時(shí)間：2023-03-02 14:59:31
緒論：在尋找寫(xiě)作靈感嗎？愛(ài)發(fā)表網(wǎng)為您精選了8篇虛擬樣機(jī)技術(shù)論文，愿這些內(nèi)容能夠啟迪您的思維，激發(fā)您的創(chuàng)作熱情，歡迎您的閱讀與分享！
關(guān)鍵詞 虛擬樣機(jī)；技術(shù)；機(jī)械；產(chǎn)品；設(shè)計(jì)
中圖分類號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7597（2013）14-0065-01
為了使自身在市場(chǎng)上立于不敗之地，很多企業(yè)都對(duì)產(chǎn)品的模式進(jìn)行了更新，其目的是提高產(chǎn)品的效率及收益。隨著社會(huì)的發(fā)展和經(jīng)濟(jì)水平的提高，競(jìng)爭(zhēng)也愈發(fā)激烈，除了要減少成本以外，還要提高產(chǎn)品的質(zhì)量和使用價(jià)值。
1 什么是虛擬樣機(jī)
所謂的虛擬樣機(jī)，指的是產(chǎn)品的多領(lǐng)域數(shù)字化模型的集合體，它包含了真實(shí)產(chǎn)品的所有特點(diǎn)。運(yùn)用這種技術(shù)，可以對(duì)機(jī)器的零件進(jìn)行模擬制造，從而在設(shè)計(jì)階段提高產(chǎn)品的使用性能和質(zhì)量。
用這種技術(shù)來(lái)對(duì)機(jī)械產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)零件、結(jié)構(gòu)、裝配等部分進(jìn)行分析，使機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)更加具有直觀性和可視性。
2 基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)與建模方法
2.1 利用CAD軟件建模仿真
在對(duì)機(jī)械產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)的時(shí)候，必須要運(yùn)用一系列的軟件來(lái)對(duì)機(jī)械零件的設(shè)計(jì)尺寸進(jìn)行分析，并且對(duì)機(jī)械零件開(kāi)始進(jìn)行一個(gè)一個(gè)的建模。這樣就可以得到一個(gè)三維的圖片，然后再對(duì)零件模型的表面、材質(zhì)、質(zhì)量、性能等進(jìn)行虛擬的設(shè)計(jì)，從而進(jìn)行仿真分析。
建模完成以后，再利用三維軟件，將需要調(diào)入的零件模型進(jìn)行裝配，裝配的時(shí)候要充分的利用平衡、垂直、重合等。裝配還必須按照順序來(lái)進(jìn)行，比如先裝配部件，然后再將部件模擬裝配成樣機(jī)。此外，可以通過(guò)運(yùn)動(dòng)集成模塊來(lái)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，這些模塊有很多的優(yōu)點(diǎn)，比如能夠矯正機(jī)械的運(yùn)行，能夠注意到機(jī)械的位置、運(yùn)行速度、性能是否正常。另外，這些模塊還能夠通過(guò)對(duì)尺寸的計(jì)算，優(yōu)化整個(gè)機(jī)械的性能。
2.2 對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)件進(jìn)行分析和仿真
在對(duì)機(jī)械產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)的過(guò)程當(dāng)中，除了必須要考慮設(shè)計(jì)中的運(yùn)動(dòng)以外，還要考慮所設(shè)計(jì)的零件是否有一定的承載能力，或者強(qiáng)度和性能是否符合要求。進(jìn)行了建模以后，因?yàn)檐浖幸粋€(gè)比較好的接口，因此可以采用這種軟件對(duì)機(jī)械的各個(gè)部分進(jìn)行強(qiáng)度分析，分析的時(shí)候還要計(jì)算有限元，這樣才能夠使設(shè)計(jì)更加的合理。另外還要分析設(shè)計(jì)要求是否符合機(jī)械的使用要求，如果得出的數(shù)據(jù)證明虛擬樣機(jī)的一部分不符合機(jī)械使用要求，那么，就只能重新進(jìn)行修改。同時(shí)，這也是一個(gè)系統(tǒng)而繁雜的過(guò)程。
2.3 對(duì)行星架進(jìn)行分析
行星架是機(jī)械的承載構(gòu)建，如果機(jī)械的行星架設(shè)計(jì)不合理，就會(huì)影響到整個(gè)機(jī)械的使用。同時(shí)，行星架也是非常復(fù)雜的一部分，很容易出現(xiàn)軸的強(qiáng)度過(guò)低，而計(jì)算應(yīng)力又會(huì)顯得比較復(fù)雜。首先要在軟件中創(chuàng)建幾何模型，其次要導(dǎo)入其中，導(dǎo)入之后可以添加材料信息了，然后要根據(jù)裝配體的情況，來(lái)設(shè)置接觸選項(xiàng)，最后再根據(jù)參數(shù)來(lái)設(shè)計(jì)網(wǎng)格，施加載荷，并且求出結(jié)果。
3 虛擬樣機(jī)技術(shù)在機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用
我國(guó)對(duì)機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)經(jīng)歷了很多個(gè)歷程，最先開(kāi)始是二維技術(shù)，利用計(jì)算機(jī)來(lái)生成零件，或者是整機(jī)的二維圖形，然后是三維技術(shù)，最后才是現(xiàn)在的虛擬樣機(jī)技術(shù)。筆者總結(jié)了虛擬樣機(jī)技術(shù)在機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，具體為以下幾點(diǎn)。
3.1 采用ADAMS軟件對(duì)運(yùn)動(dòng)仿真進(jìn)行分析
這種方法比較準(zhǔn)確可靠，而且還可以使數(shù)據(jù)無(wú)縫連接，但是建模功能卻不好。我國(guó)很早就采用ADAMS軟件應(yīng)用到農(nóng)業(yè)機(jī)械當(dāng)中，最普遍的是用收割機(jī)、深耕機(jī)。同時(shí)，在不同機(jī)械系統(tǒng)工作的參數(shù)下，油菜物料在清選袋置中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律也不同。
3.2 ADAMS軟件和造型軟件的聯(lián)合仿真
這種方法是首先在軟件中建模，然后再把建的模導(dǎo)入ADAMS中，這種方法的建模功能非常的好，而且仿真功能也很強(qiáng)大，但是在導(dǎo)入模型的過(guò)程當(dāng)中，很容易丟失一些信息。20世紀(jì)90年代末，運(yùn)用這種技術(shù)設(shè)計(jì)了播種機(jī)，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化和科學(xué)化的播種。此外，這種技術(shù)還被運(yùn)用在馬鈴薯收獲機(jī)當(dāng)中。
3.3 ADAMS和控制系統(tǒng)分析軟件的聯(lián)合仿真
機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)是現(xiàn)代機(jī)械的主要發(fā)展方向，兩者結(jié)合可以降低機(jī)械設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，還能提高機(jī)械運(yùn)動(dòng)的效率。幾年前，我國(guó)通過(guò)將ADAMS與控制系統(tǒng)的聯(lián)合，研制出了彈性軸軸承系統(tǒng)在徑向正弦載荷作用下的動(dòng)力學(xué)特征。在農(nóng)業(yè)機(jī)械方面，還研制出了馬鈴薯聯(lián)合收獲機(jī)輸送臂，對(duì)輸送臂的整個(gè)運(yùn)行進(jìn)行了分析和研究，提高了其使用性能。
4 虛擬樣機(jī)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)
4.1 縮短了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期
虛擬樣機(jī)技術(shù)在傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改善，從不同角度、不同使用需求出發(fā)，縮短了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期。此外，還提高了機(jī)械運(yùn)行的性能。
4.2 降低了產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)成本
因?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)是一項(xiàng)復(fù)雜而系統(tǒng)的工作，需要耗費(fèi)大量的人力、物力、財(cái)力，而虛擬樣機(jī)技術(shù)雖然對(duì)計(jì)算機(jī)軟件、硬件的要求很高，卻降低了機(jī)械設(shè)計(jì)的總體成本。
4.3 提高了零件的設(shè)計(jì)效率
與傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)相比，虛擬樣機(jī)技術(shù)只需要輸入一個(gè)基本模型，便可以導(dǎo)出精確的幾何，對(duì)于形狀大致相似的一系列零件，只需要稍微修改一下，就能夠生成新的零件，這樣就提高了零件的設(shè)計(jì)效率。
5 總結(jié)與體會(huì)
現(xiàn)在，虛擬樣機(jī)在機(jī)械設(shè)計(jì)中的運(yùn)用越來(lái)越廣泛，從過(guò)去的二維、三維發(fā)展到CAD建模，再到如今的虛擬樣機(jī)技術(shù)。不但提高了設(shè)計(jì)效率，還降低了設(shè)計(jì)成本，整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程也大大的被簡(jiǎn)化，使得機(jī)械產(chǎn)品本身的操作也變得簡(jiǎn)單易懂。
參考文獻(xiàn)
[1]徐海枝.我國(guó)虛擬樣機(jī)技術(shù)應(yīng)用研究論文計(jì)量分析[J].價(jià)值工程，2013，32（9）：312-313.
