adams仿真应用实验
一、实验目的
在传统的机电一体化研究设计过程中，机械工程师和控制工程师虽然在共同设计开发一个系统，但是他们各自都需要建立自己的模型，然后分别采用不同的分析软件，对机械系统和控制系统进行独立的设计、调试和试验，最后进行机械系统和控制系统各自的物理样机联合调试，如果发现问题又要回到各自的模型中分别修改，然后再联合调试，显然这种方式费时费力。
基于多领域的建模与联合仿真技术很好的解决了这个问题，为机械和控制系统进行联合分析提供了一种全新的设计方法。机械工程师和控制工程师就可以享有同一个样机模型，进行设计、调试和试验，可以利用虚拟样机对机械系统和控制系统进行反复联合调试，直到获得满意的设计效果，然后进行物理样机的建造和调试。
ADAMS与MATLAB是机械系统仿真和控制系统仿真领域应用较为广泛的软件，其中ADAMS为用户提供了强大的建模、仿真环境，使用户能够对各种机械系统进行建模、仿真和分析，具有十分强大的运动学和动力学分析功能；而MATLAB具有强大的计算功能、极高的编程效率及模块化的建模方式，因此，把ADAMS与MATLAB联合起来仿真，可以充分将两者的优势相结合，将机械系统仿真分析同控制系统设计有机结合起来，实现机电一体化的联合分析。
本实验以倒立摆为例，进行ADAMS与MATLAB的联合仿真，对倒立摆的运动性能和运动规律进行分析。
二、实验方法
软件环境：MD ADAMS R3，MATLAB R2009b 2.1 建立倒立摆的动力学模型
启动ADAMS/View模块弹出如图1所示对话框，建立小车及摆杆模型。首先选择“Create a new model”选项，创建一个新的模型，将该文件保存在相应的文件夹下，本实验将结果保存在E:daolibai_adams文件夹下，将文件名取为“daolibai_adams”，其余选项保持默认。注意，在ADAMS中路径名和文件名最好采用英文字符，否则有可能在运行的过程中出现意想不到的错误。
图1 启动ADAMS/View模块
进入ADAMS/View界面后，需要对相关参数进行设置。选择菜单栏中的“Settings→Working Grid”选项，弹出如图2所示的对话框，设置网格的大小。将“Spacing”设置为X:10mm，Y:10mm，其余参数保持默认。在“Settings”选项中还可以设置图标的大小，单位等等参数，在本实验中这些参数都保持默认即可。
图2 设置网格的大小
与此同时，单击菜单栏“View”选项下的“Coordinate Window”（或者按下键盘上的F4按钮）,如图3所示。可随时在窗口中观察鼠标的当前空间坐标位置，方便我们进行建模。
图3 打开鼠标当前空间位置观察窗口
右键点击ADAMS建模工具箱中的图标，选择工具Box,在视图中（0,0,0）处建一个长、宽、高分别为30cm，20cm，20cm的长方体代替小车模型，如图4所示。
图4 长方体尺寸设置
图5 在视图中建立的长方体前视图
长方体建立完毕后，需要进一步在视图中调整其位置。在当前视角下，点击工具箱中的图标，进入如图6所示的界面。在Distance选项中输入15cm，选择长方体，然后点击向左的箭头，小车模型即向左平移15cm。单击工具箱中的按钮，即可返回工具箱主界面。点击图标，切换到右视角视图，再次运用按钮，在Distance选项中输入10cm，选择长方体，然后点击向右的箭头，将小车模型向右平移10cm，如图7所示。
图6 将小车模型向左平移15cm
图7 将小车模型向右平移10cm
小车模型位置修改完毕后，右键点击小车模型，选择Rename，将模型的名称修改为xiaoche，如图8所示。与此同时，在右键菜单中选择Modify，将小车的质量修改为0.5KG，其修改方法如图9所示。
图8 修改模型名称
图9 修改小车模型的质量
至此，小车模型及参数设置完毕，接下来建立摆杆的模型。在建模工具箱中选择（Cylinder）工具建立摆杆模型，其参数设置如图10所示。
图10 摆杆参数的设置
摆杆参数设置完毕后，沿小车垂直向上的方向建立该圆柱体，建好后单击右键修改其特性参数，将部件名称修改为baigan，将摆杆质量修改为0.2kg，转动惯量修改为0.006kg·㎡。建好后，运用工具箱中的顺时针旋转5°，建完后的模型如图11所示。
工具，将摆杆绕端点
图11 倒立摆模型前视图与三维视图
倒立摆的三维模型建立好后，我们需要为模型添加相应的运动副和运动。小车与地面用平移副约束，右键单击图标，在弹出菜单中选择工具，添加方式选择2 Bod-1 Loc方式，分别选择小车和大地，在小车质心处添加水平方向的平移约束副，如图12。
图12 在小车与大地之间添加移动副
摆杆与小车之间存在旋转运动，故需要在小车与摆杆之间添加一个转动副。单击工具中的图标，添加方式选择2 Bod-1 Loc方式，分别选择摆杆和小车，在摆杆与小车的铰接处建立旋转副，如图13所示。
图13 在摆杆与小车之间建立旋转副JOINT_2
倒立摆模型的约束添加完毕之后，我们可以对模型进行运动测试。点击工具，进入运动仿真测试对话框，设置仿真时间为1秒，步长为1000，如图14所示。
图14 运动仿真参数设置
点击按钮开始运动仿真测试，可以看到小车沿着水平方向作直线运动，摆杆绕着铰接点作旋转运动。
2.2 定义倒立摆机械系统的输入输出变量
1）定义输入变量
本实验中需要在ADAMS中定义一个状态变量接收控制小车运动的水平力。选择Build菜单下的System Elements创建一个名为controlforce的状态变量，如图15所示。
图15 创建输入状态变量
由图15可以看出F（time，„）后面输入栏中的数值为0，表示该控制力的数值将从控制软件的输出获得。
给小车定义一个水平力，单击ADAMS工具箱中的工具，选择Body Moving的建模方式，一次选择小车质心作为力的作用点，选择水平向右作为其加载方向（如图16），这样该水平力将一直随着小车的移动而移动。
图16 为小车添加水平方向作用力
上述过程完成以后，右键单击该水平力，选择Modify，将其函数值定义为VARVAL(.daolibai_adams.controlforce),以实时从状态变量controlforce中接收力的数值，如图17。
图17 函数值的定义
2）定义输出变量
定义输出变量的方法与定义输入变量的方法相同，定义ADAMS状态变量以输出动力学模型的运动状态至控制软件，本实验就是要输出摆杆的摆角。选择Build菜单下的System Elements创建一个名为rotateangle的状态变量，选择摆杆的上端点和小车的铰接点出的MARKER点为摆杆绕Z轴旋转运动的参考点，如图18所示。
图18 定义输出变量
其中，在F（time，„）后面的文本输入栏输入摆杆摆角表达式AZ(MARKER_11，MARKER_12),AZ函数用来测量绕Z轴旋转的角度，本实验中即表示摆杆绕着Z轴旋转的角度。利用ADAMS工具箱中的工具，在摆杆的上端点创建一个测点MARKER_11，在小车上创建测点MARKER_12，此点为小车与摆杆的铰接点。设置完毕后单击OK按钮保存设置。3）将状态变量指定为输入/输出变量
上述状态变量定义完成之后，还需要将定义好的状态变量指定为输入或输出变量。
指定状态变量controlforce为输入变量。单击主菜单Build→Data Elements→Plant→Plant Input→New后，弹出输入变量定义对话框，如图19所示。将Variable Name栏中输入controlforce，然后单击OK按钮即完成设置。
图19 输入变量定义对话框
指定状态变量rotateangle为输入变量。单击主菜单Build→Data Elements→Plant→Plant Output→New后，弹出输入变量定义对话框，如图20所示。将Variable Name栏中输入rotateangle，然后单击OK按钮即完成设置。
图20 输出变量定义对话框 4）导出ADAMS模型
通过以上工作，已经在ADAMS机械系统模型中定义了同控制系统交互的相关状态变量和函数，接下来需要利用ADAMS/Controls模块将这些状态变量定义为输入输出信号，并将相关信息导出，以便和其他控制程序连接。
单击Controls菜单下的Plant Export子菜单，弹出如图21所示的设置窗口。将输出文件名修改为test123；在输入信号定义栏中，单击From Input按钮后，弹出数据库浏览窗口，选择定义的PINPUT_1为输入项，双击后，定义的状态变量controlforce将自动出现在输入信号一栏中，同理，输出信号的设置方法同上。目标控制软件下拉菜单可以根据需要选取，本实验目标软件选为MATLAB，其他选项保持默认。单击OK按钮，ADAMS将导出*.m文件，同时产生调用ADAMS/Solver的cmd文件和*.adm的ADAMS模型文件。
