肖 超，李 偉，邵 騰，叢日平

(山西航天清華裝備有限責(zé)任公司 技術(shù)中心，山西 長治 046000)

0 引言

隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展，虛擬樣機(jī)仿真技術(shù)在工程機(jī)械開發(fā)中得到了廣泛的應(yīng)用。文獻(xiàn)[1-3]都通過虛擬樣機(jī)對牛頭刨床的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了仿真分析并進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

分析發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有研究多數(shù)是在設(shè)計(jì)方案確定后，基于比較完善的三維模型進(jìn)行虛擬樣機(jī)仿真研究。而在方案設(shè)計(jì)前期，如何能夠快速獲得不同方案的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)特性，進(jìn)行方案擇優(yōu)則成為難點(diǎn)。為此，本文基于ADPL語言的機(jī)構(gòu)仿真分析方法，以牛頭刨床為例進(jìn)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。并通過與理論結(jié)果的對比分析，驗(yàn)證該方法的可行性，對類似的機(jī)構(gòu)仿真研究具有一定的理論指導(dǎo)意義。

1 基于APDL語言的參數(shù)化分析流程

參數(shù)化設(shè)計(jì)語言APDL(Parametric Design Language)使研發(fā)人員對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)或分析具有絕對控制權(quán)，通過修改尺寸、材料、載荷等參數(shù)，可以快速實(shí)現(xiàn)具有相同結(jié)構(gòu)的不同系列產(chǎn)品的剛度分析、諧響應(yīng)分析、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)等[4]。基于APDL的參數(shù)化分析流程如圖1所示。

圖1 基于APDL的參數(shù)化分析流程

針對工程實(shí)際問題，通過提取事物結(jié)構(gòu)特征及拓?fù)浼s束關(guān)系，將其轉(zhuǎn)化為用APDL語言表達(dá)的程序，在程序運(yùn)行和調(diào)試的基礎(chǔ)上，求得問題的結(jié)果。

2 牛頭刨床參數(shù)化建模

2.1 基本結(jié)構(gòu)及參數(shù)

常見的牛頭刨床大多采用如圖2所示的六桿機(jī)構(gòu)傳動(dòng)。其中，曲柄1、導(dǎo)桿3、機(jī)架4及滑塊組成擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)，為便于與文獻(xiàn)[5]中的理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比分析，假設(shè)桿件1在初始狀態(tài)處于水平位置。

確定輸入?yún)?shù)(默認(rèn)長度單位為mm)，用APDL表達(dá)為：

r=100 !桿件1的回轉(zhuǎn)半徑

h1=350 !點(diǎn)O與點(diǎn)B之間的垂直距離

h2=350 !點(diǎn)A與點(diǎn)C之間的垂直距離

h3=250 !點(diǎn)C與點(diǎn)D之間的垂直距離

a=200 !點(diǎn)D與點(diǎn)F、點(diǎn)G之間的水平距離

1-曲柄；2，5-滑塊；3-導(dǎo)桿；4-機(jī)架；6-推桿；7，8-連桿

2.2 參數(shù)化建模

根據(jù)牛頭刨床的機(jī)構(gòu)特點(diǎn)，用定義的輸入?yún)?shù)將每個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)在坐標(biāo)系中的位置用APDL語言表示出來，再選擇相應(yīng)的單元類型，建立參數(shù)化模型。用APDL表達(dá)為：