[2]王磊，吳新躍.基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的齒輪嚙合仿真研究[J].機(jī)械工程與自動(dòng)化，2013（1）：29-31.
關(guān)鍵詞：Adams； 機(jī)構(gòu)學(xué)； 機(jī)械原理； 虛擬樣機(jī)
中圖分類號(hào)：G424.2文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B
0引言
虛擬樣機(jī)技術(shù)以其高效率和低成本，在機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用.通過(guò)對(duì)機(jī)械產(chǎn)品的虛擬樣機(jī)建模和仿真分析，可以快速、準(zhǔn)確地獲取機(jī)械產(chǎn)品的性能，從而驗(yàn)證設(shè)計(jì)指標(biāo)并評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)結(jié)果[1].作為目前世界領(lǐng)先的機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析軟件，Adams以其公認(rèn)的優(yōu)越性被越來(lái)越多的工程技術(shù)人員和科研人員所應(yīng)用，在機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)和分析領(lǐng)域發(fā)揮重要作用.
筆者多年來(lái)一直探索如何使學(xué)生在課程學(xué)習(xí)中了解和掌握Adams這一先進(jìn)軟件.在“機(jī)械原理”課程[2]的教學(xué)中，已有一些教師進(jìn)行有益的探索——將Adams用于機(jī)構(gòu)分析[3-6]，獲得良好的效果.在“機(jī)械原理課程設(shè)計(jì)”課程中，有些教師也將Adams應(yīng)用其中——學(xué)生在設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方案時(shí)，應(yīng)用Adams對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證[7-9].這些嘗試為“機(jī)械原理”課程注入新的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法，加深學(xué)生對(duì)機(jī)構(gòu)學(xué)知識(shí)的理解.但總體來(lái)看，這些嘗試還停留在個(gè)別教師的教學(xué)改革試點(diǎn)層次，缺少Adams與課程內(nèi)容融合的整體規(guī)劃和實(shí)施方案.本文從本科生課程和研究生課程2個(gè)方面介紹北航在Adams教學(xué)中的一些嘗試.
1Adams在本科生教學(xué)中的應(yīng)用
機(jī)械原理課程的研究對(duì)象為機(jī)器和機(jī)構(gòu)，如何在課堂上將機(jī)器和機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)起來(lái)，成為提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和扎實(shí)掌握相關(guān)理論的關(guān)鍵.傳統(tǒng)的教學(xué)方法只能依靠教師的講解，將靜止的機(jī)器和機(jī)構(gòu)“動(dòng)”起來(lái)，不直觀；一些設(shè)計(jì)分析結(jié)果也無(wú)法實(shí)際展示和驗(yàn)證，在很大程度上影響學(xué)生對(duì)問(wèn)題的理解和對(duì)知識(shí)的掌握；此外，雖然學(xué)生學(xué)習(xí)很多的經(jīng)典理論，但在工作不會(huì)應(yīng)用，導(dǎo)致理論與應(yīng)用脫節(jié).
為此，自2003年以來(lái)，北航機(jī)械原理教學(xué)團(tuán)隊(duì)以Adams為平臺(tái)，將虛擬樣機(jī)技術(shù)與課程的機(jī)構(gòu)以及機(jī)構(gòu)系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)內(nèi)容有機(jī)結(jié)合，不僅使靜止的機(jī)構(gòu)圖形運(yùn)動(dòng)起來(lái)，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)對(duì)問(wèn)題的深刻理解，而且使學(xué)生初步掌握虛擬樣機(jī)這一先進(jìn)技術(shù)，為持續(xù)、快速地進(jìn)行機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)與分析奠定基礎(chǔ).在課堂教學(xué)過(guò)程中，以教師為主導(dǎo)，通過(guò)虛擬樣機(jī)的建立和仿真，對(duì)涉及的機(jī)構(gòu)學(xué)問(wèn)題給予直觀、生動(dòng)的詮釋.學(xué)生則利用課余時(shí)間，通過(guò)上機(jī)練習(xí)來(lái)熟悉和掌握虛擬樣機(jī)技術(shù).
1.1課堂教學(xué)
3結(jié)束語(yǔ)
探索和總結(jié)本科生的“機(jī)械原理”課程與Adams有機(jī)結(jié)合的內(nèi)容和實(shí)現(xiàn)方法，進(jìn)一步探討在研究生階段開(kāi)設(shè)針對(duì)學(xué)習(xí)Adams的“產(chǎn)品設(shè)計(jì)與虛擬樣機(jī)”課程的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和教學(xué)成果等.在高校開(kāi)展Adams的學(xué)習(xí)和應(yīng)用教學(xué)，雖然取得一定的成果，但總體來(lái)看，仍處于探索階段，希望通過(guò)同行的共同努力，在相關(guān)行業(yè)的支持下，不斷地深入和推廣下去.
參考文獻(xiàn)：
[1]郭衛(wèi)東. 虛擬樣機(jī)技術(shù)與Adams應(yīng)用實(shí)例教程[M]. 北京： 北京航空航天大學(xué)出版社， 2008： 1-317.
[2]郭衛(wèi)東. 機(jī)械原理[M]. 2版. 北京： 科學(xué)出版社， 2013： 1-285.
[3]趙韓， 田杰. 機(jī)械基礎(chǔ)課程的改革與建設(shè)[M]. 安徽： 合肥工業(yè)大學(xué)出版社， 2005： 262-268.
[4]陳文家. Adams在機(jī)械原理課程教學(xué)中的應(yīng)用[C]//中國(guó)機(jī)構(gòu)與機(jī)器科學(xué)應(yīng)用國(guó)際會(huì)議論文集. 上海：機(jī)械設(shè)計(jì)與研究， 2007： 263-268.
[5]王鴻云， 鄭洋洋. Adams在機(jī)械原理課程教學(xué)中的應(yīng)用[J]. 計(jì)算機(jī)光盤(pán)軟件與應(yīng)用， 2012（7）： 230-231.
WANG Hongyun， ZHENG Yangyang. Application of Adams in course of theory of machines and mechanism[J]. Comput CD Software & Applications， 2012（7）： 230-231.
[6]陶峰. Adams虛擬樣機(jī)技術(shù)在機(jī)械原理課程教學(xué)中的應(yīng)用[J]. 化工高等教育， 2005（2）： 103-104.
TAO Feng. Application of virtual prototyping technology Adams in course of theory of machines and mechanism[J]. Higher Education Chem Eng， 2005（2）： 103-104.
[7]黃小龍. 虛擬樣機(jī)技術(shù)在“機(jī)械原理課程設(shè)計(jì)”教學(xué)中的應(yīng)用[J]. 中國(guó)電力教育， 2013（4）： 102-104.
HUANG Xiaolong. Application of virtual prototyping technology in design course of theory of machines and mechanism[J]. China Electr Education， 2013（4）： 102-104.
[8]劉相權(quán)， 米潔. 基于Adams的機(jī)械原理課程設(shè)計(jì)教學(xué)研究[J]. 中國(guó)科技信息， 2012（24）： 188-189.
LIU Xiangquan， MI Jie. Teaching research on curriculum design of mechanical principles based on Adams[J]. China Sci & Technol Inform， 2012（24）： 188-189.
[9]朱玉. Pro/E和Adams在《機(jī)械原理課程設(shè)計(jì)》教學(xué)中的應(yīng)用[J]. 江蘇教育學(xué)院學(xué)報(bào)： 自然科學(xué)版， 2006， 23（4）： 112-114.
ZHU Yu. Application of Pro/E and Adams in mechanical principle course design teaching[J]. J Jiangsu Inst Education： Nat Sci， 2006， 23（4）： 112-114.
關(guān)鍵詞 虛擬樣機(jī) 建模 仿真
中圖分類號(hào)：TP391.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A
On the Virtual Prototype Technology and its Modeling and Simulation
HUANG Di
（Huazhong University of Science and Technology Wenhua College， Wuhan， Hubei 430074）
Abstract Virtual prototyping technology to computer technology as the basis， a comprehensive multi-disciplinary technology to provide technical support for the design and evaluation of the product life cycle. Designers can achieve product design and product characterization in a virtual environment， so that it can respond quickly to market requirements， thus breaking the traditional design approach， shorten design time， saving design capital. This paper describes the machinery involved in modeling and simulation， control， and co-simulation areas， collaborative modeling and simulation methods needed for the final collaborative modeling from single to multiple disciplines and areas of the implementation process.
