蔣新雅，王金龍

(四川大學(xué)，四川 成都 610064)

0 引言

在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)和制造過程中，研發(fā)新產(chǎn)品通常要經(jīng)過設(shè)計(jì)、樣機(jī)試制、工業(yè)性試驗(yàn)、改進(jìn)定性和批量生產(chǎn)幾個(gè)步驟，只有通過周而復(fù)始的設(shè)計(jì)——試驗(yàn)——設(shè)計(jì)過程產(chǎn)品才能達(dá)到要求的性能［1］。這種物理樣機(jī)的設(shè)計(jì)研發(fā)模式存在嚴(yán)重的缺陷，即成本高、周期長，往往使得物理樣機(jī)的反復(fù)性試驗(yàn)不夠充分?；谖锢順訖C(jī)上的設(shè)計(jì)試驗(yàn)過程嚴(yán)重制約了產(chǎn)品的品質(zhì)提高、成本的降低和對(duì)市場的占有。虛擬樣機(jī)技術(shù)可使產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員在各種虛擬環(huán)境中真實(shí)的模擬產(chǎn)品整機(jī)的運(yùn)動(dòng)及受力情況，快速分析多種設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行對(duì)物理樣機(jī)而言難以進(jìn)行或根本無法進(jìn)行的試驗(yàn)，直到獲得優(yōu)化設(shè)計(jì)方案［2］。

本文主要通過一個(gè)實(shí)例具體來說明運(yùn)用多體動(dòng)力學(xué)軟件ADAMS 開發(fā)一個(gè)新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過程，可為產(chǎn)品開發(fā)提供一條種新的途徑，同時(shí)這也是以后產(chǎn)品開發(fā)的主流趨勢(shì)。

1 ADAMS 虛擬樣機(jī)技術(shù)

所謂虛擬樣機(jī)技術(shù)就是在建造第一臺(tái)物理樣機(jī)之前，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)建立產(chǎn)品的計(jì)算機(jī)模型，通過基于實(shí)體可視化的仿真分析，模擬該產(chǎn)品在真實(shí)工作環(huán)境條件下的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力特性，并反復(fù)修改設(shè)計(jì)，而得到最優(yōu)設(shè)計(jì)方案［3］。ADAMS 是世界范圍內(nèi)第一個(gè)具有仿真整個(gè)機(jī)械系統(tǒng)工作性能的大型仿真分析系統(tǒng)［4］。

本文選用的是一個(gè)經(jīng)典機(jī)構(gòu)—彈簧掛鎖。該機(jī)構(gòu)掛鎖共有十二個(gè)，在Apollo 登月計(jì)劃中，被用來夾緊登月倉和指揮服務(wù)倉。其物理樣機(jī)模型和虛擬樣機(jī)模型如圖1所示。Hook:掛鉤;Coupling member:連接成員。

圖1 物理樣機(jī)模型

1.1 設(shè)計(jì)要求

1)能產(chǎn)生至少800 N 的夾緊力;2)手動(dòng)夾緊，用力不大于80 N;3)手動(dòng)松開時(shí)做功最少;4)必須在給定的空間內(nèi)工作;5)有震動(dòng)時(shí)，仍能保持可靠夾緊。

1.2 彈簧掛鎖模型的工作原理

在POINT－4(D)處下壓操作手柄(handle)，掛鎖就能夠夾緊。下壓時(shí)，曲柄(pivot)繞POINT－1(A)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，將鉤子(hook)上的POINT－2(B)向后拖動(dòng)，此時(shí)，連桿(slider)上的POINT－5(E)向下運(yùn)動(dòng)。當(dāng)POINT－5(E)處于POINT－6(F)和POINT－3(C)的連線時(shí)，夾緊力達(dá)到最大值。POINT－5(E)應(yīng)該在POINT－6(F)和POINT－3(C)連線的下方移動(dòng)，直到操作手柄(handle)停在鉤子(hook)上部。這樣使得夾緊力接近最大值，但只需一個(gè)較小的力就可以打開掛鎖。

1.3 建立虛擬樣機(jī)模型

在ADAMS 中按照該機(jī)構(gòu)的實(shí)際尺寸和形狀建立初始模型，根據(jù)實(shí)際的運(yùn)動(dòng)情況在各個(gè)部件之間施加相應(yīng)的約束與載荷。添加約束和載荷時(shí)應(yīng)注意選擇約束和載荷的類型、作用部件、作用點(diǎn)和方向。在依次完成導(dǎo)入幾何建模、約束的施加、載荷的施加后，在ADAMS 軟件中建立起來的整個(gè)虛擬樣機(jī)如圖2 所示。

