袁振華

（北京首都機(jī)場(chǎng)航空安保有限公司，中國(guó) 北京 100000）

0 引言

虛擬樣機(jī)技術(shù)是指利用計(jì)算機(jī)技術(shù)構(gòu)建出機(jī)械系統(tǒng)的1∶1 數(shù)學(xué)模型，通過(guò)仿真分析，可視化該系統(tǒng)在實(shí)際工況下的運(yùn)行情況及特性， 改變其優(yōu)化項(xiàng)參數(shù)，從而得到最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。 傳統(tǒng)的機(jī)械制造業(yè)主要依靠物理樣機(jī)的方式，進(jìn)行大量測(cè)試、修改參數(shù)、再設(shè)計(jì)優(yōu)化等步驟，直至形成最終產(chǎn)品，研發(fā)周期較長(zhǎng)。相比較而言，虛擬樣機(jī)技術(shù)的應(yīng)用可以替代物理樣機(jī)的多次試制試驗(yàn)，大大縮短了研發(fā)周期，降低了研發(fā)和生產(chǎn)成本，并提高了產(chǎn)品的工藝、性能、質(zhì)量并延長(zhǎng)了使用壽命， 非常符合現(xiàn)如今的快速高效發(fā)展的要求，具有極大的競(jìng)爭(zhēng)力。

當(dāng)前， 虛擬樣機(jī)技術(shù)已廣泛運(yùn)用在各個(gè)行業(yè)，從航空航天、汽車制造、工程機(jī)械到醫(yī)療、玩具行業(yè)，其便捷快速的特點(diǎn)吸引著眾多的國(guó)家和制造商，而將虛擬樣機(jī)技術(shù)應(yīng)用到玩具的產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計(jì)中，能夠用于玩具產(chǎn)品總體設(shè)計(jì)方案的動(dòng)態(tài)特性的演示驗(yàn)證，進(jìn)行總體性能及戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)的預(yù)測(cè)和評(píng)估，實(shí)現(xiàn)多種設(shè)計(jì)方案的性能比較與多方案優(yōu)選；能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)研制階段物理樣機(jī)各項(xiàng)性能指標(biāo)的監(jiān)控，為研制過(guò)程中出現(xiàn)的技術(shù)難題、故障現(xiàn)象提供理論分析方法，提出并制訂解決方案，優(yōu)化各項(xiàng)性能指標(biāo)。

本文通過(guò)對(duì)實(shí)體模型進(jìn)行拆解、 測(cè)繪、 建模、仿真，簡(jiǎn)單展示了虛擬樣機(jī)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)流程。

1 三維模型建立

1.1 模型拆解分析

本文選用的實(shí)體模型如圖1 所示，模型主要由上蓋、底座、牙箱、前后輪、彈簧以及連桿與底桿構(gòu)成，拆解模型，分析其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)并對(duì)零部件進(jìn)行測(cè)繪。 從圖1 內(nèi)部零件示意圖中發(fā)現(xiàn)，彈簧兩端分別固定在連桿和底座上， 通過(guò)彈簧的拉伸與收縮控制連桿的運(yùn)動(dòng)；牙箱是動(dòng)力輸出原件， 牙箱是由發(fā)條和齒輪系組成，齒輪系相當(dāng)于變速箱，起傳動(dòng)與變速的作用，一開(kāi)始發(fā)條在發(fā)條軸的轉(zhuǎn)動(dòng)下縮緊，將發(fā)條軸的轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能轉(zhuǎn)化為發(fā)條的勢(shì)能儲(chǔ)存起來(lái)，當(dāng)放開(kāi)發(fā)條軸時(shí)，發(fā)條放松，發(fā)條儲(chǔ)存的勢(shì)能轉(zhuǎn)化為后輪的動(dòng)能，為模型提供動(dòng)力。同時(shí)，發(fā)條軸轉(zhuǎn)動(dòng)，發(fā)條軸上的凸輪會(huì)和連桿上的側(cè)方凸起發(fā)生接觸碰撞（見(jiàn)圖2），由于連桿和底桿、底桿和底座之間形成的轉(zhuǎn)動(dòng)副， 連桿會(huì)牽引底桿，使底桿撐起整個(gè)模型。

圖1 模型示意圖

圖2 凸輪與連桿接觸碰撞

圖3 為上蓋結(jié)構(gòu)圖，上蓋中斜架的構(gòu)造設(shè)計(jì)比較精妙，當(dāng)?shù)讞U撐起的角度足夠大時(shí)，使模型翻倒，在慣性作用下利用斜架曲面及整體流線型構(gòu)造可使模型自動(dòng)站起并實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎，之后繼續(xù)運(yùn)動(dòng)。

圖3 上蓋結(jié)構(gòu)圖

1.2 實(shí)體模型三維建模

本文利用UG NX 三維建模軟件對(duì)模型的各個(gè)構(gòu)件進(jìn)行1∶1 建模，并完成虛擬裝配，如下圖4 所示：

圖4 模型裝配圖

2 動(dòng)力學(xué)仿真

本文采用仿真軟件Adams 對(duì)三維模型進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，Adams 與UG 的數(shù)據(jù)接口通常為Parasolid 格式，將模型導(dǎo)入到Adams 界面進(jìn)行前處理設(shè)置。