Key words virtual prototype； modeling； simulation
0 引言
由于現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)電一體化產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)經(jīng)歷了串、并行開(kāi)發(fā)，到基于虛擬樣機(jī)的開(kāi)發(fā)過(guò)程。而開(kāi)發(fā)過(guò)程中解決多領(lǐng)域協(xié)同設(shè)計(jì)的有效途徑就涉及到了虛擬樣機(jī)技術(shù)。它的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)涉及機(jī)械、可視化、協(xié)同仿真、數(shù)據(jù)庫(kù)等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域，它提供一種加快機(jī)電一體化產(chǎn)品設(shè)計(jì)進(jìn)程新的技術(shù)方法和支持環(huán)境。
1 虛擬樣機(jī)技術(shù)的概述
1.1 虛擬樣機(jī)技術(shù)的定義
虛擬樣機(jī)是在CAD/CAM/CAE和物理樣機(jī)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，它包含有所有產(chǎn)品的關(guān)鍵特征。
它是以一定關(guān)系模擬一個(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，在一個(gè)或多個(gè)領(lǐng)域模型上，依賴不同子系統(tǒng)的集成，采用計(jì)算機(jī)輔助的方法，以達(dá)到認(rèn)識(shí)現(xiàn)實(shí)或輔助設(shè)計(jì)的目的。
1.2 虛擬樣機(jī)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)和局限性
在機(jī)電一體化產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中，若采用實(shí)物驗(yàn)證的方法的傳統(tǒng)機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)。首先是對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行局部設(shè)計(jì)，加工出物理樣機(jī)，再進(jìn)行調(diào)試，再對(duì)其各種行為進(jìn)行評(píng)估。若不滿足使用要求則選擇返回修改設(shè)計(jì)，然后再加工出新的樣機(jī)，如此反復(fù)評(píng)估直至滿足所需要求為止。
虛擬樣機(jī)技術(shù)應(yīng)用在機(jī)電產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)過(guò)程與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟相差不大，主要差別是虛擬樣機(jī)技術(shù)集合各個(gè)領(lǐng)域的理論和技術(shù)在計(jì)算機(jī)上直接進(jìn)行建模與仿真，它在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段，能夠?qū)Ξa(chǎn)品使用、制造、維護(hù)等行為進(jìn)行評(píng)估分析，優(yōu)化產(chǎn)品性能指標(biāo)，保證設(shè)計(jì)出來(lái)的產(chǎn)品能夠達(dá)到制造、使用和維護(hù)的要求，并且它的修改直接改變建模的數(shù)據(jù)即可。因此，虛擬樣機(jī)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于：縮短了研發(fā)周期、節(jié)約研發(fā)資本、實(shí)現(xiàn)資源共享。
但是，虛擬樣機(jī)技術(shù)涉及的學(xué)科領(lǐng)域太廣，技術(shù)復(fù)雜，給設(shè)計(jì)者提出了很高的要求，而且，對(duì)于一些復(fù)雜的問(wèn)題的計(jì)算上無(wú)法得到精確的解，只能是盡量的將誤差控制在允許的范圍內(nèi)，所以技術(shù)本身的不成熟和不完善也在一定程度上制約了它的發(fā)展。而且在對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行建模時(shí)，很難建立理想的、完整的模型，因此虛擬樣機(jī)始終無(wú)法取代物理樣機(jī)。①
1.3 虛擬樣機(jī)技術(shù)的支撐環(huán)境及關(guān)鍵技術(shù)
圖1 虛擬樣機(jī)支撐環(huán)境框架
虛擬樣機(jī)的開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)當(dāng)中，在每一個(gè)階段都涉及到多個(gè)領(lǐng)域的相關(guān)技術(shù)，比如在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段就涉及到CAD/CAM/CAE等CAX技術(shù)和DFX技術(shù)，在產(chǎn)品特性分析階段涉及到機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)等相關(guān)技術(shù)，而在分析結(jié)果的時(shí)候又涉及到可視化技術(shù)和動(dòng)畫(huà)技術(shù)。因此，虛擬樣機(jī)技術(shù)需要強(qiáng)大的支撐環(huán)境來(lái)保證這些相關(guān)技術(shù)的操作和相互之間的數(shù)據(jù)交流平臺(tái)，其所需要的支持環(huán)境框圖如圖1②所示
在這些支撐環(huán)境中，存在一些關(guān)鍵技術(shù)，這些關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展情況直接影響著整個(gè)支撐環(huán)境的發(fā)展。比如多領(lǐng)域的協(xié)同仿真――“建模-仿真-評(píng)估/優(yōu)化”一體化平臺(tái)、高層建模技術(shù)、仿真模型庫(kù)構(gòu)建與管理技術(shù)以及分布式協(xié)同仿真技術(shù)等。
1.4 虛擬樣機(jī)技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展現(xiàn)狀
虛擬仿真技術(shù)在美國(guó)、德國(guó)等一些發(fā)達(dá)國(guó)家早已被廣泛地應(yīng)用于汽車(chē)制造、機(jī)械工程、醫(yī)學(xué)等各個(gè)領(lǐng)域，產(chǎn)品的涉及由簡(jiǎn)單的照相機(jī)快門(mén)技術(shù)到龐大的工程機(jī)械技術(shù)，如John Deere 公司通過(guò)虛擬樣機(jī)技術(shù)找到了在重載下工程機(jī)械的自激振動(dòng)問(wèn)題的原因，并提出了改進(jìn)方案，這同樣在虛擬樣機(jī)上得到了驗(yàn)證。
國(guó)外的虛擬樣機(jī)技術(shù)已走向商業(yè)化，美國(guó)機(jī)械動(dòng)力學(xué)公司的機(jī)械系統(tǒng)自動(dòng)動(dòng)力學(xué)分析軟件ADAMS是目前比較有影響力的軟件。其中ADAMS占據(jù)了市場(chǎng)的50 % 以上，其它軟件的還有Folw3D、ANSYS 等等。
國(guó)內(nèi)的企業(yè)虛擬樣機(jī)技術(shù)主要是集成現(xiàn)成的國(guó)外軟件應(yīng)用上，如PRO/E、ADAMS、ANSYS 等，國(guó)內(nèi)企業(yè)對(duì)國(guó)外軟件的依賴性強(qiáng)。有些單位會(huì)為了滿足設(shè)計(jì)分析的需要而采用對(duì)市場(chǎng)上現(xiàn)有軟件進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)。
2 虛擬樣機(jī)的模型建立
2.1 虛擬樣機(jī)的設(shè)計(jì)原理
作為研究動(dòng)態(tài)系統(tǒng)行為的有效方法，虛擬樣機(jī)涉及幾何信息，同時(shí)虛擬樣機(jī)系統(tǒng)具有運(yùn)動(dòng)模擬、操作模擬和動(dòng)力學(xué)模擬等物理邊界條件，提供人機(jī)交互虛擬現(xiàn)實(shí)三維場(chǎng)景的工具。其一般設(shè)計(jì)原理可歸結(jié)為如圖2所示。
圖2 虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)原理圖
2.2 機(jī)電產(chǎn)品的功能模型分析
影響此類機(jī)電產(chǎn)品系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程和設(shè)計(jì)方法是在功能邏輯上的構(gòu)成方式和在物理上的組成方式。在物理組成上，機(jī)電一體化產(chǎn)品包含機(jī)械結(jié)構(gòu)，機(jī)電接口、運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)等多種電子、機(jī)械零部件。③
將機(jī)電一體化產(chǎn)品劃分為控制子系統(tǒng)、廣義執(zhí)行機(jī)構(gòu)子系統(tǒng)、檢測(cè)子系統(tǒng)、傳感及信息處理的是上海交通大學(xué)的鄒慧君教授，④這就是所謂的三子系統(tǒng)論。如圖3所示：
圖3 機(jī)電系統(tǒng)的三子系統(tǒng)的組成及其關(guān)聯(lián)
圖4 廣義執(zhí)行機(jī)構(gòu)建模步驟框圖
2.3 廣義執(zhí)行機(jī)構(gòu)的建模與求解
廣義執(zhí)行機(jī)構(gòu)子系統(tǒng)主要包括驅(qū)動(dòng)元件和執(zhí)行機(jī)構(gòu)兩大部分，它們的建模與求解主要分為幾何建模、物理建模、數(shù)學(xué)建模、數(shù)值求解和結(jié)果分析，其步驟如圖4所示。