圖2 虛擬樣機(jī)模型

1.4 測試初始模型

通過作用在操作手柄上端80 N 的力來產(chǎn)生至少800 N的夾緊力，來對(duì)該機(jī)構(gòu)進(jìn)行一次動(dòng)態(tài)仿真。當(dāng)D 處于F 和C 的連線時(shí)，夾緊力達(dá)到最大值。通過測量角度來反映手柄壓下的行程，彈簧掛鎖鎖緊時(shí)，手柄需要壓過鎖緊點(diǎn)位置，從而保證掛鎖處于自鎖狀態(tài)。借助傳感器使該角度在不小于0°時(shí)仿真停止，再進(jìn)行一次動(dòng)態(tài)仿真來測量彈簧力和角度的變化值，仿真結(jié)果如圖3 所示。

圖3 仿真結(jié)果

1.5 檢測測試結(jié)果

下面調(diào)入物理樣機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，將模擬仿真結(jié)果與物理樣機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)照比較，如圖4 所示。驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)方案的可行性。

圖4 模擬樣機(jī)與物理樣機(jī)對(duì)比結(jié)果

1.6 虛擬樣機(jī)模型參數(shù)化的優(yōu)化

a)參數(shù)化模型

本文的虛擬樣機(jī)模型是依附于設(shè)計(jì)點(diǎn)建立的，因此采用參數(shù)化點(diǎn)坐標(biāo)的方法。將設(shè)計(jì)點(diǎn)的坐標(biāo)參數(shù)化，可以自動(dòng)地修改與設(shè)計(jì)點(diǎn)有關(guān)的對(duì)象，并利用這些點(diǎn)產(chǎn)生新的構(gòu)件，當(dāng)這些設(shè)計(jì)點(diǎn)的參數(shù)改變時(shí)，與其相關(guān)聯(lián)的幾何形體也將自動(dòng)更新，得到新的虛擬樣機(jī)模型，故通過將點(diǎn)的坐標(biāo)參數(shù)化可以實(shí)現(xiàn)彈簧掛鎖機(jī)構(gòu)模型的參數(shù)化［5］。本文將設(shè)計(jì)點(diǎn)POINT－1 作為原點(diǎn)，其參數(shù)值不變，對(duì)設(shè)計(jì)點(diǎn)POINT－2 一POINT－6 的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)進(jìn)行參數(shù)化處理，創(chuàng)建設(shè)計(jì)變量DV－1～DV－10。

b)優(yōu)化設(shè)計(jì)

優(yōu)化分析是ADAMS/View 提供的一種高級(jí)參數(shù)化計(jì)算、分析工具，在設(shè)定的變化范圍內(nèi)，通過分析程序自動(dòng)地調(diào)整設(shè)計(jì)變量，求取最佳設(shè)計(jì)。樣機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法有2種:1)同時(shí)考慮各個(gè)設(shè)計(jì)變量，進(jìn)行仿真分析，得出優(yōu)化結(jié)果，這種方法在設(shè)計(jì)變量較少時(shí)適用;2)先分別對(duì)每個(gè)設(shè)計(jì)變量進(jìn)行優(yōu)化靈敏度分析，選取靈敏度最高，即對(duì)設(shè)計(jì)影響最大的幾個(gè)變量進(jìn)行調(diào)整，得出優(yōu)化結(jié)果，該方法在設(shè)計(jì)變量較多時(shí)適用［6］。本文采用2)方法，優(yōu)化目標(biāo)是使彈簧掛鎖機(jī)構(gòu)夾緊力達(dá)到最大。

為了對(duì)虛擬樣機(jī)模型進(jìn)行細(xì)化處理，需要?jiǎng)?chuàng)建設(shè)計(jì)變量，并對(duì)設(shè)計(jì)變量值進(jìn)行設(shè)計(jì)。用設(shè)計(jì)變量代替虛擬樣機(jī)模型中設(shè)計(jì)點(diǎn)的x 和y 坐標(biāo)值。但為了保證機(jī)構(gòu)的封閉性要求，保留手柄端點(diǎn)point－4 坐標(biāo)值為常數(shù)。設(shè)計(jì)變量設(shè)置如圖5 所示。