/prep7 !進(jìn)入前處理模塊

!定義關(guān)鍵點(diǎn)位置

n,1 !定義點(diǎn)B的位置

n,2,0,h1 !定義點(diǎn)O的位置

n,3,r,h1 !定義點(diǎn)A的位置

n,4,2*r,h1+h2 !定義點(diǎn)C的位置

n,5,2*r,h-h3-100 !定義點(diǎn)E的位置

n,6,2*r,h !定義點(diǎn)D的位置

n,7,2*r-a,h !定義點(diǎn)F的位置

n,8,2*r+a,h !定義點(diǎn)G的位置

!定義單元類型

et,1,mpc184,1,1 !MPC184，剛性梁單元

et,2,mpc184,3 !MPC184，滑塊連接單元

et,3,mpc184,6 !MPC184，銷軸連接單元

et,4,mpc184,10 !MPC184，平移連接單元

!創(chuàng)建MPC184剛性梁單元

type,1

e,1,4 !定義導(dǎo)桿3

e,2,3 !定義曲柄1

e,5,6 !定義推桿6

e,6,7 !定義連桿7

e,6,8 !定義連桿8

!創(chuàng)建MPC184銷軸連接單元

local,12,,,,,,,90

sectype,1,joint,revo

secjoint,lsys,12

type,3

secnum,1

e,1

!創(chuàng)建MPC184滑塊單元

type,2

e,3,1,4 !創(chuàng)建滑塊2

e,4,5,6 !創(chuàng)建滑塊5

!創(chuàng)建MPC184平移連接單元

local,13

sectype,2,joint,pris

secjoint,lsys,13

type,4

secnum,2

e,7 !創(chuàng)建桿7及桿8的平移單元

由以上APDL語言建立的牛頭刨床參數(shù)化模型如圖3所示。

圖3 基于APDL建立的牛頭刨床參數(shù)化模型

2.3 施加邊界條件

在點(diǎn)O處施加位移邊界條件。約束和荷載用APDL表示為：

d,2,ux,,,,,uy,uz,rotx,roty !約束點(diǎn)O位移

d,2,rotz,2*acos(-1) !在點(diǎn)O處施加位移驅(qū)動(dòng)

2.4 求解及結(jié)果輸出

由于篇幅限制，本文只對點(diǎn)D的速度、加速度以及導(dǎo)桿3的角速度、角加速度進(jìn)行求解分析。用APDL表達(dá)為：

!求解

/solu

time,1.2 !在1.2s內(nèi)曲柄1旋轉(zhuǎn)360°

nlgeom,on

outres,all,all

nsubst,100,,50

solve

!結(jié)果輸出

/post26

nsol,2,7,u,x !點(diǎn)D的位移曲線

deriv,3,2 !點(diǎn)D的速度曲線

plvar,3 !繪制點(diǎn)D的速度曲線

deriv,4,3 !點(diǎn)D的加速度曲線

plvar,4 !繪制點(diǎn)D的加速度曲線

nsol,5,1,rot,z

deriv,6,5,,,,,,57.29577 !導(dǎo)桿3的角速度

plvar,6 !繪制導(dǎo)桿3的角速度曲線

deriv,7,6 !導(dǎo)桿3的角加速度

plvar,7 !繪制導(dǎo)桿3的角加速度曲線

由此，可以得到點(diǎn)D的速度曲線(見圖4)和加速度曲線(見圖5)以及導(dǎo)桿3的角速度曲線(見圖6)和角加速度曲線(見圖7)。

圖4 點(diǎn)D的速度曲線 圖5 點(diǎn)D的加速度曲線 圖6 導(dǎo)桿3的角速度曲線

2.5 仿真結(jié)果驗(yàn)證

將導(dǎo)桿3的角速度、角加速度曲線與文獻(xiàn)[5]中的理論計(jì)算結(jié)果(如圖8、圖9所示)對比分析可知，基于APDL語言得到的虛擬樣機(jī)仿真結(jié)果與理論分析結(jié)果完全一致，證明了該方法求解結(jié)果的正確性。

2.6 系列機(jī)構(gòu)求解

通過修改2.1節(jié)中的輸入?yún)?shù)，可以快速獲得不同結(jié)構(gòu)尺寸的牛頭刨床的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真結(jié)果，這里不再一一贅述。

3 結(jié)語

本文基于APDL語言建立了牛頭刨床機(jī)構(gòu)的參數(shù)化模型并進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，通過與理論計(jì)算結(jié)果的對比分析，證明了該方法的正確性，從而為用戶擺脫繁瑣的理論計(jì)算，直觀、快速地獲得機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析結(jié)果提供了一種新思路。

圖7 導(dǎo)桿3的角加速度曲線 圖8 文獻(xiàn)[5]中求得的導(dǎo)桿角速度曲線 圖9 文獻(xiàn)[5]中求得的導(dǎo)桿角加速度曲線