幾何建模，主要是建立所設(shè)計(jì)虛擬樣機(jī)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)的幾何模型，它可以用幾何造型軟件Pro/E、UG等導(dǎo)入，也可以由ADAMS幾何造型模塊構(gòu)造，但有些軟件之間的相互導(dǎo)入需要接口模塊，例如Pro/E與ADAMS之間需要MECHANISM/Pro借口模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)縫連接。⑤
物理建模，形成表達(dá)系統(tǒng)力學(xué)特性的物理模型，對(duì)幾何模型施加外力或外力矩、運(yùn)動(dòng)學(xué)約束、力元（內(nèi)力）、驅(qū)動(dòng)約束等物理模型要素。
數(shù)學(xué)建模，由物理模型組裝成系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方程中的拉格朗日坐標(biāo)或笛卡爾坐標(biāo)建模方法創(chuàng)建各系數(shù)矩陣，得到系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型。
2.4 控制子系統(tǒng)的建模與求解
可以利用MATLAB建立控制模型。驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)通常有開(kāi)環(huán)方式和閉環(huán)方式兩種，開(kāi)環(huán)方式是在驅(qū)動(dòng)器與執(zhí)行末端之間建立約束關(guān)聯(lián)，執(zhí)行末端為反向運(yùn)動(dòng)學(xué)驅(qū)動(dòng)；而閉環(huán)方式是以期望參考信號(hào)與傳感器探測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較從而得到控制信號(hào)。連續(xù)――離散混合信號(hào)處理的運(yùn)動(dòng)控制模型就是采用閉環(huán)控制方式。
2.5 協(xié)同建模
控制實(shí)現(xiàn)的多學(xué)科協(xié)同與多體動(dòng)力學(xué)的建?？梢栽贏DAMS/ Controls 模塊中的與控制仿真軟件的接口上。它首先導(dǎo)出ADAMS動(dòng)力學(xué)模型，然后導(dǎo)出動(dòng)力學(xué)模型到控制仿真環(huán)境最后構(gòu)建動(dòng)力學(xué)一控制集成模型。
3 虛擬樣機(jī)的仿真實(shí)現(xiàn)
在建立共享的集成模型基礎(chǔ)上進(jìn)行仿真運(yùn)行，有基于MATLAB 和基于ADAMS 兩種解算方式：⑥
3.1 基于ADAMS的方式
求解線性或非線性的結(jié)果在在ADAMS 環(huán)境中虛擬樣機(jī)控制子模型的共享模型進(jìn)行仿真運(yùn)行。
3.2 基于MATLAB的方式
機(jī)械動(dòng)力學(xué)解算通過(guò)在MATLAB 環(huán)境中植入的ADAMS 模塊控制運(yùn)用解算控制仿真軟件求解器，它們通過(guò)S函數(shù)（S-function）或狀態(tài)空間（state -space）進(jìn)行接口變量的聯(lián)系，在MATLAB/ Simulink 中觀察并輸出仿真曲線，同時(shí)，可以觀察到虛擬樣機(jī)的三維仿真運(yùn)行動(dòng)畫(huà)和生成仿真結(jié)果數(shù)據(jù)文件。
4 小結(jié)
虛擬樣機(jī)技術(shù)為機(jī)電一體化產(chǎn)品的設(shè)計(jì)提供了一個(gè)支持環(huán)境和新的方法，它與傳統(tǒng)的技術(shù)相比，縮短了研發(fā)周期、節(jié)約研發(fā)資本，實(shí)現(xiàn)資源共享、提高產(chǎn)品質(zhì)量，因此它目前廣泛用于汽車(chē)制造、航空航天、機(jī)械工程、醫(yī)學(xué)等各個(gè)領(lǐng)域。
整個(gè)虛擬樣機(jī)技術(shù)的關(guān)鍵是虛擬樣機(jī)的仿真和實(shí)現(xiàn)，從單個(gè)領(lǐng)域的建模仿真到多個(gè)領(lǐng)域的協(xié)同仿真，從幾何建模到物理建模到數(shù)學(xué)建模到數(shù)值求解再到結(jié)果分析，這一系列的過(guò)程涉及到多個(gè)領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)。因此，要做好虛擬樣機(jī)技術(shù)，一方面要依賴于其本身技術(shù)的發(fā)展，另一方面則要求設(shè)計(jì)者本身具備過(guò)硬的專業(yè)技術(shù)知識(shí)以及配置完備的團(tuán)隊(duì)。
參考文獻(xiàn)
① 李丹，李印川.虛擬樣機(jī)技術(shù)在制造業(yè)中的應(yīng)用及研究現(xiàn)狀.機(jī)械，2008（6）總第35卷：2-3.
② 寧芊.機(jī)電一體化產(chǎn)品虛擬樣機(jī)協(xié)同建模與仿真技術(shù)研究.四川大學(xué)博士畢業(yè)論文，2006：21-22.
③ B.Jung，M.Latoschik， I. Wachsmuth： Knowledge- Based Assembly Simulation for Virtual Prototype Modeling. IECON'98- Proceedings of the 24th Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society， Vol. 4， IEEE，1998：2152-2157.
④ 鄒慧君等.機(jī)電一體化產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)的基本原理.機(jī)械設(shè)計(jì)與研究，1999.15（3）：14-17.
論文語(yǔ)種：中文
您的研究方向：管理
是否有數(shù)據(jù)處理要求：否
您的國(guó)家：北京
您的學(xué)校背景：北京理工大學(xué)
要求字?jǐn)?shù)：6000 (開(kāi)題報(bào)告)
論文用途：碩士畢業(yè)論文
是否需要盲審(博士或碩士生有這個(gè)需要)：否
補(bǔ)充要求和說(shuō)明：先要一個(gè)開(kāi)題報(bào)告! 正式畢業(yè)論文的要求 學(xué)校還沒(méi)通知 開(kāi)題報(bào)告要求 見(jiàn) 附件 題目方向是 三維制造工藝 對(duì)機(jī)加企業(yè)(車(chē)間) 的影響 或 數(shù)字化制造 對(duì)機(jī)加企業(yè)(車(chē)間)的影響 (最好是針對(duì)航天制造企業(yè))
北京理工大學(xué)研究生院工程碩士學(xué)位論文開(kāi)題報(bào)告：基于三維模型的工藝對(duì)技術(shù)對(duì)航天制造企業(yè)生產(chǎn)效率的影響
一、學(xué)位論文選題的目的和意義
1.1 選題背景
進(jìn)入21世紀(jì),數(shù)字化設(shè)計(jì)制造技術(shù)在國(guó)際航空制造業(yè)新產(chǎn)品研制中發(fā)展迅猛,傳統(tǒng)的以模擬量傳遞為基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)制造手段，已經(jīng)逐漸被以數(shù)字量傳遞為基礎(chǔ)的數(shù)字化手段所代替,通過(guò)全面采用數(shù)字化產(chǎn)品定義、數(shù)字化預(yù)裝配、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理、并行工程和虛擬制造技術(shù),極大縮短了機(jī)型研制周期、提高了產(chǎn)品質(zhì)量。
二、本選題研究領(lǐng)域歷史、現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢(shì)分析
三、研究方案
四、研究計(jì)劃進(jìn)度表
五、經(jīng)費(fèi)預(yù)算
六、參考文獻(xiàn)
[1] masuzwa t, fujino m, kobaryashik. wire elctro-discharge grinding for micro-machining [j]. annals of the cirp, 1985, 34(1): 431-434.
[2] yan b h., chung tsai h, yuan huang f. the effect in edm of a dielectric of a urea solution in water on modifying the surface of titanium [j]. international journal of machine tools and manufacture, XX, 45(2): 194-200.
[3] assarzadeh s, ghoreishi m. neural-network-based modeling and optimization of the electro-discharge machining process[j]. XX, 39(5): 488-500.
[4] soni j s. micro-analysis of debris formed during rotary edm of titanium alloy(ti 6a1 4v) and die steel(t 215 cr12)[j]. wear, 1994, 177(1): 71-79.
[5] murti v s r, philip p k. an analysis of the debris in ultrasonic-assisted electrical discharge machining[j]. wear, 1987, 117(2): 241-250.
[6] 馮新明,張固.數(shù)字化技術(shù)在新支線項(xiàng)目研制中的應(yīng)用[j].航空制造技術(shù),XX(10):56-59
[7] 中航商用飛機(jī)有限公司.arj21數(shù)字化樣機(jī)實(shí)施規(guī)定[g].新型渦扇支線飛機(jī)項(xiàng)目,XX
[8] 楊璽.基于單一產(chǎn)品數(shù)據(jù)源的飛機(jī)制造信息管理研究[d].北京航空航天大學(xué)博士學(xué)位論文,XX.
[9] 盧鵲.大型飛機(jī)的并行數(shù)字化定義技術(shù)研究[d].北京:北京航空航天大學(xué),XX.
[10]范玉青.飛機(jī)數(shù)字化裝配技術(shù)綜述[d].航空制造技術(shù),XX(10): 44-48.