图21 ADAMS变量导出设置 上述过程完成后，MATLAB已经可以读取ADAMS模型的相关信息了。
2.3 在MATLAB/Simulink中导入ADAMS模型
1）变量的导入
启动MATLAB后，在命令窗口中输入导出的ADAMS模型名称test123，在MATLAB窗口将出现如下信息：
>> clear all >> test123 ans = 26-Jun-2013 08:53:34 %%% INFO : ADAMS plant actuators names : 1 controlforce %%% INFO : ADAMS plant sensors names : 1 rotateangle 在MATLAB命令提示符下输入who命令，显示文件中定义的变量列表，在MATLAB命令窗口中返回如下结果：
Your variables are: ADAMS_cwd ADAMS_mode ADAMS_solver_type arch ADAMS_exec ADAMS_outputs ADAMS_static flag ADAMS_host ADAMS_pinput ADAMS_sysdir machine ADAMS_init ADAMS_poutput ADAMS_uy_ids temp_str ADAMS_inputs ADAMS_prefix ans topdir 可以选择以上显示的任何一个变量名，检验变量，例如，如果输入ADAMS_outputs，则MATLAB将显示在ADAMS中定义的输出变量：
ADAMS_outputs = Rotateangle 注意：ADAMS导出的文件必须置于MATLAB工作目录下，即ADAMS与MATLAB共用同一个工作目录，否则上述过程不能进行。与此同时，还要把ADAMS/win32文件夹下的“adams_plant.mexw32”及ADAMS/Controls/win32/文件夹下的“plant.lib”放在ADMAS与MATLAB的共用工作目录下。这两个文件是adams_sub模块的核心。ADAMS提供一个S函数，用于ADAMS和simulink联合仿真的调度和通信，如果simulink找不到它，联合仿真就不能进行。2）ADAMS模块的导入
在MATLAB命令窗口中输入“adams_sys”命令，即可导入ADAMS模块，如图22所示。
图22 adams_sys模块
3）仿真参数的设置
点击图22中的adams_sys模块，即可进入adams_sub模块，如图23所示。
图23 adams_sub模块 点击图23中的MSC.Software模块，弹出如图24所示的对话框，在对话框中设置如下参数：
图24 仿真参数的设置
将联合仿真的通信间隔Communication Interval选项设置为0.001，该选项定义了ADAMS与MATLAB/Simulink交换数据的通信间隔，调整该参数将控制联合仿真的速度，并影响计算的速度。
将simulation mode选项设置为continuous，即连续仿真模式。其余参数保持默认，单击OK按钮，保存参数设置。3）联合仿真分析
在MATLAB/Simulink中建立如下控制框图（图25），设置仿真时间为5s。
图25 联合仿真控制框图
点击start命令，开始进行联合仿真，几秒钟后，将弹出一个DOS窗口，显示ADAMS在联合仿真分析中的各种数据。联合仿真结束后，仿真结果既可以在MATLAB/Simulink中查看，也可以在ADAMS后处理器中查看。图26和图27分别为Simulink模型中示波器输出的摆杆摆角随时间变换曲线和输入力矩随时间变化曲线。
图26 摆杆摆角随时间变化曲线 图27 输入力矩随时间变化曲线
一、实验结果
轴承故障诊断一直是轴承领域研究的热点, 也出现了很多不同的有效的故障诊断方法。从飞云等[1]提出了基于自回归预测滤波的谱峭度分析方法;蒋玲莉等[2]提出了将经验模态分解和模糊聚类相结合的方法;易挺等[3]介绍了倒频谱的方法。上述文献主要针对轴承外圈故障、内圈故障和滚动体故障进行诊断, 而对轴承磨损失效的研究较少涉及。张宪文[4]通过实验的方法, 测出了不同磨损程度径向间隙下轴承的油膜压力分布情况;徐淑萍[5]在对滚子轴承载荷分布进行推导后得出了不同间隙下轴承的使用寿命;Kabus等[6]针对一种高精度准静态六自由度摩擦理论模型模拟了圆柱滚子轴承的接触碰撞, 发现轴承的磨损间隙越大, 系统的非线性度越大。
上述对轴承故障诊断的研究大多单独针对轴承, 没有将轴-轴承-基座作为整体, 对传动系统的研究较少;磨损轴承的间隙均在相关标准允许的范围内, 对远超出标准的间隙系列未有研究, 也没有得出一个可以很好地表征轴承磨损失效的特征值。本文以轴-轴承-基座台架这一整体为研究对象, 对轴承不同程度的磨损失效形式进行了建模, 揭示了轴承的失效过程, 得出了有效表征滚动轴承磨损失效的特征值, 并进行了实验验证。
1 系统建模
图1所示为本文研究的轴-轴承-基座台架的ADAMS动力学仿真模型。设定台架和大地固定连接, 基座和台架固定连接, 轴承外圈、内圈分别与基座、轴固定连接, 滚动体与轴承内外圈及保持架碰撞接触。为了更加贴近实际情况, 对基座进行了柔性化处理。轴承型号为NJ204, 外径为47mm, 内径为20 mm, 滚动体直径为6.5 mm, 滚动体个数为11;正常轴承间隙为10μm, 有一定磨损量的轴承间隙系列为80、150、200、250、300μm。仿真模拟时间为0.25 s, 2500步。
1.1 滚动轴承载荷变形协调方程
由于轴承外圈受基座约束、内圈受轴颈约束, 为了简化计算, 假设变形仅是由于滚动体与内外圈滚道间的接触变形而产生的, 而内外圈整体保持原有的尺寸和形状, 那么考虑轴承间隙h时, 不同位置角下的滚动体与内外圈的接触变形为
式中, δmax为径向最大变形量;ψ为滚子位置与垂直径向力之间的夹角;δiψ、δoψ分别为滚子和内外圈的接触变形量。
滚子的修缘处理避免了接触区域的应力集中, 所以滚子和内外圈的接触就不能简单地认为是经典的赫兹线接触形式, 对此将滚子沿轴向使用切片法分成n个圆片[7,8], 这样接触变形量δ与载荷Q的关系为
式中, E1、E2为滚子和内外圈的等效弹性模量;Q为法向接触载荷;l为接触长度;υ1、υ2分别为滚子和内外圈的泊松比, 取值为0.3。
对位置角ψ处的滚子进行受力分析, 考虑离心力, 可得受力平衡方程如下:
式中, mj为第j个滚子的质量;xk为第k个原片中心和滚子质心的距离;ωd为滚动体的自转速度;Dm为滚动体直径;n为对滚动体进行切片的数目。
通过Newton-Raphson方法可以求出不同位置角ψ的接触载荷Qiψ、Qoψ及接触变形量δiψ、δoψ。从而可以计算得到滚子与内外圈之间的接触刚度为
1.2 碰撞模型主要参数及求解方法
在ADAMS中, 碰撞力定义为
式中, q为两个对象之间实际距离;q·为变量q的时间导数;q0为触发距离, 用来确定冲击力是否起作用, 该参数为一个实常数;k为刚度系数;e为弹性力指数;c为阻尼系数;d为刺入深度。
通过式 (5) 计算可以得出轴承承受最大径向载荷时, 滚子与外圈接触刚度为1.8×107N/mm, 滚子与内圈接触刚度为1.5×107N/mm, 非线性指数为1.5, 最大接触阻尼为1.42×102N·s/m, 最大穿透深度为1μm, 仿真求解方法采用适合高频系统的非刚性稳定算法积分器ABAM求解器。
1.3 仿真模型准确性分析
在仿真中, 滚动体和内外圈及保持架是碰撞接触的, 由于轴的旋转, 内圈与滚动体碰撞, 滚动体与保持架碰撞, 在碰撞力的作用下, 保持架会有一个轴向角速度, 这个角速度是一个可以评价系统运行平稳性的重要指标, 保持架理论转速ωc计算公式如下:
式中, ωi为轴的转速;DW为滚动体直径;dm为滚动轴承节径。
从图2可以看出, 在稳定情况下, 保持架角速度理论计算值为14.1 rad/s, 仿真平均值为14.3 rad/s, 理论计算值与仿真值误差为1.3%, 由此可见该仿真方法能够准确地分析轴承动力学特性。
2 磨损失效仿真及特征提取
在图1所示模型基座上定义6个关键位置, 不同间隙下, 提取这些位置的加速度信号, 图3所示为间隙h=10μm时位置点1的加速度振动信号。
