丁 旺，丁武學(xué)，馮丙波

DING Wang, DING Wu-xue, FENG Bing-bo

（南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，南京 210094）

0 引言

曲柄滑塊機(jī)構(gòu)是機(jī)械中應(yīng)用非常廣泛的一種機(jī)構(gòu)。機(jī)械壓力機(jī)就是通過(guò)傳動(dòng)系統(tǒng)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榛瑝K的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，從而得到壓力機(jī)的工作曲線。因此壓力機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)構(gòu)及主要構(gòu)件的受力情況直接影響著壓力機(jī)工作性能的好壞，這也是壓力機(jī)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)[1]。虛擬樣機(jī)技術(shù)通過(guò)虛擬實(shí)驗(yàn)和測(cè)試，在計(jì)算機(jī)上仿真分析復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)性能，大大縮短了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)所需的時(shí)間和成本，實(shí)現(xiàn)高效開(kāi)發(fā)。

1 壓力機(jī)主傳動(dòng)系統(tǒng)理論運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

壓力機(jī)主傳動(dòng)系統(tǒng)為曲柄滑塊機(jī)構(gòu)。其運(yùn)動(dòng)關(guān)系計(jì)算圖可簡(jiǎn)化為圖1所示。圖中R為曲柄長(zhǎng)度，L為連桿長(zhǎng)度，α為曲柄轉(zhuǎn)角，ω為曲柄角速度。由圖1可知，滑塊和曲柄轉(zhuǎn)角之間的關(guān)系可表達(dá)為：

據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)[2]簡(jiǎn)化整理可得，簡(jiǎn)單曲柄滑塊機(jī)構(gòu)滑塊的位移、速度分別為：

圖1 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖

代入壓力機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，可計(jì)算出滑塊的位移、速度曲線如圖2所示。

2 壓力機(jī)主傳動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真

2.1 多剛體虛擬樣機(jī)模型的建立

圖2 理論計(jì)算滑塊運(yùn)動(dòng)規(guī)律曲線

ADAMS（Automatic Dynamic Analysis of Mechanical System）是基于虛擬樣機(jī)技術(shù)和多體動(dòng)力學(xué)理論的機(jī)械系統(tǒng)仿真分析軟件，是世界上應(yīng)用最廣泛且最具權(quán)威性的機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真分析軟件[3]。利用ADAMS軟件能夠建立和測(cè)試虛擬樣機(jī)，實(shí)現(xiàn)在計(jì)算機(jī)上仿真分析復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)性能。但ADAMS軟件的實(shí)體建模能力較差，對(duì)于簡(jiǎn)單的幾何模型可以直接建模，而對(duì)于較復(fù)雜的模型常用三維建模軟件SolidWorks來(lái)完成。在建立幾何模型時(shí)，一定要保證幾何形體的質(zhì)量、質(zhì)心位置、慣性矩和慣性積與實(shí)際構(gòu)建相同，以保證運(yùn)動(dòng)學(xué)模型正確，而幾何形體的細(xì)節(jié)部分同實(shí)際構(gòu)件是否完全一致并不重要[4]。

壓力機(jī)主傳動(dòng)系統(tǒng)模型主要零件有：主從動(dòng)齒輪、曲軸、連桿和滑塊，其基本參數(shù)為：滑塊行程300mm，工作行程10mm，公稱壓力500t，行程次數(shù)為25次/分鐘。將其分別在SolidWorks中建模裝配后導(dǎo)入ADAMS中，并對(duì)模型添加質(zhì)量特性參數(shù)和各構(gòu)件間的約束，其中主從動(dòng)齒輪之間加齒輪副，連桿曲柄之間加鉸接副，連桿滑塊之間加球形副，滑塊和地面之間加移動(dòng)副，最后施加驅(qū)動(dòng)。從而完成了多剛體虛擬樣機(jī)系統(tǒng)的建模，如圖3所示。

圖3 多剛體虛擬樣機(jī)模型

2.2 剛?cè)狁詈咸摂M樣機(jī)模型的建立

多剛體系統(tǒng)忽略了系統(tǒng)中零件的彈性變形，而在工程實(shí)際中，這些變形是存在的，而且彈性變形將影響系統(tǒng)的輸出響應(yīng)，帶來(lái)一定的運(yùn)動(dòng)誤差。隨著現(xiàn)在對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行精度的要求越來(lái)越高，大量的問(wèn)題需確定大范圍運(yùn)動(dòng)與變形之間的影響[5]，因此，用剛?cè)狁詈夏Ｐ瓦M(jìn)行仿真分析是非常必要的。ADAMS中的柔性體是用離散化的若干個(gè)單元的有限個(gè)結(jié)點(diǎn)自由度來(lái)表示物體的無(wú)限多個(gè)自由度的，這些單元結(jié)點(diǎn)的彈性變形可以近似地用少量模態(tài)的線性組合來(lái)表示[6]。建立剛?cè)狁詈夏Ｐ偷牧鞒倘鐖D4所示。