車(chē)輛模擬器具有工況設(shè)置方便、試驗(yàn)重復(fù)性好、安全性高等優(yōu)點(diǎn),在駕駛培訓(xùn)、車(chē)輛新產(chǎn)品的研究和開(kāi)發(fā)、人—車(chē)—環(huán)境試驗(yàn)中有著重要作用,良好的車(chē)輛運(yùn)動(dòng)模擬技術(shù)是車(chē)輛模擬器質(zhì)量的保障。本文以“車(chē)輛人—機(jī)—環(huán)境模擬器”項(xiàng)目為依托,圍繞車(chē)輛模擬器運(yùn)動(dòng)模擬技術(shù)中三維虛擬道路建模、車(chē)輛動(dòng)力學(xué)建模與仿真、動(dòng)感模擬算法等展開(kāi)研究。提出了隨機(jī)激勵(lì)路面輪廓三維高程數(shù)據(jù)生成方法;對(duì)Vortex車(chē)輛動(dòng)力學(xué)建模特別是車(chē)輛懸架參數(shù)的設(shè)置進(jìn)行闡述,并給出了車(chē)輛動(dòng)力學(xué)仿真的實(shí)例;提出了基于六自由度平臺(tái)桿長(zhǎng)的模糊自適應(yīng)動(dòng)感模擬算法,最后建立了車(chē)輛動(dòng)力學(xué)、動(dòng)感模擬算法與六自由度平臺(tái)虛擬樣機(jī)組成的車(chē)輛模擬器開(kāi)發(fā)綜合仿真平臺(tái)。 論文闡述了項(xiàng)目中車(chē)輛模擬器的組成及工作原理,闡述了模擬器運(yùn)動(dòng)感覺(jué)模擬的機(jī)制,對(duì)模擬器運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)做了詳細(xì)的介紹,為車(chē)輛模擬器運(yùn)動(dòng)模擬技術(shù)奠定基礎(chǔ)。
給出了車(chē)輛模擬器三維虛擬道路建模所需的路面輪廓數(shù)據(jù)和路形數(shù)據(jù)建模和生成方法,為車(chē)輛動(dòng)力學(xué)仿真提供路面激勵(lì)數(shù)據(jù)。利用路面不平度二維功率譜密度的表達(dá)式,通過(guò)二維傅里葉逆變換法得到了路面輪廓不平度三維路面高程數(shù)據(jù)生成方法,生成的高程數(shù)據(jù)的功率譜特性和各向同性特性均優(yōu)于已有方法。推導(dǎo)了路面輪廓中包含的隨機(jī)瞬態(tài)成分的空間位移特征與路面等級(jí)的關(guān)系,提出了三維空間內(nèi)隨機(jī)瞬態(tài)成分生成方法。根據(jù)道路路形特征給出了三維空間曲線道路建模方法,并采用線切割方法將道路與地形進(jìn)行了融合。
闡述了Vortex車(chē)輛動(dòng)力學(xué)建模的方法和流程,針對(duì)Vortex車(chē)輛動(dòng)力學(xué)參數(shù)化建模的特點(diǎn),設(shè)置不同的懸架參數(shù),進(jìn)行車(chē)輛行駛平順性和穩(wěn)定性仿真,然后進(jìn)行結(jié)果分析對(duì)比。對(duì)不同路面類型以及各種車(chē)輛運(yùn)動(dòng)的典型工況進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)仿真,為動(dòng)感模擬算法的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支持。 針對(duì)經(jīng)典動(dòng)感模擬算法參數(shù)不能在線實(shí)時(shí)調(diào)整而導(dǎo)致平臺(tái)空間利用率低的問(wèn)題,在經(jīng)典動(dòng)感模擬算法和基于平臺(tái)單自由度約束的模糊自適應(yīng)動(dòng)感模擬算法的基礎(chǔ)上,提出了基于平臺(tái)桿長(zhǎng)約束的模糊自適應(yīng)動(dòng)感模擬算法。
首先解決了動(dòng)感模擬算法中輸入信號(hào)預(yù)處理、傾斜角速度限制環(huán)節(jié)處理以及自由度解耦等幾個(gè)問(wèn)題,然后提出了模糊自適應(yīng)算法的原理與模糊自適應(yīng)規(guī)則,并對(duì)幾種動(dòng)感模擬算法進(jìn)行了仿真分析對(duì)比,結(jié)果顯示基于平臺(tái)桿長(zhǎng)約束的模糊自適應(yīng)動(dòng)感模擬算法具有參數(shù)調(diào)節(jié)簡(jiǎn)單意義明確、調(diào)節(jié)作用平滑無(wú)沖擊、不需要考慮多自由度之間耦合作用的優(yōu)點(diǎn),能充分利用平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)空間而提高動(dòng)感模擬逼真度。
建立了車(chē)輛動(dòng)力學(xué)、動(dòng)感模擬算法、六自由度平臺(tái)虛擬樣機(jī)的Vortex、Simulink、 ADAMS聯(lián)合仿真系統(tǒng)。首先闡述了聯(lián)合仿真系統(tǒng)的組成、原理及作用,然后建立了六自由度平臺(tái)ADAMS虛擬樣機(jī)模型,并將其與Simulink相聯(lián)接。以動(dòng)感模擬運(yùn)動(dòng)的可視化與數(shù)據(jù)監(jiān)控以及蛇形試驗(yàn)專用動(dòng)感模擬算法為例,對(duì)聯(lián)合仿真系統(tǒng)的應(yīng)用進(jìn)行了舉例說(shuō)明。
關(guān)鍵詞：仿真 機(jī)械 控制
中圖分類號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2013）12-0104-01
隨著技術(shù)的進(jìn)步，作為機(jī)械設(shè)計(jì)制造的仿真模擬技術(shù)得到了快速的發(fā)展，并且廣泛應(yīng)用于實(shí)際當(dāng)中。計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)是以多種學(xué)科理論為指導(dǎo)，利用相應(yīng)的軟件為工具，通過(guò)虛擬試驗(yàn)的方法來(lái)解決問(wèn)題的技術(shù)。隨著工程機(jī)械產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)日益激烈。為了提高產(chǎn)品質(zhì)量、性能，降低開(kāi)發(fā)成本。在這種需求下，以仿真技術(shù)為代表的技術(shù)成為工程領(lǐng)域一種現(xiàn)代化設(shè)計(jì)手段。運(yùn)用仿真設(shè)計(jì)，建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，從實(shí)際對(duì)象的物理模型出發(fā)。設(shè)置不同的激勵(lì)信號(hào)，利用相應(yīng)曲線，即可對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行辨識(shí)?？梢栽诋a(chǎn)品設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)和評(píng)估產(chǎn)品的性能方面，降低開(kāi)發(fā)風(fēng)險(xiǎn)，縮短開(kāi)發(fā)周期，提高產(chǎn)品性能。工程中的技術(shù)問(wèn)題首先是要仿真技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。
1 計(jì)算機(jī)仿真的實(shí)現(xiàn)
對(duì)于需要研究的對(duì)象，計(jì)算機(jī)一般是不能直接認(rèn)知和處理的，這就要求為之建立一個(gè)既能反映所研究對(duì)象的實(shí)質(zhì)，又易于被計(jì)算機(jī)處理的數(shù)學(xué)模型。數(shù)學(xué)模型將研究對(duì)象的實(shí)質(zhì)抽象出來(lái)，計(jì)算機(jī)再來(lái)處理這些經(jīng)過(guò)抽象的數(shù)學(xué)模型，并通過(guò)輸出這些模型的相關(guān)數(shù)據(jù)來(lái)展現(xiàn)研究對(duì)象的特質(zhì)，當(dāng)然，這種展現(xiàn)可以是三維立體的。由于三維顯示更加清晰直觀，已為越來(lái)越多的研究者所采用。通過(guò)對(duì)這些輸出量的分析，就可以更加清楚的認(rèn)識(shí)研究對(duì)象。模型是進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真的核心。系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型根據(jù)時(shí)間關(guān)系可劃分為靜態(tài)模型、連續(xù)時(shí)間動(dòng)態(tài)模型、離散時(shí)間動(dòng)態(tài)模型和混合時(shí)間動(dòng)態(tài)模型；根據(jù)系統(tǒng)的狀態(tài)描述和變化方式可劃分為連續(xù)變量系統(tǒng)模型和離散事件系統(tǒng)模型。通過(guò)這個(gè)關(guān)系還可以看出，數(shù)學(xué)建模的精準(zhǔn)程度是決定計(jì)算機(jī)仿真精度的最關(guān)鍵因素。從模型這個(gè)角度出發(fā)，可以將計(jì)算機(jī)仿真的實(shí)現(xiàn)分為三個(gè)大的步驟：模型的建立、模型的轉(zhuǎn)換和模型的仿真實(shí)驗(yàn)。所謂模型的轉(zhuǎn)換，即是計(jì)算機(jī)語(yǔ)言轉(zhuǎn)換成能夠處理的形式，“仿真模型”是新的系統(tǒng)，利用已有的仿真軟件，如鑄造過(guò)程就常用ADSMS軟件來(lái)進(jìn)行仿真。將仿真模型載入計(jì)算機(jī)進(jìn)行使用。
