韓非，呂海飛，陳志仁，楊斌，王鵬飛，李凱

（上海無線電設備研究所，上海 201109）

0 引言

隨著近年來機械自動化行業(yè)的迅猛發(fā)展，基于設計-仿真-設計的設計理念已成為目前主流的機械設計方法，基于高精度與高性能的設計理念，對機構(gòu)的動力學仿真提出了更為嚴苛的要求，但對于構(gòu)件多、空間小的復雜機構(gòu)，一方面在零件較多的情況下，難以兼顧仿真結(jié)果由整化零對零件進行優(yōu)化設計；另一方面機構(gòu)運動復雜，在運動條件的約束下難以建模及對其進行集中調(diào)整與參數(shù)提取[1],近年隨著軟件二次開發(fā)的廣泛應用，針對復雜系統(tǒng)的定制化二次開發(fā)成為了處理以上問題的新方法[2]。

1 Simcenter 3 D二次開發(fā)工具

Simcenter 3D繼承了NX的開發(fā)接口，包含了4種開發(fā)工具：GRIP、UG/Open、KF、NX Open[3]。其中，NX Open C++是西門子公司主推的基于C++語言的二次開發(fā)方式，功能強大，幾乎可以實現(xiàn)NX的全部功能。GRIP等開發(fā)工具NX不再更新它的函數(shù)，同時具有代碼量大、無法與UI完美結(jié)合等缺點，由于上述原因，本文采用NX Open C++進行開發(fā)[4]。

二次開發(fā)包含了多種其他開發(fā)文件，其中MenuScript腳本語言可以根據(jù)用戶需求創(chuàng)建和編輯菜單和工具條，Block UI Style是一個可視化用戶界面生成器，設計NX交互風格對話框[5]，UF_MOTION_XXX等為用戶提供了運動仿真模塊相關(guān)參數(shù)，在二次開發(fā)界面，設計人員可通過運動仿真結(jié)果對摩擦等參數(shù)進行修改，以達到對機構(gòu)仿真輸出結(jié)果參數(shù)的修正[6]。

2 技術(shù)路線

機構(gòu)動力學仿真系統(tǒng)工作思路為根據(jù)Simcenter 3D動力學仿真方法，對機構(gòu)模型導入、構(gòu)建運動體、定義約束等功能進行集成，同時設立調(diào)參模塊，對剛度、摩擦因數(shù)等參數(shù)進行調(diào)整及對仿真結(jié)果進行一鍵導出，不斷在取值范圍內(nèi)修改相關(guān)參數(shù)直至仿真結(jié)果等滿足設計要求，完成機構(gòu)的設計仿真工作，技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 技術(shù)路線

在Simcenter 3D初始界面中將三維模型部件定義為運動體對象，并添加質(zhì)量、轉(zhuǎn)動慣量、質(zhì)心等物理屬性。同時在運動體上定義一系列約束，包括運動副、3D接觸、彈簧、力、摩擦阻尼等約束特征，并創(chuàng)建結(jié)算方案，定義重力、主數(shù)組等參數(shù)。構(gòu)建完畢后，轉(zhuǎn)入前后處理模塊，選擇103柔性體定義模塊進入有限元分析，定義材料屬性、劃分網(wǎng)格、添加1D連接與約束、創(chuàng)建柔性體，并將*.op2仿真結(jié)果文件導入艙門運動模型中，重新解算，完成剛?cè)狁詈?。解算完成后，可在運動展示模塊查看動力學仿真結(jié)果，例如三維動畫、二次圖標，同時可在參數(shù)設置模塊批量修改運動參數(shù)，簡化操作。

通過UI設計，將二次開發(fā)系統(tǒng)設為模型求解、運動分析、參數(shù)設置、動畫設置、參數(shù)導出5個模塊，系統(tǒng)設置如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)設置

3 界面開發(fā)

3.1 MenuScript與UI定制

建立環(huán)境變量UGII_USER_DIR，建立項目文件夾中已經(jīng)創(chuàng)建startup和application文件夾，其中startup保存的是菜單欄空間按鈕文件、MenusCript菜單腳本文件及UI文件；application儲存的是動態(tài)鏈接庫文件[7]，通過NX1897及VS2017編輯環(huán)境，編輯NX Open C++Wizard項目，與定義在自制菜單上的UI接口相結(jié)合，實現(xiàn)可編輯功能[8]。