通常, 机械故障诊断中所遇到的时域信号都是实信号, 实信号的傅里叶变换含有负频率, 对信号处理带来麻烦, 若对仿真信号x (t) 进行Hilbert变换可以对负频率成分做+90°的相移, 得到原信号的解析信号xa (t) (其频谱是原实信号正频谱的2倍) :
式中, a (t) 为原信号的包络信号。
由于滚动轴承发生故障时产生的振动信号具有调制的特点[9,10], 所以对其进行Hilbert变换可以实现包络解调, 实现载波和调制波分离。对包络信号a (t) 进行傅里叶变换得到:
定义信号的频率中心fm及信号频谱的集中度fσ为
其中, N为y (ω) 的长度;fs为信号的采样频率。信号频谱的集中度fσ能反映出信号频谱的集中程度, 其值越小反映出信号特征频率越集中, 反之则表示信号特征频率越分散, 绘制fσ与间隙的关系图, 结果见图4。
从图4可以看出, 信号的频谱集中度与轴承径向间隙为非线性关系, 集中度fσ能够比较明显地反应出轴承磨损失效时径向间隙的规律, 是表征轴承磨损故障有效的特征值。
3 实验验证
3.1 实验台搭建
为验证滚动轴承磨损失效的故障特征, 搭建的滚动轴承磨损失效机理实验台以湖南科技大学Spectra Quest公司生产的机械故障综合模拟实验台为平台, 如图5所示。信号采集及监测系统包括:奥地利Dewetron公司的DEWE-16通道高精度数据采集仪、美国PCB6OSAn加速度传感器及数据处理系统。
3.2 实验条件及过程
由于条件限制, 无法收集到大量不同间隙系列的轴承进行研究, 所以需对轴承进行故障模拟。实验轴承型号与仿真轴承相同, 本实验所用的轴承为内圈单挡边可分离式圆柱滚子轴承NJ204, 对24个样品内圈滚道进行精磨, 得到不同间隙系列见表1所示。实验过程中电机转速为10、15、20、25、30 r/min。转盘质量为2.03 kg, 采样频率fs=10 k Hz。
实验所用传感器为美国PCB608A11加速度传感器, 其灵敏度为100 m V/g, 在电机端及负载端基座上分别在轴向 (x方向) 、垂直方向 (y方向) 、水平方向 (z方向) 安装传感器。实验过程分两组进行:第1组实验电机端和负载端的轴承分别安装表1所示的同一间隙系列, 总计实验12次;第2组实验电机端轴承间隙为10μm, 负载端轴承每一个系列选两个轴承进行实验, 第2组总计实验12次。
实验过程中电机转速设定为10、15、20、25、30、35 rad/s。实验总计144×6组样本数据。
3.3 实验结果分析
对实验采集的数据进行小波包消噪, 图6所示为电机端轴承间隙h=40μm, 主轴转速为35rad/s时, y方向原信号与消噪信号。消噪后的振动信号幅值比原信号幅值变小, 密集度降低, 冲击过程更加明显。
3.3.1 不同轴承安装方式的对比分析
考虑到电机和轴之间的柔性连接器会对电机端轴承振动信号产生影响, 将第1组实验电机端、负载端及第2组实验负载端的振动信号进行对比分析, 结果如图7所示。
将第1组实验负载端与电机端的特征数据进行对比, 发现电机端的包络信号频谱集中度小, 在间隙为50~150μm下两者的差值最大。这是由于弹性联轴器对电机端轴承的振动信号有一定的影响, 频谱集中度与轴承间隙的对应关系一致, 都随着间隙的增大, 频谱集中度增大。
将第1组实验负载端与第2组实验负载端进行对比, 发现第2组实验负载端的信号频谱集中度比第1组实验负载端的信号频谱集中度要小, 并且在轴承间隙为10~160μm变化得比较平缓, 在间隙为160~230μm增大得比较快, 当间隙超过230μm后, 又表现得比较平缓, 这是由于受到电机端正常轴承 (间隙h=40μm) 的影响。
3.3.2 仿真和实验的对比分析
将第1组实验负载端的振动信号与仿真模型位置点1提取的信号进行对比分析, 结果如图8所示。
从图8可以看出, 仿真和实验的信号频谱集中度与轴承间隙的关系趋势一致, 随着间隙的增大, 信号频谱集中度数值增大;但仿真结果比实验结果数值偏小, 其原因主要是实验现场系统复杂, 会对结果产生干扰, 而仿真忽略了外界干扰的影响;信号频谱集中度这一个特征值可以比较明显地表征由于轴承磨损失效故障所带来的轴承间隙增大故障。
4 结论
(1) 建立了以轴-轴承-基座台架整体为研究对象的ADAMS仿真模型, 并对基座进行了柔性化处理, 实验结果显示柔性化处理的结果比较接近实际情况。
(2) 研究的磨损失效轴承间隙范围大, 从10μm到300μm不等, 比较真实地揭示出了轴承磨损失效的过程, 结果显示, 随着间隙的增大, 轴承基座振动信号的频谱集中度也增大;靠近柔性连接器的基座信号频谱集中度比远离端要低, 同一根轴上的正常轴承会减缓磨损失效轴承的频谱集中度。
(3) 研究表明信号频谱的集中度能够比较有效地表征轴承由于磨损失效所导致的径向间隙增大的这一特征, 对于滚子轴承磨损失效故障诊断具有一定的理论指导意义。
摘要：针对滚子轴承磨损失效易导致系统性能恶化的问题, 以轴承NJ204为研究对象, 通过对轴-轴承-基座为整体建立模型, 对不同程度的磨损失效轴承进行了仿真分析, 揭示了轴承的失效过程, 得到了失效故障特征值, 并进行了实验验证。仿真和实验结果都表明基座振动信号频谱集中度能反映轴承磨损失效的程度, 其值随轴承间隙的增大而增大。
关键词：滚动轴承,磨损失效,频谱集中度,间隙
参考文献
[1]从飞云, 陈进, 董广明.基于谱峭度和AR模型的滚动轴承故障诊断[J].振动、测试与诊断, 2012, 32 (4) :39-54.Cong Feiyun, Chen Jin, Dong Guangming.Spectral Kurtosis and AR Model Based Method for Fault Diagnosis of Roll Ing Bearings[J].Journal of Vibration, Measurement&Diagnosis, 2012, 32 (4) :39-54.
[2]蒋玲莉, 刘义伦, 李学军, 等.EMD模糊聚类法及在滚动轴承故障诊断中的应用[J].机械强度, 2011, 33 (5) :650-654.Jiang Lingli, Liu Yilun, Li Xuejun, et al.Fult Diagnosis of Rolier Beating Based on EMD and Fuzzy Cluster[J].Journal of Mechanical Strength, 2011, 33 (5) :650-654.
[3]易挺, 梁楚华, 朱圆圆.基于倒频谱技术的滚动轴承故障诊断[J].机床与液压, 2009, 37 (9) :272-274.Yi Ting, L Iang Chuhua, Zhu Yuanyuan.Fault Dagnosis Detection of Roller Bearing Based on Cepstrum Technology[J].Machine Tool&Hydraullics, 2009, 37 (9) :272-274.
[4]张宪文.滑动轴承承载能力的理论研究和实验分析[D].成都:西南交通大学, 2011.
[5]徐淑萍, 马金明.圆柱滚子轴承游隙与寿命关系[J].沈阳理工大学学报, 2011, 30 (4) :43-47.Xu Shuping, Ma Jinming.Cylindrical Roller Bearings Clearance and Bearing Service Life[J].Journal of Shenyang Ligong University, 2011, 30 (4) :43-47.
[6]Kabus S, Hansen M R, Mouritsen O O.A New Quasistatic Cylindrical Roller Bearing Model to Accurately Consider Non-Hertzian Contact Pressure in Time Domain Simulations[J].J.Tribol., 2012, 134 (4) :041401.
[7]崔立, 郑建荣.考虑刚性转子非线性振动的圆柱滚子轴承动态特性研究[J].振动与冲击, 2010, 29 (10) :113-117.Cui Li, Zheng Jianrong.Dynamic Characteristics of Cylindrical Roller Bearings Considering Nonlinear Vibration of a Rigid Rotor System[J].Journal of Sound and Vibration, 2010, 29 (10) :113-117.