2 計(jì)算機(jī)仿真在機(jī)械行業(yè)的應(yīng)用
2.1 仿真技術(shù)
仿真技術(shù)是綜合多學(xué)科的技術(shù)，以機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)和控制理論為核心，運(yùn)用成熟的計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)將部件集成在一起，建立機(jī)械系研究的問(wèn)題，根據(jù)仿真所要達(dá)到的目的抽象出一個(gè)確定的系統(tǒng)，結(jié)合系統(tǒng)的邊界條件和約束條件，利用各種相關(guān)學(xué)科的知識(shí)，把所抽象出來(lái)的系統(tǒng)用數(shù)學(xué)的表達(dá)式描述出來(lái)，描述的內(nèi)容，傳統(tǒng)的仿真就是針對(duì)單個(gè)子系統(tǒng)的仿真，而仿真技術(shù)則是強(qiáng)調(diào)整體的優(yōu)化，它通虛擬環(huán)境的耦合，對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案進(jìn)行評(píng)估，并不斷改進(jìn)設(shè)計(jì)方案，直到獲得最優(yōu)化的效果，所以子系統(tǒng)之間的協(xié)同求解，應(yīng)該快速地建立控制系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、氣動(dòng)系統(tǒng)等虛擬樣機(jī)。的運(yùn)用目前市場(chǎng)上一批成熟的分析軟件有ANSYS、PATRAN等。運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真軟件可采用ADAMS軟件。控制系統(tǒng)仿真軟件可采用MATLAB軟件。通過(guò)三維模型和運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)仿真軟件ADAMS中進(jìn)行分析，對(duì)控制方案進(jìn)行仿真。使產(chǎn)品設(shè)計(jì)可擺脫對(duì)物理樣機(jī)的依賴，給企業(yè)帶來(lái)高的經(jīng)濟(jì)效益，高效的研發(fā)手段促使產(chǎn)品開(kāi)發(fā)風(fēng)險(xiǎn)降低，提高生產(chǎn)效率，通過(guò)虛擬樣機(jī)找到組織生產(chǎn)，使產(chǎn)品制造和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)方面更具靈活性，同時(shí)克服企業(yè)資源的局限性，將具有開(kāi)發(fā)產(chǎn)品技術(shù)組成一個(gè)臨時(shí)的企業(yè)聯(lián)盟。仿真技術(shù)必將成為工程機(jī)械領(lǐng)域產(chǎn)品研發(fā)的主流。
2.2 機(jī)械加工仿真
機(jī)械加工過(guò)程，是利用計(jì)算機(jī)仿真，有助于發(fā)現(xiàn)其機(jī)理，為提高機(jī)械性能。在機(jī)械的磨削方面，采用時(shí)間變化的描述磨削過(guò)程的各個(gè)數(shù)學(xué)模型，通過(guò)優(yōu)化和虛擬磨削創(chuàng)造了必要的前提，在銑削方面，建立多齒端銑切削過(guò)程動(dòng)力學(xué)模型，開(kāi)發(fā)切削振動(dòng)仿真的微機(jī)通用軟件，得出了端銑切削振動(dòng)的原理和條件。電火花加工的工藝仿真系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了加工參數(shù)的優(yōu)化。建立了連續(xù)擠壓的計(jì)算機(jī)仿真模型，通過(guò)模擬連續(xù)擠壓全過(guò)程的應(yīng)力場(chǎng)、應(yīng)變場(chǎng)和溫度場(chǎng)。
2.3 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真
了解了機(jī)構(gòu)需要設(shè)定的運(yùn)動(dòng)副情況后，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真。新建一個(gè)運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，創(chuàng)建連桿，根據(jù)各部件相互運(yùn)動(dòng)方式需建立7個(gè)連桿，對(duì)模型的材料特性進(jìn)行加載，定位每個(gè)運(yùn)動(dòng)副的時(shí)間函數(shù)，在一個(gè)周期內(nèi)完成所有的運(yùn)動(dòng)。向機(jī)構(gòu)添加一定的外載荷，使整個(gè)機(jī)構(gòu)工作在真實(shí)的工程狀態(tài)下，機(jī)構(gòu)的兩連桿之間，模擬兩個(gè)零件之間的彈性連接。根據(jù)運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)的形式，取料機(jī)械手采用恒定轉(zhuǎn)速驅(qū)動(dòng)，采用恒轉(zhuǎn)速調(diào)速，要求必須設(shè)定運(yùn)動(dòng)時(shí)間和解算步數(shù)，機(jī)構(gòu)做運(yùn)動(dòng)仿真分析時(shí)，需要詳細(xì)記錄整個(gè)仿真零件的位移距離，適當(dāng)縮短機(jī)械加工產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期，對(duì)于提高產(chǎn)品質(zhì)量和性能具有積極的作用。
參考文獻(xiàn)
[1]曾芬芳.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù).上海：上海交通大學(xué)出版社，1997.
[2]姜虹，朱文海等.結(jié)構(gòu)與控制系統(tǒng)協(xié)同并行設(shè)計(jì)技術(shù)研究.美國(guó)MDI公司2001年ADAMS中國(guó)用戶年會(huì)會(huì)議論文.
[3]馮雅麗，李瑞濤等.虛擬樣機(jī)技術(shù)及其在深海采礦系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用前景.2001年中國(guó)大洋礦產(chǎn)資源研究開(kāi)發(fā)學(xué)術(shù)研討會(huì)論文集.
關(guān)鍵詞 Pro/E 機(jī)械系統(tǒng) 實(shí)驗(yàn)臺(tái) 虛擬設(shè)計(jì)
中圖分類號(hào)：TH132.41 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.16400/ki.kjdkx.2015.04.027
Design of Virtual Prototype of Multi-purpose Mechanical Transmission
Experiment Platform System Based on Pro/E Platform
GUI Wei， YAO Cenglin， LI Chenglong， SHEN Caixia， ZHENG Mengwei， HAN Qiang
（Wuhan Business University， Wuhan， Hubei 430056）
Abstract In this paper， based on the Pro/E software， with the multipurpose Laboratory of mechanical transmission station as a typical example， the application of virtual design technology， virtual assembly of 3D design， completed the experiment table of all parts of the student movement of mechanical transmission mechanism， teacher movement of mechanical transmission mechanism， clock movement of mechanical transmission mechanism， the classroom door moving mechanical transmission mechanism and the projection screen motion of mechanical transmission mechanism five parts and virtual assembly of the whole experiment platform.
