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的ADAMS仿真教學(xué)主要包括以下幾部分內(nèi)容：一，以幫助學(xué)生將理論知識與ADAMS軟件仿真應(yīng)用有機(jī)結(jié)合，在分析機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)與運(yùn)動特點(diǎn)的基礎(chǔ)上確定結(jié)構(gòu)參數(shù)、約束關(guān)系、構(gòu)建仿真模型;二，開展仿真分析，獲取運(yùn)動特性曲線圖，并進(jìn)行運(yùn)動特性與傳動性能分析，找出機(jī)構(gòu)運(yùn)動中存在的問題;三，針對問題進(jìn)行參數(shù)化分析查找原因，確定主要影響因素;四，以主要影響因素為設(shè)計(jì)變量、性能優(yōu)化為目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，取得最優(yōu)結(jié)果。

3 四連桿機(jī)構(gòu)的ADAMS仿真分析與設(shè)計(jì)

3.1 四連桿機(jī)構(gòu)介紹

四桿機(jī)構(gòu)作為最簡單的連桿機(jī)構(gòu)，因其為低副面接觸，可以承受較大的載荷，便于加工，能實(shí)現(xiàn)將主動件的運(yùn)動和力傳遞給執(zhí)行構(gòu)件，通過改變構(gòu)件的相對長度即可實(shí)現(xiàn)不同的運(yùn)動，且具有豐富的連桿曲線可以滿足各種運(yùn)動需求，在汽車刮雨器、攪拌機(jī)、儀器儀表、機(jī)器人、農(nóng)業(yè)機(jī)械等機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中被廣泛采用。平面四桿機(jī)構(gòu)是由四個(gè)桿件通過低副連接組成的低副機(jī)構(gòu)。其中的固定構(gòu)件為機(jī)架，與機(jī)架相連的桿件為連架桿，連接兩個(gè)連架桿的桿件為連桿。若一個(gè)連架桿能夠?qū)崿F(xiàn)整周轉(zhuǎn)動，另一個(gè)連架桿只能在一定角度范圍內(nèi)擺動的平面四桿機(jī)構(gòu)稱為曲柄搖桿機(jī)構(gòu)[5]。曲柄搖桿機(jī)構(gòu)是最簡單的四桿機(jī)構(gòu)，從曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的模型圖（圖1）和示意圖（圖2）中可以看出該機(jī)構(gòu)由四個(gè)桿件通過轉(zhuǎn)動副連接，其中曲柄為主動件，搖桿為從動件。

3.2 ADAMS仿真模型的創(chuàng)建

ADAMS多體動力學(xué)仿真軟件主要由ADAMS/View、ADAMS/Solver、ADAMS/Post-processor等功能模塊組成。在ADAMS/View模塊可通過機(jī)構(gòu)關(guān)鍵點(diǎn)（鉸接中心點(diǎn)）位置坐標(biāo)的確定、構(gòu)件的創(chuàng)建、運(yùn)動副和驅(qū)動的施加及仿真驗(yàn)證來完成仿真模型的創(chuàng)建。

在給定四個(gè)桿件運(yùn)動尺寸的條件下，進(jìn)行曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的創(chuàng)建。AB=30mm，BC=40mm，CD=90mm，AD=96mm。首先根據(jù)桿長條件判斷機(jī)構(gòu)是否成立，AB+AD=126mm<BC+CD=130mm滿足桿長條件，同時(shí)選擇最短桿AB為曲柄，AD桿為機(jī)架，可得到曲柄搖桿機(jī)構(gòu)。采用ADAMS軟件進(jìn)行此機(jī)構(gòu)模型的創(chuàng)建，需先確定機(jī)構(gòu)在某一瞬時(shí)時(shí)刻各鉸接點(diǎn)的位置坐標(biāo)。為簡化計(jì)算過程，選定曲柄與機(jī)架共線的瞬時(shí)時(shí)刻，此時(shí)機(jī)構(gòu)示意圖如圖3所示。ADAMS/View點(diǎn)與構(gòu)建創(chuàng)建功能界面如圖4所示，點(diǎn)擊Point點(diǎn)圖標(biāo)，調(diào)出Table Editor對話框，在該對話框中輸入A、B、C、D四個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的坐標(biāo)（圖5），即可創(chuàng)建四個(gè)轉(zhuǎn)動副中心點(diǎn)的Point。以此為基準(zhǔn)創(chuàng)建三個(gè)Link構(gòu)件，機(jī)架與Ground為同一構(gòu)件，可以不用創(chuàng)建，添加JOINT約束（見表1），并在AB桿件上施加MOTION驅(qū)動，仿真模型如圖6所示，仿真驗(yàn)證后即完成模型的創(chuàng)建。

3.3 運(yùn)動特性分析

在Simulation Control界面設(shè)置仿真時(shí)間為24S，仿真步數(shù)為720進(jìn)行仿真分析。同時(shí)創(chuàng)建測量角變量MEASURE_1來獲得搖桿擺角的變化，通過ADAMS/Postprocessor后處理模塊[6]，得到曲柄搖桿機(jī)構(gòu)搖桿的運(yùn)動特性如下圖7-9所示。