[8]杜辉, 周彦伟, 邓四二, 等.高速圆柱滚子轴承零件间相互作用力瞬态动力学分析[J].轴承, 2005 (9) :9-12.Du Hui, Zhou Yanwei, Deng Sier, et al.Transient Dynamics Analysis on Interaction between Components of High Speed Cylindrical Roller Bearings[J].Journal of Bearing, 2005 (9) :9-12.
[9]黄中华, 谢雅.基于Hilbert变换的滚动轴承内环和外环故障诊断[J].中南大学学报 (自然科学版) , 2011, 42 (7) :1992-1996.Huang Zhonghua, Xie Ya.Fault Diagnosis of Roller Bearing with Inner and External Fault Based on Hilbert Transformation[J].Journal of Central South University (Science and Technology) , 2011, 42 (7) :1992-1996.
以轮胎动力学理论为基础,应用Pro/E建立载重车辆轮胎数字化模型并构建与ADAMS软件间专用的模型数据转换接口,以多体系统动力学理论为分析平台,利用ADAMS对载重车辆轮胎进行动态仿真研究与分析,直观描述了力-速度、力-角加速度、转矩-速度和转矩-角加速度的`变化关系,并据此研究轮胎与地面间的作用特性,为轮胎的设计制造提供理论依据,大大提高轮胎的设计效率和精度.
作 者：齐晓杰 于建国 QI Xiao-jie YU Jian-guo 作者单位：齐晓杰,QI Xiao-jie(东北林业大学交通学院,哈尔滨,150050;黑龙江工程学院汽车工程系,哈尔滨,150050)
于建国,YU Jian-guo(东北林业大学交通学院,哈尔滨,150050)
刊 名：车辆与动力技术英文刊名：VEHICLE & POWER TECHNOLOGY年，卷(期)：2009“”(2)分类号：U463.341+3关键词：载重车辆轮胎 动态特性 仿真 ADAMS Pro/E
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２００９
ＮＯ．３１
ＳＣＩＥＮＣＥ ＆ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ 学 术 论 坛
Matlab/Simulink仿真实验在扩频通信课程教学中的应用 张竞秋
(长春理工大学电子信息工程学院 吉林长春 130022)摘 要:根据扩频通信课程的特点,分析了当前该课程教学存在的问题,提出了采用Matlab/Simulink仿真来弥补实验室实验设备等的不足,并给出了Matlab/Simulink仿真的方法与实例,这是教学改革进程中的有益尝试。关键词:Matlab/Simulink仿真 扩频通信 仿真模型中图分类号:G424文献标识码:A文章编号:1672-3791(2009)11(a)-0236-02近年来,扩频技术迅猛发展,扩频通信不仅在军事通信中占有重要地位,在民用通信中也得到了越来越广泛的应用。《扩展频谱通信》是一门多学科专业交叉渗透的综合课程,它涉及到通信基础理论,对于教授该门课程理论的高校教师来说如何能更充分地表达自己的教学思路,如何更生动形象地开展教学,让学生更形象、更直观地理解所讲授内容历来是探讨的热点,解决上述问题的有效方法是采用计算机仿真技术。Matla/Simulink b仿真在实验教学中的作用
1.1Matlab/Simulink仿真与传统实验比较
通信系统仿真实质上就是把实验硬件搬进了计算机。在实物实验系统中,用各种电子元器件制作出通信系统中的理论模型
所规定的各个模块,再把它们通过导线或电缆等接在一起,然后再用示波器、频谱议、误码仪等通信仪表做各种测量,最后分析测量结果。在仿真实验中也是这样做,只不过所有通信模块及通信仪表的功能都是用程序来实现的,即通信系统的全过程在计算机中仿真运行。仿真实验不像实物实验那样让人感到“真实”,但对于许多通信问题的研究来说的确非常有效。与实物实验相比,Matlab仿真具有如下一些优点。
(1)Matlab可以仿真许多通信系统,通过改变某些参数来观察通信系统的性能,加深学生对知识的理解,从而可以获得比较好的教学效果。
(2)软件实验建设开发周期短,成本低。(3)弥补了由于实验场地、仪器设备和经费缺乏等因素带来的不足,避免了因误操作而对仪器造成的损坏,而且对于某些实验中不易观察到的现象,也可以进行模拟仿真。1.2Matlab/Simulink的功能与特点
Matlab是一套功能强大的工程技术数值运算和系统仿真软件,它具有数值分析、矩阵运算、图形处理、仿真建模、系统控制和优化等功能。运用Matlab进行仿真共有两种途径:一是基于数据流的仿真,它是用Matlab函数以命令行的形式实现,亦即编程实现整个系统的仿真;二是基于时间流的仿真,它是用 Matlab提供的一种可视化仿真模型库——Simulink来实现整个系统的仿真。Simulink提供了许多模型库,用户只需用鼠标将所需模块从库中调出来并连接起来即可。利用Matlab对通信原理课程中
所涉及的内容进行仿真 ，形式生动、形象直
图1 直接扩频发射机仿真系统模型
图2 直接扩频发射机扩频前数据信号频谱
图
直扩发射机扩频后输出信号频谱
２３６科技资讯 ＳＣＩＥＮＣＥ ＆ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ
学 术 论 坛
观、启发性强,能增强学生的感性认识,加强其对授课内容的理解。
8000次/s,为此,以升速率模块配合采样保持模块将调制输出信号采样速率提高到8000次/s。2.2 仿真结果
仿真执行后,两个频谱仪将分别显示扩频前后的信号频谱,采用BPSK调制的等效低通模型时,调制前后的功率谱相同,如图2所示,可见,数据信号的带宽约100Hz,其功率峰值约为20dB,而扩频输出信号带宽展宽了20倍,为2kHz,其功率峰值下降到约7dB处。仿真输出的时域波形结果如图3所示,图中显示了数据流、PN序列以及扩频输出信号的波形。２００９
ＮＯ．３１ 科技资讯
趣,能取得较好的实验效果,弥补通信类课程实验的不足。2 扩展频谱通信系统仿真实例
直接序列扩频通信系统是扩频通信中最典型和最便于理解的扩频方式之一。我们试图通过这一系统的仿真演示过程来说明仿真软件在教学中的突出作用。2.1直接序列扩频通信系统
通过建立如图1所示的仿真模型来研究直接序列扩频通信系统,观察其数据波形、扩频输出波形及扩频调制输出的频谱。仿真模型中,Bernoulli Binary Generator用于产生伪随机扩频序列,其采样时间设置为0.01s.PNSequence Generator用于产生伪随机扩频序列,其采样时间设置为0.0005s.Unipolar toBipolarr Converter用于完成数据和扩频序列的双极性变换,乘法器输出就是扩频输出,其码速率等于采样速
率。扩频输出信号以BPSK方式进行调制。为使频谱观察范围达到4kHz,需要被观察信号的采样速率达到 参考文献
[1]朱近康.扩展频谱通信及其应用[M].北
京:中国科学技术大学出版社,1993.[2]李颖,朱伯立,张威.Simulink动态系统 建模与仿真基础[M].西安:西安电子科技大学出版社,2004.[3]邵玉斌.Matlab/Simulink通信系统建模
与仿真实例分析[M].北京:清华大学出版社,2008.3 结语
Matlab/Simulink作为一种功能强大的工程技术数值运算和系统仿真软件,一直是科研人员作研究的工具,较少用于教学活动中。实践证明:在扩展频谱通信原理的实验教学过程中引入Matlab进行仿真,能帮助学生更好的学习该课程,提高学习兴 图4 直扩发射机扩频前后的信号波形仿真结果(上接2
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年1月份以来,荆门市工商局以小批发为重点,开展了农村集贸市场食品安全大检查,查处收缴过期变质食品1191袋、“三无”食品495公斤、假冒食用油310公斤、假冒乳饮品680件,办理涉及食品的违法案件42起[2]。