Key words Pro/E; mechanical system; experiment platform; virtual design
0 引言
目前，機(jī)械領(lǐng)域的虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)是利用三維設(shè)計(jì)軟件如Pro/E、UG、Solidworks、CATIA等對(duì)機(jī)械裝置的零部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、虛擬裝配、運(yùn)動(dòng)仿真分析。它是基于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)，在虛擬環(huán)境中對(duì)機(jī)械產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)，達(dá)到縮短研發(fā)周期、減少研發(fā)成本的目的。
多用途機(jī)械系統(tǒng)傳動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)融鏈傳動(dòng)、直齒圓柱齒輪傳動(dòng)、直齒圓錐齒輪傳動(dòng)、平面連桿傳動(dòng)，蝸輪蝸桿傳動(dòng)、絲桿螺母?jìng)鲃?dòng)以及齒輪齒條傳動(dòng)等傳動(dòng)機(jī)構(gòu)于一體。該實(shí)驗(yàn)臺(tái)以學(xué)生最為熟悉的課堂作為展示機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的場(chǎng)景，可以起到趣味性教學(xué)的目的，增加學(xué)生學(xué)習(xí)機(jī)械專業(yè)課程的興趣。敞開(kāi)式的場(chǎng)景，在不用拆開(kāi)演示臺(tái)的前提下就可以讓學(xué)生清楚地觀察到內(nèi)部傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)全過(guò)程，操作簡(jiǎn)單、比較實(shí)用。多個(gè)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)集中在一個(gè)場(chǎng)景展示，可以使學(xué)生系統(tǒng)性地認(rèn)識(shí)不同機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)傳遞過(guò)程，有助于學(xué)生對(duì)不同的機(jī)構(gòu)進(jìn)行區(qū)別。
本文基于Pro/E平臺(tái)的虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)，完成多用途機(jī)械系統(tǒng)傳動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)各零件的三維建模設(shè)計(jì)，虛擬樣機(jī)裝配干涉檢查、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真分析，在仿真中對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，盡可能降低設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)，避免實(shí)際制造中出現(xiàn)問(wèn)題，從而使實(shí)驗(yàn)臺(tái)一次性制造成功。
1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)典型零件齒輪的三維建模
通常，在Pro/E中每個(gè)零件的三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程步驟基本相同，如下：（1）依據(jù)各個(gè)零件的三視圖，想象零件的形狀，為選擇合適的建模方法做好鋪墊。（2）根據(jù)零件的結(jié)構(gòu)，選擇建模的方法。（3）根據(jù)零件的結(jié)構(gòu)，進(jìn)行草繪，然后利用拉伸、旋轉(zhuǎn)等特征操作，以完成零件的三維設(shè)計(jì)。（4）在已建零件模型上進(jìn)行輔助特征設(shè)計(jì)，完成零件三維設(shè)計(jì)，然后保存。
多用途機(jī)械系統(tǒng)傳動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)有多個(gè)不同類型的零件，三維設(shè)計(jì)的過(guò)程步驟基本相同，本論文只簡(jiǎn)單闡述典型零件齒輪的三維設(shè)計(jì)過(guò)程步驟。
直齒圓柱齒輪由輪齒、鍵槽、軸孔等基本結(jié)構(gòu)特征組成，創(chuàng)建標(biāo)準(zhǔn)直圓柱齒輪的三維參數(shù)化模型。主要操作步驟如下：
（1）創(chuàng)建齒輪設(shè)計(jì)參數(shù)：
在Pro/E軟件的產(chǎn)品參數(shù)化設(shè)置界面中，輸入齒輪的設(shè)計(jì)參數(shù)及相應(yīng)的初始值，模數(shù)m=2，壓力角alpha=20度，齒根圓直徑df，齒頂圓直徑da，基圓直徑db，分度圓直徑d，齒寬b=30，齒數(shù)z=56，如圖1，添加完畢后，單擊【確定】按鈕。
（2）使用Pro/E的草繪功能先繪制基準(zhǔn)曲線，后繪制四個(gè)尺寸任意的同心圓。
（3）調(diào)出Pro/E中各參數(shù)之間關(guān)系設(shè)置的對(duì)話框，在其中輸入標(biāo)準(zhǔn)直齒圓柱齒輪的關(guān)系式，如圖2，添加完畢后，單擊【確定】按鈕。
圖1 齒輪參數(shù)對(duì)話框
圖2 齒輪關(guān)系對(duì)話框
（4） 系統(tǒng)進(jìn)入三維實(shí)體模式，單擊【編輯】頡駒偕模型】工具，自動(dòng)生成滿足一定關(guān)系式的齒輪參照?qǐng)A。
（5）單擊特征工具欄中的【基準(zhǔn)曲線】工具，彈出的【曲線選項(xiàng)】菜單，單擊【從方程】―【完成】命令，在工作區(qū)選取系統(tǒng)默認(rèn)的坐標(biāo)系，單擊對(duì)話框中的【確定】按鈕，在彈出的【設(shè)置坐標(biāo)系類型】菜單中，選擇【笛卡爾】坐標(biāo)系，輸入形成齒輪漸開(kāi)線的參數(shù)化方程，輸入完畢單擊【記事本】主菜單中的【文件】―【保存】命令，最后單擊【確定】按鈕。即可生成漸開(kāi)線。
（6）創(chuàng)建鏡像漸開(kāi)線特征。選取已繪制的齒輪漸開(kāi)線的特征，選擇軟件中【特征】-【鏡像】命令，選擇基準(zhǔn)平面DTM2作為鏡像平面，單擊【確定】按鈕。
（7）先進(jìn)入草繪平面，選擇齒頂輪廓線，拉伸創(chuàng)建成齒輪基本實(shí)體。
（8）創(chuàng)建第一個(gè)齒槽特征。先進(jìn)入草繪平面，再根據(jù)漸開(kāi)線以及齒輪參照?qǐng)A草繪出齒廓外形，然后對(duì)其進(jìn)行拉伸切除，完成齒槽的創(chuàng)建。
（9）創(chuàng)建齒槽陣列特征。創(chuàng)建齒輪槽，選擇軟件征工具欄中的【陣列】命令，選擇軸陣列選項(xiàng)，輸入陣列個(gè)數(shù)56個(gè)，角度為360埃繕杓埔蟮某萋幀？
（10）拉伸切除創(chuàng)建成齒輪軸孔。
（11）拉伸軟件的切除功能畫(huà)出成齒輪鍵槽，完成齒輪的參數(shù)化設(shè)計(jì)如圖3所示。
圖3 齒輪參數(shù)化設(shè)計(jì)
2 實(shí)驗(yàn)臺(tái)樣機(jī)的虛擬裝配
一般說(shuō)，機(jī)械裝置的虛擬裝配是利用三維設(shè)計(jì)軟件在計(jì)算機(jī)中，對(duì)機(jī)械產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)與裝配。多用途機(jī)械系統(tǒng)傳動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)主要包括學(xué)生運(yùn)動(dòng)機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、教師運(yùn)動(dòng)機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、時(shí)鐘運(yùn)動(dòng)機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、教室門(mén)運(yùn)動(dòng)機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)以及投影幕布運(yùn)動(dòng)機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)五個(gè)部分。虛擬樣機(jī)在裝配時(shí)，首先把這5個(gè)運(yùn)動(dòng)機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)作為一個(gè)組件進(jìn)行虛擬裝配，然后把這5個(gè)運(yùn)動(dòng)機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)裝配成整個(gè)實(shí)驗(yàn)臺(tái)。
2.1 學(xué)生運(yùn)動(dòng)機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)虛擬裝配
學(xué)生運(yùn)動(dòng)機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，主要由電動(dòng)機(jī)、曲柄搖桿機(jī)構(gòu)、連桿限位變形機(jī)構(gòu)，以及固定構(gòu)件課桌、課椅以及電機(jī)支架組成。虛擬裝配如圖4所示。小腿在固定在機(jī)架上，小手臂與機(jī)架在形成固定鉸鏈，小手臂、大手臂、身軀、大腿、小腿之間通過(guò)活動(dòng)鉸鏈鏈接。電機(jī)通過(guò)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，帶動(dòng)五連桿限位變形機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，完成學(xué)生起立和坐下的動(dòng)作。
圖4 學(xué)生運(yùn)動(dòng)機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)虛擬裝配圖
2.2 教師運(yùn)動(dòng)機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)虛擬裝配
教師運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)主要由：電動(dòng)機(jī);由16齒的大鏈輪、8齒的小鏈輪和鏈條組成的鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu);齒輪齒條傳動(dòng)機(jī)構(gòu);螺距6mm，單頭絲桿螺母?jìng)鲃?dòng)機(jī)構(gòu);限位開(kāi)關(guān)、限位板以及講臺(tái)等固定構(gòu)件組成，虛擬裝配如圖5所示。電機(jī)啟動(dòng)，通過(guò)鏈傳動(dòng)傳遞給絲桿，絲桿的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變成螺母的直線運(yùn)動(dòng)，通過(guò)螺母上的銷軸帶動(dòng)放置在螺母上的尺寸做直線移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)教師木偶人的移動(dòng)，通過(guò)齒輪齒條機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)教師旋轉(zhuǎn)90度面向?qū)W生的動(dòng)作。
圖5 教師運(yùn)動(dòng)機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)虛擬裝配圖
2.3 時(shí)鐘運(yùn)動(dòng)機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)虛擬裝配
時(shí)鐘運(yùn)動(dòng)機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)主要由：電動(dòng)機(jī);齒數(shù)為35的蝸輪蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu);每級(jí)大齒輪齒數(shù)45，小齒輪齒數(shù)13，模數(shù)1.5的二級(jí)直齒圓柱齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)以及電動(dòng)機(jī)架、鐘罩和紅外位置探測(cè)器等固定構(gòu)件組成，虛擬裝配如圖6所示。電機(jī)啟動(dòng)，通過(guò)蝸輪蝸桿把運(yùn)動(dòng)傳遞給二級(jí)直齒圓柱齒輪，與蝸輪連接的第一級(jí)圓柱齒輪的小齒輪帶動(dòng)分針轉(zhuǎn)動(dòng)，第二級(jí)圓柱齒輪齒輪的大齒輪帶動(dòng)時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。