一個完整的NX二次開發(fā)應用程序開發(fā)步驟包括：1）編輯源文件；2）編輯源文件為目標文件；3）鏈接對象為可執(zhí)行文件；4）與界面UI等相結(jié)合測試；5）如果運行成功則輸出運行結(jié)果，總體框架如圖3所示[9]。

圖3 總體框架

3.2 柔性體及調(diào)參界面功能定制

機構(gòu)模型中存在多種柔性體，多種柔性體同時結(jié)算時，不易觀察單一構(gòu)件的應力集中現(xiàn)象，可在柔性體設置模塊對柔性體進行激活，同時由于Simcenter 3D軟件對定義摩擦，接觸與路面的構(gòu)件無法定義柔性體，在激活柔性體的同時關(guān)閉構(gòu)件上定義的摩擦，在關(guān)閉柔性體時激活摩擦。

在參數(shù)設置模塊中可以對摩擦、彈簧剛度、預緊長度、接觸剛度等運動參數(shù)進行批量修改，用戶在UI界面中寫入想要修改的參數(shù)，每一個輸入框?qū)狟LOCKID數(shù)字接口，用戶填寫后，對其中的參數(shù)進行提取，調(diào)用模塊相關(guān)dll動態(tài)鏈接庫中接收數(shù)據(jù)，應用在相關(guān)的運動體上，調(diào)整參數(shù)，流程如圖4所示。機構(gòu)二次開發(fā)動力學仿真系統(tǒng)針對復雜而重復的調(diào)參操作進行腳本化替代，在確定機構(gòu)相關(guān)約束后可以快速地進行調(diào)參，不用單獨設置，簡化機構(gòu)動力學參數(shù)設置過程，有效節(jié)約仿真測試人員的測試時間與測試成本。

圖4 柔性體設置

4 應用范例

飛機艙門是機身中較為復雜的部位之一，包含上千零部件，同時作為進出機艙的可開關(guān)重要組件，對其功能具有嚴格的要求，艙門中多數(shù)部件作為機構(gòu)的一部分參與運動，同時傳遞艙門打開及鎖閉過程中手柄與門軸產(chǎn)生的啟動及旋轉(zhuǎn)力矩，機身艙門的動力學仿真在實際操作過程中較為繁瑣，結(jié)合前一次實驗結(jié)果改進參數(shù)后，需要重復上一次的動力學仿真操作，對于多次進行仿真測試實驗效率低下，不利于設計進度的推進，應用Simcenter 3D二次開發(fā)技術(shù)，針對一些復雜而重復的操作進行腳本化替代，能夠有效節(jié)約仿真測試人員的測試時間與測試成本，通過二次開發(fā)，可以快速修改參數(shù)，艙門三維模型及參數(shù)設置界面如圖5所示。在確定模型約束后能進行快速仿真，二次開發(fā)的方法都能做到一鍵修改參數(shù)并進行重復且復雜的仿真計算的操作，避免了多次進行重復操作，以提升效率。

圖5 艙門模型及調(diào)參界面

根據(jù)設計要求，艙門在提升時手柄力不應超過196 N，一般峰值為147 N左右，否則將對機務人員產(chǎn)生較大的負擔，同時要求手柄力變化平穩(wěn)，保證艙門開啟的流暢性，同時艙門在打開過程中應始終與機身平行，系統(tǒng)在調(diào)參后求解所得手柄轉(zhuǎn)矩與艙門位移曲線如圖6所示。

圖6 手柄轉(zhuǎn)矩曲線與艙門位移曲線

通過對運動參數(shù)的調(diào)整，手柄力峰值趨于147 N，同時艙門在運動過程中始終與機身保持平行狀態(tài)。導出剛?cè)狁詈夏Ｐ褪直嵝泽w應力位移云圖如圖7所示。

圖7 艙門手柄位移及應力云圖

仿真系統(tǒng)在柔性體模塊定義了包括手柄、主鉸鏈臂、平衡桿、門軸、滑軌等柔性桿件，實現(xiàn)了艙門模型的剛?cè)狁詈?，同時可以對多個柔性體進行激活操作，觀察單一構(gòu)建的應力集中現(xiàn)象。

5 結(jié)語

基于Simcenter 3D的艙門動力學仿真系統(tǒng)實現(xiàn)了對艙門模型導入至數(shù)據(jù)導出全套的開發(fā)流程，可以根據(jù)艙門實體數(shù)據(jù)要求改變相關(guān)運動參數(shù)，達到精確的控制效果，通過二次開發(fā)可以實現(xiàn)包括運動定義、參數(shù)導出、動畫設置等多項功能，具有很高的實用價值。