搜索机构分析与合成的运动模拟
2013-06-09 by:广州有限元分析、培训中心-1CAE.COM 来源:仿真在线
作者: COSMOS 来源: COSMOS
关键字: 运动模拟 FEA 机构分析 动力学性能
简介
二十世纪八十年代以来,设计工程中首次使用计算机辅助工程(CAE)方法后,有限元分析(FEA)就成了最先被广泛采用的模拟工具。多年来,该工具帮助设计工程师研究新产品的结构性能,并让他们使用在CAD模型上运行的廉价计算机模拟代替了很多耗时又昂贵的原
今天,由于机械产品日渐复杂,不断加剧的竞争加快了新设计方案投入市场的速度,工程师们越来越迫切地感到必须使模拟超出FEA的局限范围。除了使用FEA模拟结构性能外,工程师还需要在构建物理原型之前确定新产品的运动学和动力学性能。
运动模拟(又称刚性实体动力学)提供了用于解决这些问题的模拟方法。它很快就得到了广泛应用,与此同时,设计工程师希望了解更多关于该模拟工具的情况:它是什么样的工具?它能解决什么问题?它能给产品设计流程带来什么益处?
本文旨在回答这样一些问题并介绍运动模拟可以解决的示例问题。此外,本文还提供了一些将运动模拟用作CAE设计工具的现实应用。
用于机构分析与合成的运动模拟
假设一位工程师要设计一个用于绘制各种椭圆的椭圆规。在CAD装配体中定义配合后,他可以使模型活动起来,以查看机构零部件的移动方式。(图1)虽然装配体动画可以显示装配体零部件的相对运动,但运动速度却没有意义,而且计时也具有任意性。要得出速度、加速度、接点反作用力、功率要求等结果,设计人员需要一个更强大的工具。运动模拟便应运而生了。
图1使用CAD动画制作器模拟的、处于不同位置的椭圆规。
运动模拟可以提供运动机构所有零部件的运动学性能(包括位置、速度和加速度)和动力学性能(包括接点反作用力、惯性力和功率要求)的完整量化信息。更重要的是,几乎不用耗费更多的时间就可以获得运动模拟结果,因为执行运动模拟所需的所有内容都已在CAD装配体模型中定义好了,只需将它们传输到运动模拟程序即可。
用于机构分析与合成的运动模拟
在上述椭圆规案例中,设计人员只需确定马达的速度、要绘制的点以及希望查看的运动结果。程序会自动执行其余的内容,无须用户干预。运动模拟程序使用CAD零件的材料特性定义机构零部件的惯性特性,并将CAD装配体配合条件转换为运动接点。然后,该程序会自动用等式描述机构运动。与使用FEA研究的灵活结构不同,机构被表示为由刚性零部件组成的装配体,而且自由度很小。数字解算器会很快解算出运动方程式,结果包括所有机构零部件的位移、速度、加速度、接点反作用力和惯性载荷以及保持运动所必需的功率的完整信息。(图2)
图2由运动模拟器计算的线速度和马达功率要求
图3中所示的翻转滑杆机构运动模拟是机械运动学教材中常见的一种示例。此处引用该示例的目的是为了获得曲柄以匀速旋转时摇臂的角速度和加速度。可以使用多种分析方法来解决该问题;学生最常使用的可能是复数方法。但是,“手动”解决这样的问题需要进行大量的计算,即使借助计算机化的电子表格,也要耗费几个小时来构建速度和加速度图表。即便如此,如果滑杆的几何体发生更改,那么整个过程都要从头再来。这样的事情对于还在上学的学生来说是个有趣的作业,但在现实产品开发中却根本不切实际。运动模拟软件使用CAD装配体模型中已有的数据几乎可以即时地模拟翻转滑杆的运动。
图3用于计算摇臂角速度的翻转滑杆机构模拟。
用于机构分析与合成的运动模拟
图4用户可以轻松地检测和更正滑杆和驱动连杆之间的干涉。
工程师可以将简单机构(如上述的椭圆规或翻转滑杆)表示为2D机构。虽然进行手动分析比较困难且耗时,但工程师们确实找到了分析结果的方法。但是,3D机构(即使是简单机构,如图5所示)迄今还未建立分析结果的方法。运动模拟却可以在几秒之内轻松地解决这一问题,这是因为运动模拟是专为处理任何复杂程度的机构(无论是2D还是3D)而设计的。机构可能包含大量的刚性连接装置、弹簧、阻尼器和相触面组,但求解时间方面几乎不作任何判罚。例如,雪地车前悬架(图6)、健身器(图7)或CD驱动器(图8)等的运动可能会像翻转滑杆一样易于模拟。
图5“手动”分析简单3D机构非常困难,但使用运动模拟却易如反掌。
图6雪地车的前悬架由大量包含弹簧和阻尼器的连接装置组成。
图7健身器设计受益于运动模拟,它在该设计中用于优化各步骤的运动轨迹以及计算用户生成的功率。
图8CD驱动器是一种复杂的机构,但仍可以使用运动模拟轻松地进行分析。
除了机构分析外,产品开发人员还可通过将运动轨迹转换为CAD几何体,来将运动模拟用于机构合成。图9显示了一个问题范例。此设计方案设计的是一个会沿着导轨移动滑杆的凸轮,此设计使用运动模拟生成了该凸轮的轮廓。用户将所需滑杆位置表达为时间和滑杆在旋转坯料凸轮(圆盘)上移动的轨迹的函数。然后,将轨迹路径转换为CAD几何体,以创建凸轮轮廓,如图10所示。
图9应用了一个位移函数,以使滑杆沿导轨移动。
图10滑杆沿旋转圆盘移动,绘制出凸轮轮廓,图中显示为圆盘上的切槽。
设计人员还可将运动轨迹用于多个用途,例如,验证工业机器人的运动(如图11所示)、测试工具路径以获取选择所需机器人大小所需的信息,以及确定功率要求,所有这些操作都不需要进行任何物理测试。
图11通过模拟工业机器人在多个位置之间的移动,可以创建工具路径,而不需进行任何物理测试。
运动模拟的另外一项重要应用与运动实体之间的碰撞所产生的运动有关。尽管必须对此类碰撞实体的弹性进行特定的假设,但使用运动模拟可以得出机构(其零部件可能只经历过临时接触)的精确结果,如图12所示。
图12举例来说,使用运动模拟可以模拟碰撞和接触,以研究阀提升机构中凸轮和曲线仪(摇杆)之间可能形成的缝隙。
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