最后在消费终端,强化农村食品消费环节的监管。对存在食品安全隐患多的小餐馆和小摊点坚决予以取缔。加强对农家宴的卫生监管和技术指导,强化对农村厨师健康体检和培训管理,严厉查处无卫生许可证从事餐饮服务的违法行为,防止发生群体性食物中毒事件。在湖北省对农村城镇、集镇、乡村举办的食品交易会、庙会、食品批发市场、集贸市场以及农村小食品店、个体商贩、小摊点、小作坊、小餐馆开展“拉网式”反复检查,重点检查品种为粮、肉、蔬菜、食用油、奶制品、豆制品、饮料、酒类、保健品、儿童食品、禽蛋及其制品、水产品等。3.3广泛深入地宣传相关法律法规及食品卫生安全知识
推进群防群治机制创新,针对农民群众食品安全意识差、防范能力低的实际,在农村农贸市场和社区街道设置食品安全举报投诉,将12315、12346等食品投诉举报热
线延伸到农村地区,湖北荆门建立村级消
费者投诉站和12315联络站330个。在全市农村设群众维权机构,聘请食品安全协管员和信息员,方便群众快捷、有效地进行投诉,实现食品安全群防群治,综合治理。
目前,世界上针对智能机器人的研究与应用形成了机器人学领域中最活跃的研究热点,而仿人型机器人作为最合适的研究对象已得到了理论与工程界的重视,并逐渐形成了相对独立的仿人型机器人学。而以人体为对象研究其建模方法,并对其进行运动学和动力学分析的人体动力学,是仿人型机器人学的基础理论学科之一。研究人体动力学的建模和仿真,获取有关运动、力学数据,对指导机电产品设计、运动康复器械设计等具有重要意义。本文以人体解剖学为基础,根据多体动力学原理,运用美国MDI公司开发的多体系统动力学分析软件ADAMS,并结合CAD软件SolidWorks的强大建模功能,建立人体九刚体多自由度动力学模型,对人体下肢动力学和运动学特性做分析计算,并进行人体平地行走的运动仿真。
1 人体的结构分析
从解剖学的角度看,人体是由骨、骨连接和骨骼肌组成,全身骨借关节连成骨骼,构成坚硬的人体支架。在运动中,骨起杠杆作用,关节是运动的枢纽,骨骼肌是运动的动力器官。在人体运动中起主要作用的骨骼是:颅骨、椎骨、肩胛骨、肱骨、桡骨、尺骨、髋骨、股骨、腓骨、胫骨等[1]。
骨与骨之间由结缔组织连接,形成人体骨架,骨头互相连接的地方称为关节。关节根据骨连接形式可分为3种:不动的关节、稍动的关节和活动的关节。本文主要应用的四肢关节有肩关节、髋关节、膝关节、踝关节等。肩关节为上肢最大的关节,为典型的球窝关节,是人体最灵活的一个关节,可做屈、伸、内收、外展、旋内、旋外以及环转等多种运动。髋关节为多轴性关节,可做屈、伸、外展、内缩、内旋、外旋和环转运动,运动幅度较肩关节小,但其稳固性较大。膝关节是人体最大、最复杂的关节,其主要做屈、伸运动,在膝关节半屈位时可做小幅度的旋转运动。踝关节主要做屈和伸运动,屈时还可做轻度的内敛和外展运动,亦可与距下关节、距跟舟关节配合进行足内翻和足外翻运动。
2 人体虚拟样机模型的建立
ADAMS软件是一种功能强大的机械系统动力学仿真分析软件,它虽然有零件库可用于机械系统几何模型的创建,但它所提供的实体造型功能并不适合于创建空间关系复杂的装配体和一些复杂的曲面,特别是对于人体这样有着复杂外表面的空间机构。本文采用了大型CAD软件SolidWorks来建立人体的虚拟样机模型,并通过数据转换技术将模型导入ADAMS中。
2.1 模型建立
在保持人体主参数和运动特性不变的情况下,对人体模型进行了简化。简化的目的在于既保持虚拟样机的力学模型和运动学模型与人体一致,又去掉了大部分对仿真结果没有影响的细微结构[2],从而提高了仿真效率。由人体的结构分析和人体的运动情况看,简化后的模型主要由以下几部分组成:头、两个上肢、躯干、两个大腿、两个小腿以及两只脚,其中脖子和椎骨合并为一个躯干,肩胛骨、肱骨和尺骨合并为上肢。本文将人体表示为刚体是基于以下几点假设[3]:①在每一部分中,骨骼与软组织被认为是刚体;②软组织的微小变形不会影响各部分的机械特性;③每一部分尺寸、自由度设置以及惯性矩与真人相似。
首先在SolidWorks中按照人体的实际尺寸建立人体各部分的三维模型,以及建立一个平板,用来做虚拟地面,并采用一致的量纲。完成后按照人体直立时的初始位置进行装配,从而得到人体的虚拟样机三维简化模型,见图1。
2.2 数据转换
SolidWorks建立的模型数据格式不能直接被ADAMS识别,需要对其数据格式进行转换。常用的转换格式有多种,如IGES格式、STEP格式、DFX格式和Parasolid格式。经实验证明,Parasolid格式转换效率高,不易出错,可实现无缝传送,在此我们采用Parasolid格式进行数据转换,文件扩展名为.x_t。
3 系统仿真研究
由于人体运动是一个相对复杂的过程,在仿真运动前必须选择合理的坐标系,本文选取人体躯干质心位置为原点建立世界坐标系,以其他部件的质心为原点建立局部坐标系。应用齐次变换的链乘法则[4],可具体计算出人体模型中任一点的坐标位置。本文建模时选取笛卡尔坐标系。
3.1 导入模型
在ADAMS打开的对话框中选择导入模型选项,选择Parasolid格式的人体模型数据文件,输入模型名称并确定,选择视图菜单中的模型子菜单,模型被导入ADAMS中,并显示在主窗口中。
3.2 修改人体模型部件特性
模型导入后,仿真分析还需要构件的特性,如质量、转动惯量和惯性积等。为了以后修改方便,首先先修改各部件的名称,分别修改为如图2所示的名字。然后通过用鼠标右键激发弹出式菜单,选择各个需修改的构件,再选择Modify命令。人体模型各构件特性参数见表1。
表1中,Ix/G、Iy/G、Iz/G分别为各构件对于x、y、z轴的转动惯量。
3.3 施加约束
为了在ADAMS中添加约束方便,以及不影响人体的整体分析,利用布尔组合命令,将头和躯干合并为新的躯干。根据人体结构分析以及人体运动分析,我们对各构件加入如下约束:上肢与躯干之间加入一个铰接副,大腿与躯干之间加入一个球铰副,大腿与小腿之间加入一个铰接副,小腿与脚之间加入一个球铰副,脚与地面之间加入一个接触力,并设置为碰撞,地面上加入一个固定副。加入约束后的仿真模型见图3。
3.4 关节角度规划控制函数设计[5]
在ADAMS运动学控制中最常用的控制函数为数学函数中的STEP函数,它的基本格式为:
STEP(x,x0,h0,x1,h1)。
其中:x为自变量,可以是时间或时间的任一函数;x0为自变量的STEP函数开始值,可以是参数、函数表达式或设计变量;x1为自变量的STEP函数结束值,可以是参数、函数表达式或设计变量;h0为STEP函数的初始值,可以是参数、其他函数表达式或设计变量;h1为STEP函数的最终值,可以是参数、其他函数表达式或设计变量。
STEP函数是用一个三次多项式逼近赫维赛德阶梯函数(Heaviside step function)。本文根据人体行走中关节角度的变化,运用STEP函数实现人体各个关节在每一段时间内的相对转动角度。
3.5 人体下肢运动学仿真分析
在仿真分析之前,可以在想要测量的运动副上右击鼠标选择Measure,然后选择希望测量的特征值,如力和扭矩等,最后点击Interactive Simulation Controls按钮,设置仿真时间和仿真步数并点击开始,也可以在完成仿真后选择Simulate→Interactive Controls来确定是否显示点的运动轨迹。本文以两腿运动两周期为例仿真人体在行走时的运动全过程,并进行膝关节的受力分析以及髋关节和踝关节之间的距离分析。设定仿真时间为2 s,仿真步数为50步。图4为人体仿真运动分析过程。图5为在一个行走周期内,膝关节在y轴方向所受的力矩图。
4 结论
人体结构非常复杂,在仿人研究领域,人们一直在寻求设计一种比较合理的、具备人体运动性能的机构。本文从人体动力学这门基础学科着手,借助ADAMS仿真软件的运动学和动力学分析功能,研究人体运动与力的关系,对人体平地行走进行了运动仿真,准确模拟了人体下肢的运动,分析并作出运动中膝关节的力与扭矩参数曲线图,它为仿人机构的设计提供了理论依据。
摘要：在人体结构分析的基础上,应用SolidWorks建立了九刚体人体的虚拟样机简化模型,通过数据转换技术将模型导入ADAMS。应用ADAMS软件对人体进行了在平地上的运动仿真,得到了人体膝关节的力矩曲线图,它为仿人研究提供了理论基础。
关键词：SolidWorks,ADAMS,仿真,人体建模
参考文献
[1]邹锦慧,刘树元.人体解剖学[M].北京:科学出版社,2005.
