鄭方輝, 肖洪，朱天宇

(河海大學 機電工程學院，江蘇 常州 213022)

基于Pro/E與ADAMS的槽式太陽聚光器的聯(lián)合仿真

鄭方輝, 肖洪，朱天宇

(河海大學 機電工程學院，江蘇 常州 213022)

介紹了三維設(shè)計軟件Pro/E和機械系統(tǒng)動力學仿真軟件ADAMS兩者之間聯(lián)合仿真的方法與步驟。建立了槽式太陽聚光器的虛擬樣機模型，并對其進行了動力學仿真，驗證了模型可靠性和Pro/E與ADAMS進行聯(lián)合仿真的可行性。運用虛擬樣機技術(shù)，可以提高設(shè)計效率，降低產(chǎn)品開發(fā)成本和設(shè)計風險，縮短產(chǎn)品研發(fā)周期，為后續(xù)復雜機、電、液一體化的仿真分析提供了一種便捷的聯(lián)合仿真方案。

槽式太陽聚光器；Pro/E；ADAMS；聯(lián)合仿真

0 引言

作為最早實現(xiàn)商業(yè)化運營的太陽能熱發(fā)電技術(shù)，槽式太陽能熱發(fā)電技術(shù)目前已較為成熟，且其發(fā)電站也是目前所有太陽能熱發(fā)電試驗電站中功率及年效率最高的。目前太陽能槽式發(fā)電的研究工作集中在新材料、新工藝、新設(shè)計等方面，并已取得了一些實質(zhì)性的進展。由于現(xiàn)有理論的局限，要取得進一步的技術(shù)突破，還需要一段探索過程。本文從槽式太陽聚光裝置支架入手，建立其虛擬樣機模型，采用聯(lián)合仿真技術(shù)對其機械系統(tǒng)進行動力學仿真研究，驗證模型可靠性，為后續(xù)液壓驅(qū)動系統(tǒng)與控制系統(tǒng)設(shè)計研究提供參考和技術(shù)支持。

在傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計與制造過程中，為了驗證產(chǎn)品的整體性能，往往采用物理原型(Physical Prototype)的方法，但這種方法生產(chǎn)周期長、成本高。隨著計算機和CIMS技術(shù)的迅猛發(fā)展，虛擬樣機在產(chǎn)品設(shè)計和制造中起到越來越重要的作用。虛擬樣機(Visual Prototype也稱虛擬原型)技術(shù)是在計算機上設(shè)計產(chǎn)品的整體模型，并針對該產(chǎn)品在投入使用后的各種工況進行仿真分析，預測產(chǎn)品的整體性能，進而改進產(chǎn)品設(shè)計、提高產(chǎn)品性能的一種新技術(shù)。本文采用Pro/E來實現(xiàn)槽式太陽聚光器支架三維模型的建立，再導入到ADAMS中進行仿真分析。

1 Pro/E和ADAMS軟件介紹

Pro/E軟件是美國參數(shù)技術(shù)公司(parametric technology corporation,PTC)的重要產(chǎn)品。在目前的三維造型軟件領(lǐng)域中占有重要地位，并作為當今世界機械CAD/CAE/CAM領(lǐng)域的新標準而得到業(yè)界的認可和推廣。軟件包Pro/Engineer是該系統(tǒng)的基本部分，其主要功能包括參數(shù)化定義、實體零件及組裝造型，三維上色實體或線框造型等。

ADAMS(automatic dynamic analysis of mechanical systems)軟件是美國MDI(mechanical dynamics inc)公司開發(fā)的目前最權(quán)威的機械系統(tǒng)運動學與動力學仿真計算的商用軟件。它使用交互式圖形環(huán)境和零件庫、約束庫、力庫，創(chuàng)建完全參數(shù)化的機械系統(tǒng)幾何模型，其求解器采用多剛體系統(tǒng)動力學理論中的拉格朗日方程，建立系統(tǒng)動力學方程，對虛擬機械系統(tǒng)進行靜力學、運動學和動力學分析，輸出位移、速度、加速度和反作用力曲線，通過在計算機上創(chuàng)建虛擬樣機來模擬復雜機械系統(tǒng)的整個運動過程，從而達到改進設(shè)計品質(zhì)、節(jié)約成本、節(jié)省時間的目的。其核心模塊包括ADAMS/View和ADAMS/Solver。