圖5 變量設(shè)置

1.7 虛擬樣機(jī)模型設(shè)計(jì)研究

為快速地獲得虛擬樣機(jī)的改善模型，在滿足手柄能通過死點(diǎn)的條件下，需要對(duì)一些點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)方案研究，從中找出一種較優(yōu)的方案使夾緊力最大，同時(shí)可以迅速確定設(shè)計(jì)變量的取值范圍。下面對(duì)其中DV－1 變量方案評(píng)估，評(píng)估結(jié)果如下圖6 所示。

圖6 DV－1 評(píng)估結(jié)果

同理，在其余變量保持恒定的基礎(chǔ)上，分別對(duì)每一個(gè)變量進(jìn)行設(shè)計(jì)研究，以直觀比較系統(tǒng)模型針對(duì)各個(gè)設(shè)計(jì)變量的靈敏度，結(jié)果見表1，其中敏感度定義為彈簧力相對(duì)變量的斜率。

表1 變量DV－1～DV－10 靈敏度對(duì)比

優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中，必不可少的重要環(huán)節(jié)就是評(píng)估系統(tǒng)模型針對(duì)不同設(shè)計(jì)變量的靈敏度，而靈敏度對(duì)最優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)計(jì)變量的選擇起到至關(guān)重要的作用。通過參數(shù)化可以迅速分析得知哪些設(shè)計(jì)變量對(duì)目標(biāo)函數(shù)影響較大，哪些設(shè)計(jì)變量對(duì)目標(biāo)函數(shù)影響較小，選擇影響較大的設(shè)計(jì)變量作為目標(biāo)函數(shù)的設(shè)計(jì)變量進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)［7］。在本機(jī)構(gòu)中，DV－4、DV－6 和DV－8 的敏感度最大，那么這3 個(gè)變量對(duì)該目標(biāo)函數(shù)的影響最大，在接下來的優(yōu)化設(shè)計(jì)中將選擇這3 個(gè)變量作為主要目標(biāo)函數(shù)的設(shè)計(jì)變量進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1.8 虛擬樣機(jī)模型優(yōu)化設(shè)計(jì)

通過對(duì)DV－4、DV－6 和DV－8 的變量初始值，即設(shè)計(jì)點(diǎn)的相關(guān)坐標(biāo)進(jìn)行微調(diào)，觀察比較微調(diào)前后目標(biāo)函數(shù)的變化，驗(yàn)證結(jié)果顯示設(shè)計(jì)模型能夠滿足優(yōu)化設(shè)計(jì)的要求，使彈簧掛鎖機(jī)構(gòu)夾緊力達(dá)到最大，達(dá)到本次優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)。其優(yōu)化結(jié)果如圖7，表2 所示

圖7 優(yōu)化結(jié)果

表2 優(yōu)化前后數(shù)據(jù)對(duì)比

2 結(jié)語

利用ADAMS 建立虛擬樣機(jī)模型并進(jìn)行仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)是一種簡便直觀的方法，既省去了建立機(jī)構(gòu)參數(shù)與目標(biāo)函數(shù)之間關(guān)系式和編程復(fù)雜程序的耗時(shí)工作，使復(fù)雜機(jī)械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)變得簡便易行，又提高了優(yōu)化效率，簡化了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過程，縮短了產(chǎn)品的研發(fā)周期，從而降低了產(chǎn)品的制造成本，為現(xiàn)代產(chǎn)品的設(shè)計(jì)提供了一種新思路。

［1］孫恒，陳作模.機(jī)械原理［M］.北京:高等教育出版社，2001.

［2］王國強(qiáng)，張進(jìn)平，馬若丁.虛擬樣機(jī)技術(shù)及其在ADAMS 上的實(shí)踐［M］.西安:西北工業(yè)大學(xué)出版社，2002.

［3］李軍.邢俊文.覃文潔.ADAMS 實(shí)例教程［M］.北京:北京理工大學(xué)出版社，2002.

［4］(美)MSC.Software，MSC.ADAMS/view 高級(jí)培訓(xùn)教程［M］.李軍，陶永忠.譯.北京:清華大學(xué)出版社，2004.

［5］朱會(huì)玲，段志善，史麗晨，等.基于ADAMS 的軋管機(jī)工作機(jī)構(gòu)仿真與優(yōu)化［J］.煤礦機(jī)械，2009，30(11);30-32.

［6］張敏，石秀華，吳一紅.基于ADAMS 的三自由度水下機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2005(7):85-86.

［7］何邕，賈美薇，李萍奎，等.基于虛擬樣機(jī)的鏟運(yùn)機(jī)工作裝置仿真及優(yōu)化［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2011，23(4);702-706.