[2]刘卉,高云峰.人体上肢运动的K ane动力学建模[J].力学与实践,2005,27(2):63-66.
[3]罗小美,袁清柯.基于ADAMS人体上肢动力学的建模与仿真研究[J].机电工程技术,2006,35(10):44-46.
[4]尾田秀司.仿人机器人[M].管贻生,译.北京:清华大学出版社,2007.
飞机舱门是飞机上用于进出机舱的可开关组件,舱门的类型包括:前后登机门、货仓门和应急门等。其中应急门位于飞机左右两侧机翼的上部,一般作为紧急逃生或其他特殊情况下使用。应急门作为飞机重要部件之一,其设计与制造技术水平对飞机整体品质有较大影响。由于应急门主要传动构件被封闭在舱门蒙皮内,机构本身敞开性不佳,并且内部结构复杂,零部件数量众多,为样机的研制和测试带来一定困难。
利用ADAMS软件建立起某型号飞机右应急门的虚拟样机模型并对其打开过程进行运动仿真分析[1],为物理样机的安装、调整、检验等操作过程提供指导与帮助。
1 飞机应急门结构组成
如图1所示,为应急门运动机构三维模型的内侧、外侧视图,图中标注出了应急门几个主要组件。
门框组件确保应急门的外部轮廓造型和主要长宽尺寸。插销锁组件在应急门关闭的时候处于锁紧状态,用于确保应急门闭合的可靠性。当操作者在机舱内部时,通过提升内手柄组件来打开舱门,在机舱外部时则通过旋转外手柄组件来打开应急门。锁窝在应急门打开的初期,用于保证应急门主体的滑移轨迹,左、右各两组的对称式排布增加舱门移动过程中的机构整体稳定性。运动传递组件是应急门上最主要的一个组件,它主要用于机构内构件运动的传递,通过将操作者操作内(外)手柄转动的运动转化成舱门主体沿预定路线平移的运动,而最终达到打开或关闭应急门的目的。
2 应急门打开过程分析
应急门的打开并不是一个单一的过程,在打开的不同阶段,构件与构件之间的运动关系会发生改变,运动机构中的驱动元件和驱动方法也会改变。通过对三维模型各组件作用的简单分析,可知应急门从关闭到完全打开可分为解锁、提升、推开三个阶段:
a) 解锁阶段:内手柄提升或外手柄旋转,插销在锁套内移动,一直到脱离锁环,插销锁打开,门框组件空间位置不变。
b) 提升阶段:内手柄提升或外手柄旋转,插销移动至脱离锁套,止动滚轮在锁窝内移动,门框组件向上做提升运动。
c) 推开阶段:内手柄提升或外手柄旋转,止动滚轮还在锁窝槽内,沿着锁窝的水平段运动,一直到止动滚轮脱离锁窝。内手柄、外手柄停止运动,主铰链旋转。在整个推开阶段门框组件绕主铰链旋转,没有向上位移。
3 应急门虚拟样机建立
3.1 模型转化及预处理
飞机应急门三维模型在CATIA中建立,文件格式为“*.CATProduct”。应用ADAMS/Exchange接口模块实现与CATIA的数据传输,将模型以标准Parasolid格式在ADAMS中打开[2,3]。
导入ADAMS后的应急门模型在进行样机设置前还需要对部分构件进行处理。
如图2所示,由于CATIA软件的实体建模特点,导致直接导入的弹簧构件本质上是刚性元件,在仿真中无法柔性化,需要从运动机构中删除再从ADAMS软件提供的弹簧库中选择需要的弹簧类型,添加到需要的位置。删除设计模型中垫片等运动仿真中不需要的零件,以减少构件数目,提高样机仿真速度和品质。
3.2 添加约束及载荷
在ADAMS/View环境下为构件之间添加约束[4]。由于应急门模型中构件数量众多,采用一边添加一边检测的方法。每完成一个约束的定义,通过系统的模型检查功能(model verify)来检查系统自由度的相关信息。通过菜单Tool→Model Verify可以在信息窗口中看到机械系统的约束情况,包括尚未进行约束的构件,和出现过约束的构件。根据检测信息对样机中的约束进行修改。
按照实际情况添加约束后发现样机中存在冗余约束。ADAMS/Solver在求解过程中会随机忽略多余约束,可能会导致仿真求解不正确。检查系统发现机构中传递运动的连杆之间以旋转副链接,互相形成封闭回路,导致限制的空间自由度超出范围。为解决冗余约束,将旋转副修改为点线副,以高副取代低副,则系统过约束情况消失。
在添加约束时,某些特殊结构无法以传统运动副定义,如图3所示,设计者将圆柱铰中的间隙放大,得到一种新的铰接关节圆柱间隙铰[5]。在系统运动过程中,圆柱间隙铰的运动状态不确定,无法以传统运动副作理想化处理,则通过接触定义(contact)确保两个铰接构件之间链接符合实际运动状态。接触类型为Solid to Solid,接触力计算方法选择冲击函数法(impact),摩擦力计算方法选择库伦法(coulomb),其他选项为默认值,完成此接触定义。
在ADAMS软件中,当构件之间的运动关系不确定或者无法以典型约束定义时,接触定义是一种很好的处理机构运动状态的方法。但是ADAMS对于多接触情况下的处理能力并不强,其求解稳定性较差。如图4,在接触定义好后先行进行部分仿真验证其可行性时,出现构件接触穿透的现象。影响接触穿透的因素通常有模型结构、仿真步长、积分算法和仿真时间等。
本模型中排除结构与仿真时间的影响。碰撞力定义为冲击函数法(impact),Impact函数的一般表达式为:
式中:q0表示两碰撞构件的初始距离;q表示两构件碰撞过程中实际距离;dq/qt表示构件之间距离随时间的变化率;k为刚度系数;e为碰撞指数;cmax为最大阻尼系数;d为切入深度。
其中step函数计算式为:
其中a=h1-h0;Δ=(x-x0)/(x1-x0)
x是独立变量;xo是独立变量初值;x1是独立变量终值;h0是step函数初值;h1是step函数终值。
在求解动力学方程时,ADAMS/Solver将接触力并入广义矩阵中求解,每当判断碰撞发生时,为了精确求解,系统会动态的将迭代步长调小,此时如果步长设置不合理,会导致接触判断失误。
仿真验证时,测量圆柱间隙铰两构件之间碰撞力,如图5,当仿真步长设置为1 000时,图中显示有多阶段碰撞力为0,此时两构件正在发生穿透,无法测量到正确碰撞力。
当仿真步长设置为5 000时,如图6所示,两构件之间测得碰撞力更为精确。从仿真视频窗口也可知,构件没有发生穿透。
3.3 添加驱动
在ADAMS软件中,模型的驱动一般是添加在已经定义好的运动副上的,驱动的类型有旋转驱动和滑移驱动两种,驱动的具体条件由相关方程定义。
应急门打开过程中需要定义两个驱动(motion),在仿真的不同时间段生效。其中motion1为内手柄的绕轴旋转驱动,为增加运动传递的稳定性,将驱动规律设置为30.0d*time。Motion2定义为主铰链绕支座的旋转驱动,驱动规律设置为30.0d*time。仿真过程中,当motion1失效后,motion2开始生效。
3.4 基于脚本控制的仿真
ADAMS软件为使用者提供了两种仿真方式:交互式仿真(interactive simulation)和脚本定义式仿真(scripted simulation)[6,7]。大部分仿真都可以在交互式方法下完成。但是进行交互式仿真时,在仿真进行中,操作者无法在特定时刻介入系统运动,即一旦进入仿真运行状态,系统某些参数和结构无法改变。由于应急门打开是一个分阶段的过程,在运动中需要改变驱动方式,则通过脚本方式进行仿真。
在系统中建立虚拟传感器(sensor_1)来探测驱动改变的条件:当止动滚轮脱离锁窝后,内手柄停止提升,即motion1失效,改为由主铰链旋转带动应急门打开,此时motion2生效。
仿真脚本命令语句如下:
4 仿真结果分析
脚本控制仿真完成后,可以在ADAM/View仿真窗口内直接观察到应急门的打开过程,如图7所示:(a)应急门处于完全关闭状态,插销锁穿过锁环完全锁上,门框与飞机蒙皮内边完全贴合;(b)内手柄提升到一定角度,止动滚轮进入到锁窝槽的水平段,应急门整体被提升到最高点,水平方向没有位移,提升阶段完成;(c)应急门整体相对机身向右移动,垂直方向位置保持不变,一直到止动滚轮脱离锁窝;(d)内手柄的提升运动停止,应急门运动传递组件部分停止驱动力的传递,应急门整体继续相对机身向右移动,一直到碰触到飞机机身蒙皮,应急门完全打开。
为了得到更精确的仿真结果,在仿真过程中对应急门运动机构中某些关键构件的运动参数进行测量。在本文研究的运动机构中,当止动滚轮脱离锁窝后,主要运动传递组件停止相对运动,与门框组件保持相对静止。为了方便提取运动参数,则仿真测量只需要显示解锁与提升阶段的数据。
如图8所示,是应急门解锁和提升阶段内、外手柄旋转角度对比图。仿真中定义内手柄为驱动件,驱动方式为匀速旋转。由图可知内手柄和外手柄是联动的,即内手柄旋转驱动打开应急门时,外手柄会产生对应的旋转运动,且内手柄旋转角速度横为外手柄旋转角速度的1.67倍。
图9所示是应急门提升位移曲线,横坐标表示内手柄旋转角度。由曲线图可知,内手柄从初始位置旋转到71SymbolpB@时,解锁完成,应急门开始提升。内手柄继续旋转61SymbolpB@,提升阶段完成。当内手柄旋转到156SymbolpB@时,止动滚轮脱离锁窝。
5 结论
利用ADAMS软件建立起某型号飞机应急门的虚拟样机,通过接触定义解决了圆柱间隙铰的约束问题。设置虚拟传感器并且编写脚本仿真程序,通过三维动画完整实现了应急门打开全过程,正确完成了仿真工作。通过绘制关键构件的运动曲线,获得内、外手柄驱动角度和应急门提升位移的相关参数信息,为将来物理样机的装配调试提供参考和指导。
参考文献
[1]王国强,张进平,马若丁.虚拟样机技术及其在ADAMS上的实践[M].西安:西北工业大学出版社,2003.