2.1 模型前處理

如圖5 為模型前處理界面，本模型動(dòng)力學(xué)仿真涉及自身重力，需創(chuàng)建底板模擬實(shí)際作用平面。

機(jī)械系統(tǒng)通常由多個(gè)構(gòu)件組成，每個(gè)構(gòu)件之間都會(huì)存在約束關(guān)系，即相互限制，剛性構(gòu)件之間的這種約束關(guān)系被稱為運(yùn)動(dòng)副或鉸鏈。根據(jù)本模型的實(shí)際運(yùn)動(dòng)情況，需要在各構(gòu)件之間添加和定義運(yùn)動(dòng)副，通過(guò)運(yùn)動(dòng)副把構(gòu)件聯(lián)系起來(lái)， 約束構(gòu)件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，以便進(jìn)行動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)的仿真模擬，使模型按照指定的規(guī)律運(yùn)動(dòng)。 本模型所涉及的轉(zhuǎn)動(dòng)副有6 處：前輪與底座、后輪與底座、發(fā)條軸與底座、連桿與底桿、底桿與底座、后輪與牙箱；固定副3 處：底板與地面固定、上蓋與底座固定、牙箱與底座固定；接觸碰撞6處：底座與底板、底桿與底板、上蓋與底板、前輪與底板、后輪與底板、連桿與發(fā)條輪；添加彈簧并設(shè)置彈簧的主要系數(shù)：剛度系數(shù)、阻尼系數(shù)、預(yù)緊力和初始長(zhǎng)度。 約束好的運(yùn)動(dòng)副如圖5 右所示。

圖5 模型前處理界面

2.2 仿真分析

通過(guò)對(duì)模型拆解分析得知，模型的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)為在發(fā)條軸的作用下向前行走， 發(fā)條軸在回轉(zhuǎn)過(guò)程中，發(fā)條軸上凸起與連桿側(cè)方凸起碰撞接觸， 帶動(dòng)連桿移動(dòng)，連桿拉伸與底座的彈簧，彈簧力變大，同時(shí)連桿牽引底桿，底桿向下運(yùn)動(dòng)撐起模型，撐起角度逐漸變大，直至模型翻倒，模型由于慣性在頂架的作用下自動(dòng)站起，偏轉(zhuǎn)一定角度，之后繼續(xù)重復(fù)這一過(guò)程。牙箱的作用相當(dāng)于減速箱，在本文中，為簡(jiǎn)化仿真模型，將牙箱的作用替換為發(fā)條軸與后輪之間的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速比i=Nf/Nh，其中Nf為發(fā)條軸轉(zhuǎn)速，Nh為后輪轉(zhuǎn)速。

經(jīng)調(diào)試，首先選取Nf=300°/s，Nh=0°/s，得到模型定點(diǎn)運(yùn)動(dòng)如下：

在仿真過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，模型上下部分的密度會(huì)影響其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，重心偏低會(huì)導(dǎo)致模型即使在底桿的作用下?lián)纹鹨矡o(wú)法翻倒；重心偏高則會(huì)導(dǎo)致模型翻倒后無(wú)法自動(dòng)站立，故應(yīng)通過(guò)設(shè)置模型上下部分的密度將重心提高到合適的位置。

圖6 模型前處理界面

表1 發(fā)條軸轉(zhuǎn)速與后輪轉(zhuǎn)速仿真情況表（單位：°/s）

圖7 彈簧形變曲線

固定Nf=300°/s，Nh設(shè)為變量，取值范圍由3 000～11 000，通過(guò)仿真得到表1 所示結(jié)果。

由仿真結(jié)果可知，只有當(dāng)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速比i 在合適的范圍內(nèi)才可實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)。

通過(guò)后處理可得到運(yùn)動(dòng)過(guò)程中彈簧形變曲線：

彈簧形變呈現(xiàn)周期性變化，彈簧伸長(zhǎng)時(shí)最大形變接近8 mm，最小值出現(xiàn)負(fù)值，分析由于彈簧收縮時(shí)拉動(dòng)連桿恢復(fù)初始長(zhǎng)度， 但由于慣性連桿速度并不為零，故存在短時(shí)間彈簧壓縮過(guò)程。

3 結(jié)論

本文利用UG NX 與Adams 軟件對(duì)實(shí)體模型進(jìn)行三維建模和動(dòng)力學(xué)仿真，通過(guò)改變虛擬模型參數(shù)進(jìn)行仿真分析，得到最優(yōu)參數(shù)范圍，可降低物理樣機(jī)研制的成本，簡(jiǎn)單展示了虛擬樣機(jī)技術(shù)的流程、原理與優(yōu)勢(shì)，為今后虛擬樣機(jī)技術(shù)在各行業(yè)的應(yīng)用與拓展提供參考。