圖4 剛?cè)狁詈蠘訖C(jī)建立的流程圖

壓力機(jī)的主傳動(dòng)系統(tǒng)中，滑塊的尺寸和質(zhì)量都比較大，剛性也較大，可以看成剛體，而連桿比較長(zhǎng)，柔度大，且在運(yùn)動(dòng)分析過(guò)程中，其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及受力情況都比較復(fù)雜，則將其看成彈性體研究。通過(guò)在ANSYS中對(duì)連桿模型進(jìn)行有限元分析，得到模態(tài)中性文件，然后導(dǎo)入ADAMS，建立連桿的柔體模型，替換原剛體模型。圖5為剛?cè)狁詈咸摂M樣機(jī)模型。

圖5 剛?cè)狁詈咸摂M樣機(jī)模型

2.3 仿真及結(jié)果分析

在曲軸轉(zhuǎn)速一定的情況下，分別對(duì)壓力機(jī)的多剛體模型和剛?cè)狁詈夏Ｐ瓦M(jìn)行仿真。圖6、7為兩種模型滑塊的運(yùn)動(dòng)規(guī)律曲線。

從圖6中滑塊位移、速度曲線可知，滑塊的位移為300mm，速度幅值為395.8235 mm/s，其與曲柄滑塊機(jī)構(gòu)理論運(yùn)動(dòng)分析計(jì)算所得的結(jié)果圖1相吻合，這也就說(shuō)明了建立的多剛體虛擬樣機(jī)模型是準(zhǔn)確的。通過(guò)放大器觀察，圖7中滑塊的位移是300.2329mm，比理論位移大0.2329mm；滑塊的速度幅值為395.943mm/s，比多剛體模型中滑塊的速度幅值大0.1177mm/s，變化幅度為0.0297%。根據(jù)兩種模型仿真結(jié)果的對(duì)比，兩者存在一定的差值，但兩者相差不是很大，說(shuō)明將連桿考慮成彈性體后，其彈性變形對(duì)運(yùn)動(dòng)是有影響的，更能反映機(jī)構(gòu)的真實(shí)運(yùn)動(dòng)。而影響較小是因?yàn)閴毫C(jī)連桿的截面積相對(duì)較大，剛度比較大；而且曲軸轉(zhuǎn)速不高，不平衡慣性力的影響較小，所以導(dǎo)致了兩種仿真模型所得的結(jié)果之間相差不是很大。

圖6 多剛體模型滑塊運(yùn)動(dòng)規(guī)律曲線

圖7 剛?cè)狁詈夏Ｐ突瑝K運(yùn)動(dòng)規(guī)律曲線

3 傳動(dòng)系統(tǒng)中柔性體的應(yīng)力分析

通過(guò)對(duì)剛?cè)狁詈夏Ｐ偷姆抡妫粌H可以很方便的考慮柔性體部件對(duì)機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的影響，而且可以得到連桿在任意時(shí)刻的應(yīng)力分布狀況，從而提高分析精度。文中傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，有兩個(gè)連桿，而這兩個(gè)連桿的受力及運(yùn)動(dòng)情況是相同的，因此只需選用其中任一個(gè)分析，得到連桿在任意時(shí)刻的應(yīng)力變化情況。此處選的是1.2s時(shí)，其應(yīng)力分布如圖8所示。

圖8 連桿應(yīng)力云圖

圖9 節(jié)點(diǎn)1522應(yīng)力變化曲線

由連桿應(yīng)力云圖可知，在所選時(shí)刻，連桿應(yīng)力最大處在小端的圓柱處。為了更詳細(xì)的了解此處應(yīng)力隨時(shí)間的變化情況，可選若干節(jié)點(diǎn)，得到節(jié)點(diǎn)應(yīng)力隨時(shí)間變化曲線。圖9為危險(xiǎn)區(qū)域連桿小端處的節(jié)點(diǎn)1522的應(yīng)力變化曲線，可見(jiàn)當(dāng)滑塊到最底端時(shí)應(yīng)力值最大，達(dá)到4.5139MPa，遠(yuǎn)小于材料許用應(yīng)力，滿足強(qiáng)度要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

采用三維繪圖軟件SolidWorks、有限元軟件ANSYS和動(dòng)力學(xué)仿真軟件ADAMS的聯(lián)合仿真的方法對(duì)壓力機(jī)主傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。在SolidWorks中建立了三維實(shí)體模型，并ANSYS中生成了模態(tài)中性文件，最后在ADAMS中對(duì)兩種模型分別進(jìn)行仿真分析，并得到了柔性連桿在任意時(shí)刻的應(yīng)力圖。我們可以看到，虛擬樣機(jī)技術(shù)簡(jiǎn)便、直觀、可靠，從而避免了在機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化時(shí)進(jìn)行繁瑣的分析、計(jì)算和推導(dǎo)以及圖解法精度不高的問(wèn)題，降低了研發(fā)成本，提高了工作效率。

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