ADAMS在机械设计综合实践课程设计中的应用.docx

2011年第21期总第133期中国现代教育装备ISSN1672-1438CN11-4994/TADAMS 在机械设计综合实践课程设计中的应用潘金坤南京工程学院江苏南京211167摘 要： 将虚拟样机技术引入机械设计综合实践课程设计中，以插床机械系统为例，利用ADAMS软件建立导杆机构的参 数化模型，并对模型进行运动、动力学仿真及优化设计；用ADAMS 软件进行课程设计精确、快捷、方便、直观，课程设 计达到了满意的效果。关键词： 机械设计综合实践课程设计； ADAMS; 运动、动力学仿真；优化设计Application of ADAMS in mechanical design and comprehensive applied curriculum designPan JinkunNanjing institute of technology, Nanjing, 211167,ChinaAbstract:Introduce virtual prototyping technology to mechanical design and comprehensive applied curriculum design, take slotting mechanical system as example,establish guided bar oriented parameter model by virtue of ADAMS software, and carry out motion, dynamic simulation as well as optimization design over the model; it will be accurate, fast, convenient and visible by using ADAMS software to design curriculum, and contribute to reach satisfactory effect.Key words:mechanical design and comprehensive applied curriculum design; ADAMS; motion,dynamic simulation; optimization design机械原理和机械设计是机械设计制造及其自动化 专业学生必修的两门技术基础课程。这两门课程在教 学过程中均有实践性环节，分别为机械原理课程设计 和机械设计课程设计，课程设计能够培养机械类专业 学生的创新能力，是学生综合运用机械原理和机械设 计课程所学的理论知识解决实际问题，获得工程技术训练的实践性教学环节。目前机械原理课程设计和机械设计课程设计是各 自独立、自成一体的，这就割裂了二者之间的有机联系。为了对学生进行系统训练，形成整机设计理念，我们将这2门课程设计结合起来，统称为机械设计综 合实践课程设计。从产品设计的完整过程出发，编排 课程设计的内容，做到课程设计的完整性、系统性和 综合性。以插床机械设计为例，图1为机械系统示意图，课程设计分两个阶段进行。第一 阶段安排在第四收稿日期： 2011-08-01 稿件编号：1108005作者简介： 潘金坤，本科，讲师。基金项目： 南京工程学院高等教育研究课题“机械设计制 造及其自动化专业综合课程设计教学环节改革研究”(编号：GY201023)。学期末，历时1周，对插床机械系统进行整体方案设 计，对执行机构(导杆机构、凸轮机构)进行运动和动 力学分析，该阶段为机械原理课程段的内容；第二阶 段安排在第五学期末，历时2周，进行传动装置(减速 器)的设计，选择电机型号，画出装配总图、零件图， 完成整个设计，该阶段为机械设计课程段的内容。第 一阶段为第二阶段提供了整体方案设计，还提供了第二阶段所必需的运动和动力分析以及相关尺寸参数。执行机构传动装置电机图1插床机械系统示意图下面以我校机械设计综合实践课程设计中插床机 械设计为例，介绍ADAMS 虚拟样机软件在建立插床 导杆机构参数化模型，进行运动和动力学分析、优化设计方面的应用。2011年11月 23 1994-2012 China AcademicJournal Electronic Publishing House.All rights reserved. ISSN1672-1438CN11-4994/T中国现代教育装备2011年第21期 总第133期1 ADAMS 虚拟样机软件美国MSC 公司开发的ADAMS 机械系统动力仿真 分析软件，是集成了样机建模、仿真求解可视化后处 理一体的虚拟样机分析平台。随着虚拟样机技术在机 械工程领域的应用和发展， ADAMS 已成功应用于航 空航天、汽车工程、铁路车辆、工业机械、工程机械等领域。 ADAMS 包括3个最基本模块： ADAMS/View,ADAMS/Solver,ADAMS/PostProcessor。ADAMS/View 采用Windows 风格的操作界面，提 供了和用户直接交互的操作环境和样机模型的前处理 功能，集成了建模工具、自动调用求解器进行仿真以 及后处理程序的自动连接、模型的参数化及优化设计等接口。图2为ADAMS/View 设计环境。ADAMS/Solver 是ADAMS 的核心模块， ADAMS/ View自动调用该模块，求解样机模型的静力学、运动学或动力学等一系列问题。ADAMS/PostProcessor 是用来处理仿真结果数据、显示仿真动画等的模块，它可以在ADAMS/View环境中进行，也可以脱离该环境独立运行。Aolx24 Smdss Sstgs图2ADAMS/View 设计环境2 插床导杆机构运动、动力学分析目前机构运动、动力学分析的主要方法有2种， 一是图解法，二是解析法。