在利用Pro/E和ADAMS進行聯(lián)合設(shè)計時，一般在Pro/E中實現(xiàn)三維特征建模，利用Pro/E生成零件實體，然后裝配成運動部件并進行干涉檢查，再將整個模型傳送給ADAMS，在ADAMS中仿真參數(shù)的設(shè)定，產(chǎn)生參數(shù)化的機構(gòu)模型，并進行動力學仿真。一般情況下的聯(lián)合仿真設(shè)計流程如圖1所示。

圖1 聯(lián)合仿真設(shè)計流程圖

2 槽式太陽聚光器支架的三維實體建模

2.1Pro/E中建立各零部件的三維實體模型

在草繪界面通過拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃描等基本特征建立零件模型，再通過倒角、圓角修飾等特征造型方法處理模型，得到準確完整的零部件模型，主要零部件如圖2。

圖2 支架主要零件及裝配件三維模型

2.2 利用零部件的連接關(guān)系建立裝配

首先進入Pro/E原始界面，單擊“新建”按鈕，打開“新增”圖框，在“類型”欄選擇“組件”，在“子類型”欄選擇“實體”，取消“使用缺省模板”選項，在“新增選項”圖框的模板下選取mmns-part-solid選項，單擊“確定”按鈕進入裝配界面。新建裝配文件，定義各個零件或子裝配體之間的約束關(guān)系，得到支架裝配體的三維模型,如圖3所示。

圖3 支架Pro/E裝配體

3 槽式太陽聚光器支架的動力學仿真

3.1 建立虛擬樣機模型

將在Pro/E中創(chuàng)建的模型導入ADAMS仿真環(huán)境。Pro/E與ADAMS間進行圖形數(shù)據(jù)傳遞的方法主要有兩種：1) 使用Pro/E和ADAMS的專用數(shù)據(jù)接口模塊Mechanism/Pro;2) 通過標準圖形格式轉(zhuǎn)換，即將Pro/E創(chuàng)建的模型存儲為中性文件格式，再導入ADAMS中去。Pro/E與ADAMS共同支持的中性文件格式主要有：IGES，STEP，DXF/DEG，SLA，Render等，但在傳遞過程中可能會導致模型屬性、特征丟失，在導入后需要另外添加。

本文采用第二種方式，在ADAMS中提供的多種數(shù)據(jù)模型接口中，最常用的格式是parasolid，其擴展名為：*.x_t,文件名和保存路徑不要出現(xiàn)中文字符；在ADAMS中的import選擇文件類型，指向文件，選擇model name,在后面的空格里單擊右鍵，選model再選create,修改名字；在ADAMS中可以編輯各個零件的屬性，添加約束。

在虛擬樣機中，機構(gòu)之間的相對運動是通過運動副來實現(xiàn)的。ADAMS建模時或者中性文件導入后，可以通過各種約束限制構(gòu)件之間的相對運動，并以此將不同構(gòu)件連接起來，組成一個機械系統(tǒng)。在本文槽式太陽聚光器支架虛擬樣機中，由于零件較多，在ADAMS中對沒有相對運動的零件作了布爾運算，簡化模型。簡化后的模型分為：扭矩框、反射鏡、支撐架(三個)五個部分(不含大地)，模型如圖4所示。

圖4 支架虛擬樣機模型

驗證虛擬樣機模型，單擊菜單欄中的“Tools”-“Model Verify”命令，可以啟動模型自檢。完成自檢后，程序顯示自檢結(jié)果表。完成模型屬性、約束(四個固定副和三個旋轉(zhuǎn)副)和驅(qū)動添加。