[2]李增刚.ADAMS入门详解与实例[M].北京:国防工业出版社,2010.
[3]陈立平,张云清,任卫群,等.机械系统动力学分析及ADAMS应用教程[M].北京:清华大学出版社,2005.
[4]陈立平,张云清,任卫群,等.机械系统动力学分析及ADAMS应用教程[M].北京:清华大学出版社,2005.
[5]尉立肖,刘才山.圆柱铰间隙运动学分析及动力学仿真[J].北京大学学报(自然科学版),2005,41(5):679-687.
[6]熊光明,徐正飞,龚建伟,等.基于虚拟传感器和脚本控制的移动机器人越障仿真[J].计算机测量与控制,2004,12(1):45-47.
蜗轮蜗杆传动机构是用来传递空间互相垂直而不相交的两轴间的运动和动力的,由于它具有传递比大、运动平稳、结构尺寸紧凑等优点,在各类机床、冶金、矿山及起重设备等的传递系统中得到了广泛的应用。目前我国对蜗轮蜗杆机构的开发与研制一直由传统的“设计—试制—试验—改进”模式占主导,这种基于物理样机的设计研发模式具有工作量大、周期长、费用高、精度低的致命缺点,使得产品难以适应快速变化的市场需求。采用虚拟样机对产品进行创新设计、测试和评估,可以缩短周期、降低成本、改进质量,提高企业面向客户与市场需求的能力,并加快新技术向新产品的转化。
本文通过虚拟样机技术在计算机上建立蜗轮蜗杆的简化模型,导入ADAMS进行动力学仿真,得出所需的力学曲线,进而为模型的优化设计提供理论依据。
1 虚拟样机模型的建立
1.1 三维模型的建立及导入
鉴于整体模型比较复杂,根据仿真的需要,将蜗杆减速器的外壳、联接螺栓等固定构件等简化为大地模型,简化后的蜗杆传动模型只包括蜗杆、蜗轮。为了在ADAMS中建立蜗杆传动刚体模型,本文采用模型引入的方式。将事先在UG中建立的蜗杆传动装配模型以parasolid格式导出,导入到ADAMS软件中。蜗杆传动机构三维模型如图1所示。
1.2 虚拟样机模型的建立
首先设定蜗轮材料为ZCUSN10P1,质量为13.05 kg,蜗杆材料为45钢,质量为17.26 kg。然后根据蜗杆传动的运动规律添加如下约束:蜗杆轴承与大地之间添加固定约束,蜗杆轴承与蜗杆之间添加旋转副,蜗轮与输出轴之间添加固定约束,输出轴与蜗轮轴承之间添加旋转副,蜗轮轴承与大地之间添加固定约束。最后在蜗杆与蜗轮之间添加接触力(Solid to Solid Contact),这是一种基于力的接触模型,如图2所示。
2 仿真结果分析
2.1 仿真设置
根据ADAMS中提供的已有单位,将整个系统单位设置为MKS,即设定系统单位为Length:m;Mass:kg;Force:N;Time:s;Angle:Degree;Frequency:Hertz。求解器选用GSTIFF的I3格式,并将Error改为0.1,能够满足系统要求。
蜗杆的转速为350 r/min,蜗轮的最大扭矩为100 N·m。给蜗杆施加一个固定转速的驱动,速度是2 100 (o)/s;再给蜗轮输出轴添加一个反方向的转矩,大小为100 N·m。ADAMS为接触作用的仿真提供了极大的方便,通过修改接触副中接触刚度及其非线性指数、阻尼系数、最大阻尼时的击穿深度、接触面静态及动态摩擦系数,接触作用形式可以仿真至相当高的程度。
2.2 仿真结果
仿真结束后进入PostProcessor后处理模块查看所需的结果曲线。
2.2.1 输入输出轴转速分析
定义蜗杆输入转速n输入=350 r/min=2 100(o)/s,蜗杆头数z1=3,蜗轮齿数z2=35,按照此传动关系进行系统仿真验证。蜗轮输出轴转速n输出=30 r/min=180(o)/s。蜗杆传动仿真后,得到的蜗杆输入角速度和蜗轮输出角速度的特征曲线见图3。
由图3可以看出,蜗杆传动启动时从静止到转动的瞬间,动力学变化较大,因而蜗轮在0 s～0.1 s之间的角速度有一个明显的加速阶段,而在0.1 s之后转速达到额定值,基本保持转速在180(o)/s。蜗杆仿真模型中蜗杆输入轴、蜗轮输出轴之间的转速及传动比关系符合设计要求及理论分析结果。
2.2.2 蜗杆受力分析
在ADAMS/PostProcessor模块中分析蜗杆受力的特征曲线。蜗杆x轴(与蜗杆轴平行)的受力曲线见图4。
蜗杆x轴与蜗轮相切,为驱动蜗轮转动提供主要动力。在推动蜗轮由静止到转动的瞬间,特别在0 s时刻,蜗杆x轴方向的受力达到最大,经测量为29 000 N。在0 s～0.1 s时间段,蜗杆x方向受力呈线性下降,在0.1 s达到最小,此后基本保持在7 500 N。
3 结论
本文运用三维软件UG建立了蜗杆传动机构的实体简化模型,运用ADAMS仿真分析软件对蜗杆传动机构进行分析,通过输入主动件初始运动条件,计算机可自动进行分析,绘出各组成构件的位移、速度、加速度运动曲线。这就省略了理论分析方法一步步繁琐的数学公式推导及求导过程,并且分析结果为可视化的图表,直观且清晰。通过将模拟值与实测值的比较,证明了这一计算方法的正确性与可行性。
参考文献
[1]李增刚.ADAMS入门详解与实例[M].北京:国防工业出版社,2007.
[2]谭加才,朱理.基于Pro/E的蜗杆蜗轮参数化造型及运动仿真[J].设计与研究,2005(5):41-42.
[3]王国强,张进平,马若丁.虚拟样机技术及其在ADAMS上的实践[M].西安:西北工业大学出版社.2002.
[4]郑建荣.ADAMS虚拟样机技术入门与提高[M].北京:机械工业出版社.2002.