图解法形象直观，但由于 图纸幅面有限，只能分析机构的12个位置，且精确 度不高；解析法精确度高，首先根据机构组成原理， 把机构拆分成基本杆组，编制运动和动力学分析子程 序，然后调用这些子程序进行分析。目前有现成的程 序模块可以调用，但多是用Fortran语言编程的，该语 言目前使用较少，我校机械类学生使用VB 语言，因此，这些程序模块无法使用，学生自己编程时间上不 允许，难度也很大，更无法对机构设计进行方案对比 或变参数分析。上述情况严重影响到机械设计综合实 践课程设计的教学效果和学生的学习积极性。基于 此，我们在课程设计中采用ADAMS 软件，建立了插 床导杆机构的虚拟样机，通过仿真分析真实地再现机 构运动，分析和比较多种机构设计方案，并对机构进行优化设计。2.1参数化建模插床机械系统的执行机构由导杆机构和凸轮机构 组成，图3为其机构示意图。电机经过传动装置(减速 器)带动曲柄2转动，再通过导杆机构使装有刀具的滑 块6沿导路Y-Y 作往复运动，以实现刀具的切削运动。 刀具向下运动时切削，刀具向上运动时为空回行程，要求刀具具有急回运动。图3插床执行机构在ADAMS 中建立插床导杆机构的参数化模型， 并施加约束和驱动，其参数化模型见图4。通过参 数化建模，将参数值设置为可以改变的量，在分析 时，只需要改变有关参数值，就自动得到新的虚拟样 机模型。用户也可预先拟定好一系列可变的参数， ADAMS 会自动进行系列仿真，借此观察样机性能随参数变化的情况。图4机构参数化模型2.2运动、动力学仿真分析对导杆机构参数化模型进行仿真分析，本例中曲柄2的转速n=47r/min, 转一周的时间为60/47s, 因24 2011年11月 1994-2012 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved. )2011年第21期总第133期中国现代教育装备ISSN1672-1438CN11-4994/T此，取End Time=1.2766,Steps=300。图5为滑块6的运动规律曲线，图6为曲柄2上的平衡力矩曲线。图5滑块6的位移、速度、加速度曲线图6平衡力矩曲线3 插床导杆机构优化设计以电机的功率消耗为测量目标，通过对机构中影 响电机功率消耗的设计变量的优化，使机构在所受工作阻力不变的情况下，功率消耗的最大值达到最小。要对电机功率消耗进行优化，必须要对已建立的 导杆机构参数化模型进行参数分析。参数化分析用来 了解各设计变量对样机性能的影响。对这些设计变量 采用不同的参数值进行一系列的仿真，然后根据返回 的分析结果，得出每个设计变量对样机性能(目标值) 的影响大小，即敏感度。具体的方法包括：设计研 究(Design Study)、 试验设计(Design of Experiments,DOE) 和优化分析(Optimization)。设计研究(Design Study)显示改变一个设计变量对目 标值的影响，可以用来确定设计变量对目标值影响的敏 感程度。通过设计研究，确定出对电机功率消耗的最大值敏感度最大的七个设计变量，分析结果见表1。表1 设计变量敏感度分析表设计变量设计变量位置初始值初始值敏感 度(N*mm/s)最优值DV 1POINT Ax-32.5-7784.5-31.5DV 2POINT Ay-56.292-13484.0-55.292DV 3POINT O4x-130.018429.0-131.0DV 4POINT O4y0.0-12605.01.001DV 5_POINT Bx-233.92-10645.0-232.92DV 6POINT By60.012226.059.0DV 7插刀行程H120.014856.0121.0由表1知，设计变量DV 1,DV 2,DV 3,DV 4,DV 5,DV 6 和DV 7 的敏感度最大，即这7个设计变量的变化，对电机在相同工作阻力情况下功率 消耗的最大值的影响最大。在ADAMS 中对上述7个设 计变量的取值范围进行适当限制，以电机功率消耗的 最大值达到最小为优化目标，利用ADAMS 软件进行 优化设计，7个设计变量的最优值见表1。优化前、后电机功率消耗曲线如图7所示。图7优化前、后功率消耗曲线图通过对图7中两种曲线的分析比较可以看出，优 化后电机功率消耗的峰值有较大降低；而且优化前曲 线的第二个拐点处，经过优化后变成了圆滑过渡，可 以避免因功率骤减给电机带来的冲击，从而延长电机的使用寿命。4 结束语将ADAMS 虚拟样机软件应用到机械设计综合实 践课程设计中，具有新颖性，改变了学生用图解法或 解析法进行机构运动、动力学分析的传统做法。学生 普遍反映用ADAMS 软件进行课程设计精确、快捷、 方便、直观，课程设计能达到满意的效果。为机械类 专业学生后期专业课程如液压设计、动力学分析和优 化设计等的学习，以及完成毕业设计，提供了一种优秀的辅助分析工具。参考文献1 朱理.机械原理(第2版)M.北京：高等教育出版社，20102 葛正浩ADAMS 2007虚拟样机技术M.北京：化学工业出版社，20103 胡志刚.牛头刨床六杆机构的多体动力学分析及优化设计J. 三峡大学学报(自然科学版),2006,28(3):2262294 韩宝菊，徐剑波.基于ADAMS 的插床动力学仿真分析及优化 设计J.机械工程与自动化，2007,141(2):35375 朱玉.机械原理和设计课程设计教学探索与实践J.南京工程 学院学报(社会科学版),2007,7(1):52556 罗洪田.机械原理课程设计指导书M. 北京：高等教育出版 社，19862011年11月 25 1994-2012 China Academic Journal Electronic Publishing House.Allrights reserved.