從搖桿的擺角、角速度和角加速度特性曲線可以看出，在曲柄作勻速轉(zhuǎn)動的過程中，搖桿繞著鉸接點(diǎn)D在作變速運(yùn)動，以X軸正方向?yàn)榛鶞?zhǔn)，在135.9°～175.1°之間往復(fù)擺動，搖桿擺回用時(shí)5.53S和擺出用時(shí)6.47S，可得此搖桿機(jī)構(gòu)的行程速比系數(shù)K=1.17，有一定的急回運(yùn)動特性[7]，在搖桿擺動的過程中角加速度的變化較大。

3.4 傳動性能分析

機(jī)構(gòu)的傳動性能是衡量機(jī)構(gòu)好壞的一個(gè)重要指標(biāo)，較低的傳力性能會導(dǎo)致機(jī)構(gòu)的內(nèi)力過大，加劇運(yùn)動副的磨損和機(jī)構(gòu)振動，消耗過多的能量[5]。因此在連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的過程中必須要考察機(jī)構(gòu)的傳動性能。傳動性能通常用壓力角α和傳動角γ的大小來評價(jià)，且壓力角和傳動角互為余角，由壓力角和傳動角的定義（圖10）可知，其在機(jī)構(gòu)運(yùn)動的不同瞬時(shí)時(shí)刻，兩個(gè)角度的大小是不斷變化的，故選擇比較便于測量的傳動角，取其最小值作為機(jī)構(gòu)傳動性能的衡量指標(biāo)[5]。在ADAMS軟件中可以通過創(chuàng)建測量角的方式獲得仿真周期內(nèi)的傳動角。本例中分別以B、C、D三個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)處的MARKER為基準(zhǔn)創(chuàng)建測量角變量MEASURE_2，通過運(yùn)行仿真，得到本機(jī)構(gòu)的傳動角變化特性曲線見圖11。

如圖10所示，曲柄搖桿機(jī)構(gòu)在運(yùn)動過程中，在曲柄與機(jī)架重疊共線和拉直共線處，連桿BC和搖桿CD所夾的最小銳角γ'和所夾鈍角γmax的補(bǔ)角γ"中較小的便是機(jī)構(gòu)的最小傳動角。從圖11的曲線圖中可知，γ'=42.08°，γ"=180°-149.14°=30.86°，故最小傳動角γmin=30.86°<40°。故本例機(jī)構(gòu)的傳動性能沒有達(dá)到設(shè)計(jì)要求，需要對機(jī)構(gòu)各構(gòu)件的尺寸進(jìn)行修改。

3.5 參數(shù)化分析

結(jié)合四桿機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)，在此模型中改變各關(guān)鍵點(diǎn)的坐標(biāo)，就可改變構(gòu)件的尺寸，進(jìn)而改變機(jī)構(gòu)的運(yùn)動特性，為確定各坐標(biāo)值對傳動角的影響，對各關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行參數(shù)化分析。將A點(diǎn)作為固定點(diǎn)，故分別對B、C、D三點(diǎn)的坐標(biāo)進(jìn)行參數(shù)化分析。定義設(shè)計(jì)變量DV_1、DV_2、DV_3、DV_4，各變量對傳動角影響的靈敏度分析如表2所示，其中DV_2、DV_3對傳動角的影響的靈敏度比較大（圖12-13）。重疊共線位置的γ'在設(shè)計(jì)變量變化的過程中的數(shù)值始終大于40°，影響傳動性能的原因是γmax數(shù)值過大，導(dǎo)致其補(bǔ)角γ"的數(shù)值過小。

3.6 優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)參數(shù)化分析的結(jié)果，為改善四桿機(jī)構(gòu)的傳動性能，確定優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)函數(shù)為使傳動角的最大值γmax最小。即：

f=Min（γmax）

設(shè)計(jì)變量為DV_2，DV_3;為滿足桿長條件約束條件為DV_2，DV_3均在±10%之間變化[8]。優(yōu)化分析結(jié)果如圖14-15所示。優(yōu)化后的γmax為122.7°，故γ"=180°-122.7°=57.3°，此時(shí)的γ'為48.85°，故優(yōu)化后的最小傳動角γmin為48.85°，傳動性能有了明顯的改善，滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)語

通過對四連桿機(jī)構(gòu)的ADAMS仿真模型創(chuàng)建、分析與設(shè)計(jì)過程，在結(jié)合機(jī)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)原理的基礎(chǔ)上，為學(xué)生介紹了ADAMS/View和ADAMS/Postprocessor兩大功能模塊的主要功能，呈現(xiàn)了從關(guān)鍵點(diǎn)及構(gòu)件的創(chuàng)建、約束與驅(qū)動的添加、仿真分析后處理及參數(shù)化分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)的全過程，幫助學(xué)生構(gòu)建了ADAMS機(jī)械系統(tǒng)仿真框架，為后續(xù)開展復(fù)雜ADAMS機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真分析奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

基金項(xiàng)目：吉林省教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃課題《面向工程能力培養(yǎng)的ADAMS機(jī)械系統(tǒng)仿真教學(xué)研究》（編號：GH19506）。

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