飞机总装配是一项技术难度大、涉及各学科领域的综合性集成技术, 它在很大程度上决定了飞机的最终质量、制造成本和生产周期。大部件对接是飞机总装配中的核心技术, 主要包括机身与机身的对接、机身与机翼的对接、机身与尾翼的对接等。传统的手工飞机大部件对接技术已经不能满足现代飞机的装配要求, 因此大部件自动对接技术得到了发展。机翼调姿是翼身自动对接中的重要部分。利用ADAMS虚拟样机技术对机翼调姿过程进行动力学仿真可以有效地验证机翼调姿算法的正确性、评估机翼运动的平稳性、检测定位器驱动力及主要承力部件的受力情况等, 为工程上机翼模拟件调姿做好前期准备, 从而缩短机翼调姿系统的开发周期, 节约开发成本。
1机翼调姿技术
1.1 机翼调姿概述
飞机机翼调姿系统主要由测量系统、控制系统、精确调姿定位器系统组成。测量系统用于实时跟踪测量机翼的位姿, 并反馈于控制系统;控制系统根据机翼空间位姿解算机翼姿态方程, 拟合出机翼定位器的运动轨迹;调姿定位器系统在控制系统解出的轨迹驱动下完成机翼调姿过程。机翼的空间位姿可由机翼上3个测量点确定, 但是为了减少调姿误差, 在机翼上建立4个测量点, 用于实时跟踪测量机翼的位姿。整个机翼调姿过程是一个实时控制与反馈的闭环系统, 机翼调姿示意图如图1所示。
1.2 机翼调姿算法
机翼空间位姿用欧拉角φ、θ、Ψ (1-2-3旋转循序) 和坐标值po= (pundefinedpundefinedpundefined) T表示。设调姿基准点的测量坐标为ps= (pundefinedpundefinedpundefined) T, 测量点在机翼坐标系的坐标为pc= (pundefinedpundefinedpundefined) T, 则ps、pc满足:
ps=Apc+po 。 (1)
式 (1) 中:姿态矩阵
undefined
表示sin, c表示cos。
由式 (1) 可知, 每测量一个基准点引入3个独立方程, 当测量点数等于2时, 方程个数与未知数个数相等, 即可求得各位姿参数的解。工程实际中, 为减少测量随机误差, 往往测量3个以上的基准点, 测量点数超过2时式 (1) 变成了超越方程, 可通过最小二乘法求解得到机翼的当前姿态。
轨迹规划后得到驱动曲线, 轨迹规划的初始位姿、目标位姿均已知;另外, 在工程实践中, 调姿初始速度和终止速度应为零;同时为保证机翼调姿运动光滑连续, 还应保证初始加速度和终止加速度为零。由于机翼调姿运动有6个约束条件, 可采用五次多项式进行拟合, 轨迹方程可用式 (2) 表示 (以欧拉角φ调整为例) :
fφ (t) =a0+a1t+a2t2+a3t3+a4t4+a5t5 。 (2)
将工程约束条件代入式 (2) , 可得:
undefined
。 (3)
其中:tf为调姿时间;f (0) =φ0、f (tf) =φ1分别为起始、终止时刻姿态角。令Δφ=φ1-φ0, 求解式 (3) 可得:
undefined。 (4)
同理, 利用fφ (t) 类似的计算方法, 可获得θ、Ψ的运动轨迹为:
undefined
。 (5)
联立式 (1) 、式 (4) 、式 (5) 可得调姿过程中, 机翼上任意点P的动态坐标值为:
p=ALsps+po 。 (6)
其中:
undefined
。
设电机相对机翼的位置为ps, 根据式 (6) , 电机的运动轨迹pm为:
pm=ALsps+po 。 (7)
依据式 (7) 即可获得0～tf时间内各驱动电机的所需驱动。
2机翼调姿动力学仿真
2.1 机翼调姿模型的建立
根据某型号飞机数学模型, 在CATIA下建立翼身自动对接仿真模型, 通过SIMDESIGN将CATIA建立的模型导入ADAMS环境下。利用ADAMS修改了机翼调姿模型各部件属性, 并调整机翼调姿模型在整体坐标系下位置, 完成的机翼调姿模型如图2所示。模型主要包括机翼、定位器、叉耳工艺接头、球铰工艺接头, 其中定位器1、定位器2通过球铰工艺接头与机翼连接, 定位器3通过叉耳工艺接头与机翼连接。图2中P1、P2、P3、P4点为机翼位姿测量点。
根据机翼调姿算法要求, 在模型上添加相应的运动副、载荷及驱动。其中机翼固定于工艺接头上, 球铰工艺接头与定位器之间添加球铰副, 叉耳工艺接头可以绕X、Y、Z轴旋转, 通过绕Z轴旋转副与定位器连接, 各定位器在X、Y、Z向添加滑移副。根据工程上某型号飞机机翼质量修改机翼的质量属性与质心位置。机翼调姿算法要求在定位器1上添加X、Y、Z向驱动, 定位器2上添加Y、Z向驱动, 定位器3上添加Z向驱动。
2.2 机翼调姿动力学仿真过程
为了方便地确定机翼的目标位置和初始位置, 将导入ADAMS的调姿模型在整体坐标系下的位置作为目标位置, 测量机翼上4个测量点坐标, 作为目标位置测量点坐标。在定位器运动范围内, 通过直线轨迹驱动定位器, 使机翼运动到初始位置, 并测得机翼测量点在初始位置的坐标值。机翼上4个测量点的初始位置和目标位置的坐标值见表1。
2.3 机翼调姿仿真结果处理
由于机翼调姿控制软件给出的驱动总时间为10 s, 因此编写仿真时间为10 s, 仿真步长为15 000的仿真脚本。
机翼调姿动力学仿真结束后, 通过测量机翼质心处的位移、速度、加速度曲线, 验证机翼调姿算法拟合出的机翼运动轨迹能否使机翼调姿运动过程较为平稳。机翼质心处的位移曲线、速度曲线、加速度曲线如图3所示。从图3可以看出机翼调姿仿真过程中, 速度最大值为26.160 4 mm/s, 加速度最大值为9.260 4 mm/s2, 且速度和加速度曲线较为平滑, 数值没有出现骤变, 表明机翼能进行平稳的调姿运动。
定位器驱动点的速度、加速度、驱动力曲线可以检验定位器的驱动电机能否满足机翼调姿运动的要求。各定位器驱动的速度、加速度曲线如图4所示, 理想状态下调姿所需驱动力曲线如图5所示。从图4可得出所有驱动的最大速度为25.413 1 mm/s, 最大加速度为9.260 2 mm/s2, 且速度曲线和加速度曲线均很光滑。从图5可知理想状态下驱动力最大值为7 086.791 3 N, 驱动曲线较为光滑。工程上定位器驱动电机在理想状态下的参数分别为:最大速度40 mm/s, 最大加速度20 mm/s2, 最大驱动力15 000 N。仿真结果表明, 机翼调姿算法拟合出的定位器驱动轨迹可由工程上定位器驱动电机实现。
为防止调姿过程中机翼受力过大而损坏, 工程上对工艺接头处的受力有一定要求, 要求工艺接头处所受的最大力不得超过10 000 N。机翼调姿仿真过程中, 得到了3个工艺接头受力曲线, 见图6。由图6得知定位器1工艺接头所受最大力为4 791.950 2 N, 定位器2工艺接头所受最大力为6 898.080 4 N, 定位器3工艺接头所受最大力为3 712.131 3 N, 均在工程允许的范围之内。
机翼调姿仿真结束后, 机翼上4个测量点坐标分别为P1 (-4 043.900 1 -1 516.752 3 2 364.640 4) 、P2 (-4 012.950 8 -2 107.332 1 2 337.772 7) 、P3 (1 135.980 2 -1 581.723 1 2 556.420 4) 、P4 (6 368.430 2 1 026.720 7 2 730.221 5) , 与目标位置的偏差见表2。从表2所示差值可知, 机翼调姿仿真结束后, 测量点坐标与目标位置坐标差值非常小, 在工程实际翼身对接过程允许的范围内, 表明机翼调姿算法能精准地将机翼从初始位置运动到目标位置。
3结论
利用ADAMS完成飞机机翼调姿过程的动力学仿真, 仿真结果表明机翼调姿算法能保证机翼平稳精确地从初始位置运动到目标位置;调姿控制软件拟合出的定位器驱动轨迹均能由工程上的驱动电机实现;工艺接头的受力情况表明仿真过程能满足工程上的受力要求。
参考文献
[1]黄翔, 李泷杲, 陈磊, 等.民用飞机大部件数字化对接关键技术[J].航空制造技术, 2010 (3) :54-56.
[2]李原, 邵毅, 余剑锋.飞机部件装配的路径规划算法研究与实现[J].计算机辅助设计与制造, 1999 (12) :18-20.
[3]董江华, 姜大成.基于CATIA和ADAMS的曲柄机构虚拟样机运动仿真[J].制造业信息化, 2009 (2) :111-112.
[4]高大华, 胡晓兵.基于ADAMS的六自由度关节型搬运机器人运动学仿真分析[J].现代设计与先进制造技术, 2010, 39 (1) :37-40.
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