3.2ADAMS動力學仿真

在用Adams/solver進行計算前，先確定計算仿真的時間和選擇合適的步長，根據(jù)初始位置和實際工作情況，驅(qū)動速度設(shè)置為0.004d/s,確定仿真時間為43200s，即工作12h，步長為50000步。將驅(qū)動力矩MOTION_1和反射鏡PART3的質(zhì)心CM_Position設(shè)置為測量點，用以記錄驅(qū)動力矩和PART3 CM_Position位移隨時間變化情況,如圖5所示。

圖5 驅(qū)動力矩曲線圖

從曲線圖5上可以看出力矩變化整體呈對稱分布，y、z方向力矩波動較之x方向更為明顯。將驅(qū)動速度增大到30d/s，同時增加仿真步數(shù)后，力矩隨時間變化情況整體不變，但更為直觀明了，如圖6所示。

圖6 驅(qū)動速度30 d/s時力矩曲線圖

從仿真結(jié)果看，在沒有外負載(如風載)情況下，驅(qū)動力矩只需克服裝置重力進行動力學仿真，力矩曲線呈對稱分布。當相對增加仿真步數(shù)時，仿真結(jié)果更為明了，y，z方向力矩分量波動尤為明顯。反射鏡,即PART3的質(zhì)心位移在x軸上的分量保持不變，在y，z軸方向上的分量的起始點和終止點呈對稱點分布，總位移保持不變，如圖7所示。驅(qū)動力矩MOTION_1和質(zhì)心位移PART3 CM_Position的變化規(guī)律與裝置實際變化規(guī)律一致，驗證了模型可靠性和聯(lián)合仿真技術(shù)的可行性，為后續(xù)機電液聯(lián)合仿真分析提供了基礎(chǔ)。

圖7 PART3 CM_Position位移曲線圖

4 結(jié)語

Pro/E和ADAMS作為三維建模領(lǐng)域和動力學仿真分析領(lǐng)域的優(yōu)勢產(chǎn)品，二者的聯(lián)合仿真廣泛應用于機械設(shè)計、產(chǎn)品開發(fā)、工程校驗等過程中。本文在ADAMS中建立了虛擬樣機模型，實現(xiàn)了太陽能聚光裝置支架的動力學仿真，為下一步優(yōu)化設(shè)計提供依據(jù)，同時該方法也為后面液壓和控制系統(tǒng)的設(shè)計研究提供參考和依據(jù)，極大地縮短了研發(fā)周期，降低了生產(chǎn)成本，對企業(yè)提高設(shè)計效率和產(chǎn)品品質(zhì)具有重要的指導意義。

[1] 羅智慧,龍新峰.槽式太陽能熱發(fā)電技術(shù)研究現(xiàn)狀與發(fā)展[J].電力設(shè)備,2006(11):29-32.

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[3] 張學軍,姜哲珠.基于Pro/E與ADAMS的搬運機器人動態(tài)仿真研究[J].機床與液壓,2011(9),95-97.

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Co-simulation of Trough Solar Concentrator Based on Pro/E and ADAMS

ZHENG Fang-hui, XIAO Hong,ZHU Tian-yu

(Mechanical and Electrical Institute, Hohai University, Changzhou 213022, China)

The methods and steps of the united simulation by the 3-dimension modeling software Pro/E and the dynamic simulation & analysis software ADAMS are introduced. The virtual prototype model of the trough solar concentrator station is established, and the kinematics simulation is done, the reliabilily of the model and the feasibility of the united simulation by Pro/E and ADAMS are demonstrated. Virtual prototype technology can be used to improve the design efficiency and reduce the design risk, costs of product development and shortening development cycle. It proposes a convenient co-simulation scheme for mechanical-electrical-hydraulic coupling system.

trough solar concentrator; Pro/E; ADAMS; united simulation

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(973計劃)高效規(guī)?；柲軣岚l(fā)電的基礎(chǔ)研究(2010CB227102);南通市2011B產(chǎn)學研合作科技計劃——新能源及裝備制造項目(BC2011009)

鄭方輝(1987-)，男，湖北武漢人，碩士研究生，研究方向為機械電子工程。

TP391.9

B

1671-5276(2014)02-0102-03

2013-01-28