2.4 教室門(mén)運(yùn)動(dòng)機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)虛擬裝配
教室門(mén)運(yùn)動(dòng)機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)主要由：電動(dòng)機(jī);雙曲柄滑塊機(jī)構(gòu)以及導(dǎo)桿、限位開(kāi)關(guān)、電機(jī)機(jī)架等固定構(gòu)件組成，虛擬裝配如圖7所示。電機(jī)啟動(dòng)，帶動(dòng)雙曲柄滑塊機(jī)構(gòu)中雙曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)，曲柄通過(guò)連桿，帶動(dòng)教室門(mén)在導(dǎo)軌上進(jìn)行來(lái)回往復(fù)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)教室門(mén)的開(kāi)關(guān)。
圖6 時(shí)鐘運(yùn)動(dòng)機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)虛擬裝配圖
圖7 教室門(mén)運(yùn)動(dòng)機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)虛擬裝配圖
2.5 投影幕布運(yùn)動(dòng)機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)虛擬裝配
投影幕布運(yùn)動(dòng)機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)主要由：電動(dòng)機(jī)，錐齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)組成，虛擬裝配如圖8所示。電機(jī)啟動(dòng)，帶動(dòng)大圓錐齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)小圓錐齒輪帶動(dòng)幕布上下運(yùn)動(dòng)。
圖8 投影幕布運(yùn)動(dòng)機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)虛擬裝配圖
2.6 多用途機(jī)械系統(tǒng)傳動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)虛擬裝配
多用途機(jī)械系統(tǒng)傳動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)虛擬樣機(jī)的主體裝配主要是學(xué)生運(yùn)動(dòng)機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、教師運(yùn)動(dòng)機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、時(shí)鐘運(yùn)動(dòng)機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、教室門(mén)運(yùn)動(dòng)機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)以及投影幕布運(yùn)動(dòng)機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)五個(gè)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)之間的裝配。虛擬樣在裝配時(shí)，為方便整個(gè)樣機(jī)的的虛擬裝配，可以把裝置的幾個(gè)相關(guān)零件組裝成組件，然后再把相關(guān)組件裝配在一起構(gòu)建試實(shí)驗(yàn)臺(tái)的整體結(jié)構(gòu)，如圖9所示。
圖9 多用途機(jī)械系統(tǒng)傳動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)虛擬裝配圖
3 結(jié)束語(yǔ)
多用途機(jī)械系統(tǒng)傳動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)的虛擬設(shè)計(jì)，減少設(shè)計(jì)物理樣機(jī)所需的人力及時(shí)間，可以達(dá)到降低產(chǎn)品成本，縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期的目的。
基金項(xiàng)目：湖北省高等學(xué)校2014年省級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目《多用途機(jī)械系統(tǒng)傳動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)研究》（項(xiàng)目編號(hào)：201411654009）、武漢商學(xué)院2014年大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目《多用途機(jī)械系統(tǒng)傳動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)研究》（項(xiàng)目序號(hào)：7）、武漢商學(xué)院2014年度教學(xué)研究項(xiàng)目《基于學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的課程教學(xué)研究―以機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程為例》（項(xiàng)目編號(hào)：2014Y013）的階段性研究成果
參考文獻(xiàn)
[1] 陳定方.羅亞波.虛擬設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004：108-111.
[關(guān)鍵詞]排氣歧管 CAE 有限元分析 優(yōu)化
[中圖分類號(hào)]TK403 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A [文章編號(hào)]1009-5349（2014）11-0079-02
排氣歧管是車(chē)輛內(nèi)燃機(jī)排氣系統(tǒng)中的重要組成部分，對(duì)內(nèi)燃機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放均有影響。因此，在車(chē)輛維修時(shí)，它是很難檢測(cè)到由于高的內(nèi)燃機(jī)的排氣背壓內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)功率發(fā)揮不足或內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)不能正常工作。本論文針對(duì)內(nèi)燃機(jī)排氣管路中造成排氣阻力的成因進(jìn)行分析，為生產(chǎn)、安裝提供結(jié)構(gòu)優(yōu)化，通過(guò)一些數(shù)據(jù)分析的排氣管線的安裝尺寸、方法和結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，減少排氣管線出現(xiàn)的反壓現(xiàn)象引起的排氣氣體湍流，有效降低高內(nèi)燃機(jī)排氣背壓的情況下，保證內(nèi)燃機(jī)穩(wěn)定工作。
一、研究對(duì)象
本文選用FB4105防爆柴油機(jī)的研究對(duì)象為排氣歧管。FB4105防爆柴油機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)有：轉(zhuǎn)速2300r/min、凈重350kg、防爆凈功率40KW、總排量2.5L。
邊界條件的排氣系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型包括：
（1）入口邊界條件是：根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)排量和速度給定的入口速度V=12.06m/s，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣排放溫度給定入口溫度600℃，根據(jù)給定的速度和湍流強(qiáng)度0.3MPa入口處入口結(jié)構(gòu)的價(jià)值。
（2）出口邊界條件：針對(duì)出口壓力的條件下，假設(shè)出口壓力是大氣壓力。
（3）壁面邊界條件：壁面邊界條件為無(wú)滑移速度邊界條件。
二、虛擬樣機(jī)模型
根據(jù)測(cè)繪數(shù)據(jù)，應(yīng)用UG軟件建立排氣歧管的三維模型（圖1：排氣歧管三維模型），從三維模型圖中抽取出氣道三維圖（圖2：排氣歧管氣道三維模型）。
圖1 FB4105排氣歧管三維模型
圖2 排氣歧管氣道三維模型
三、CAE有限元分析
CAE模塊是3d應(yīng)用UG軟件中的一個(gè)有限元分析模塊，從訂單的產(chǎn)品、設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)，綜合傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)和穩(wěn)流試驗(yàn)臺(tái)的試驗(yàn)和錯(cuò)誤的方法，改進(jìn)的虛擬開(kāi)發(fā)。在虛擬環(huán)境下設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了虛擬樣機(jī)開(kāi)發(fā)的數(shù)字仿真方法的產(chǎn)品性能評(píng)價(jià)過(guò)程、優(yōu)化和修正，從根本上改變了傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想，減少不必要的原型機(jī)生產(chǎn)，降低產(chǎn)品設(shè)計(jì)成本，縮短產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期。
UG高級(jí)仿真模塊提供對(duì)許多行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)解算器的無(wú)縫、透明支持，這樣的解算器有NX Nastran、ANSYS等。如高級(jí)仿真模塊使用該解算器來(lái)處理所有網(wǎng)格劃分、邊界條件和解法，還可以求解模型并直接在結(jié)算過(guò)程中查看結(jié)果。高級(jí)仿真模塊除提供基本設(shè)計(jì)仿真中的功能外，還具有高級(jí)分析解算流程的其他功能：
（1）高級(jí)仿真有獨(dú)特的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。
（2）高級(jí)仿真有很強(qiáng)的網(wǎng)格劃分功能。
（3）高級(jí)仿真有靈活的幾何體設(shè)計(jì)方法。
（4）高級(jí)仿真中有NX傳熱解算器和NX流體解算器。
按照要求用UG軟件打開(kāi)排氣歧管氣道三維模型，點(diǎn)擊高級(jí)仿真模塊，新建FEM（Finite Element Modeling）模型，求解器為NX Thermal/Flow，分析類型為Coupled Thermal-Flow（耦合熱流），材料賦予Air（空氣），采用四面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分，單元格選為5，共劃分有41197個(gè)網(wǎng)格單元。圖3為創(chuàng)建的排氣歧管氣道三維模型網(wǎng)格圖。
圖3 排氣歧管氣道三維模型網(wǎng)格圖
四、CAE有限元計(jì)算結(jié)果及分析
按照內(nèi)燃機(jī)的點(diǎn)火順序（1缸―3缸―4缸―2缸），分別加載邊界條件，對(duì)1缸、2缸、3缸和4缸的氣道進(jìn)行流體模擬分析，從結(jié)果可見(jiàn)，流道發(fā)生拐彎及彎曲的形狀都會(huì)影響氣流，從優(yōu)化前的圖5、圖6、圖7及圖8上可以看出，每個(gè)排氣工作時(shí)，對(duì)當(dāng)前管到出口的拐彎處，有一塊區(qū)域的氣流產(chǎn)生的紊流現(xiàn)象很明顯，壁面受氣流的沖擊也比較大;當(dāng)前工作缸的氣流對(duì)后面的氣道沒(méi)有產(chǎn)生影響，但是對(duì)前面的氣道均產(chǎn)生了影響。
五、小結(jié)
從FB4105排氣歧管的數(shù)值模擬和分析可以基本上滿足光滑排氣的要求，強(qiáng)烈的渦流區(qū)沒(méi)有出現(xiàn)在管內(nèi)，只有極少部分渦流現(xiàn)象在管道的彎曲處出現(xiàn)。為了提高通道的氣流速度的均勻性，對(duì)原結(jié)構(gòu)進(jìn)行改善，將在管道彎曲處設(shè)計(jì)添加圓角。仿真結(jié)果表明，原來(lái)存在的湍流現(xiàn)象顯著降低了，并且對(duì)排氣氣缸后面的氣道也沒(méi)有影響，氣道形狀設(shè)計(jì)更加科學(xué)合理。
【參考文獻(xiàn)】
