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摘要本文主要介绍了虚拟样机技术在机械设计教学中的应用,利用ADAMS软件模拟仿真机构运动的详细过程,增加学生学习的感性认识,调动学生的学习兴趣,对教学有很大的现实意义。
中图分类号:G71文献标识码:A
1 虚拟样机技术
随着世界经济和科学技术的飞速发展,全球性的市场竞争日益激烈。为了提高产品竞争力,就要求各类制造企业以最短的产品开发时间(Time)、最优的产品质量(Quality)、最低的生产成本(Cost)和最佳的服务(Service)来赢得用户和市场,而且要求产生尽可能少的污染环境(Environment)。虚拟样机技术(Virtual Prototyping Technique)就是在这样的背景下产生。①
虚拟样机技术②就是采用计算机仿真与虚拟技术,在计算机上通过CAD/CAM/CAE等技术将产品的资料集成到一个可视化的环境中,实现产品的仿真、分析。虚拟样机技术的特点是有直观性和虚拟性,在计算机中直观形象地再现机构的运动过程,并能输出相应的工作曲线,使机构运动一目了然,给人留下印象深刻。
虚拟样机技术的应用就是通过界面友好、功能强大、性能稳定的商品化虚拟样机技术软件来实现的。ADAMS是世界上应用最广泛最具有权威的机械系统动力学仿真分析软件。利用ADAMS软件,首先建立机械系统几何模型,然后施加力/力矩和运动激励,最后执行一组与实际状况十分接近的运动仿真,就能得到机构运动的情况。
2 虚拟样机技术被引入机械设计教学的意义
机械设计是一门专业基础课,理论性和实践性都很强的,是机械类专业的主干课程,在教学中具有承上启下的作用,所以让学生掌握这门课程具有非常重要的意义。这门课程主要研究机构的运动学和动力学。目前对机构进行运动学、动力学研究常采用图解法或是解析法。③④图解法虽然比较形象直观,方法简便,但精度不高,多用于机构较少的平面机构,一张图只能反映一个位置,对运动的整个过程描述比较困难。解析法的特点是先建立已知参数和待求参数之间的数学模型,然后再借助计算机求解,但当机构尺寸参数发生变化时,必须重新建模,工作量较大。因而学生在学习机械过程中,对机构运动分析过程把握不准以及对机构运动过程抽象思维要求较高,使许多学生在学习过程中望而生畏;要花费大量的时间分析繁琐的机构运动,在很大程度上抑制了学生学习这门课程的兴趣,因而在教学过程中不妨引入虚拟样机技术。利用三维软件建立机械系统的几何模型,在ADMAS软件中施加机构运动约束,执行一组与实际相关的运动,可以再现机构实际的运动情况,输出运动曲线说明机构运动的特性,检验与理论推导是否一致,并计算出构件在任意时刻的位置、速度和加速度,同时确定引起系统及其各构件运动所需的作用力及反作用力,这样展现在学生面前的是将一副栩栩如生的机构运动实况,他们就有身临其境的感觉,在观看机构动态运动过程中更好掌握和理解机械设计理论知识,为以后的课程设计打下坚实的基础。
3 虚拟样机技术在机械设计教学中的应用
本文以曲柄滑块机构运动⑤为例,在机构运动过程中引入虚拟样机技术,使学生们在计算机上模拟真实的机构运动的环境中学习曲柄滑块运动的相关原理。
3.1 建立机构的几何模型
机械系统的几何模型可以在ADAMS ⑥⑦⑧软件直接建模,也可以用其他三维软件进行建模,如UG、Pro/E、Solidworks。ADAMS软件相对其他三维CAD软件,建模功能比较薄弱,一些较复杂的零件模型只能借用第三方三维CAD软件建模。如图1所示曲柄滑块机构的几何模型(因为这个模型比较简单,直接在ADAMS软件创建,也可以在其他CAD软件中建模)。
图1曲柄滑块的几何模型
3.2 将机构几何模型导入ADAMS
如果用UG、Pro/E、Solidworks软件建立的几何模型,要以IGS格式、Step格式、Parasolid格式导入ADAMS。在导入时要注意以下三点:
(1)根据运动副对模型进行简化,各个零件之间的运动要清楚。如定轴转动机构,导入时可以删除转动轴,因为在ADAMS软件里添加的转动副,就相当于定轴转动的概念。
(2)在不影响视觉效果的前提下,模型外形应尽量简化。由于ADAMS在进行运动学、动力学求解时,只考虑零件的质心和质量,而对零件的外部形状(除工作面)不予考虑,因此在模型中精确地描述出复杂的零件外形,并没有多大的意义。当然,零件形状描述得越准确,ADAMS自动求解的零件质量和质心位置也就越精确,但这会大大降低ADAMS仿真和分析的运行效率,是以牺牲运算时间为代价的,因而在模型初步求解时,可以忽略一些不必要的形状。等到仿真设计结束后,重新在三维设计软件对零部件外形进行精确修正。
(3)多个零件固结时,可以只用一个零件表示,以节省运动副数量。因为运动链越长,计算误差就越大。如螺栓联接件、机架等等。因为这些零件的存在与否,并不影响机构在ADAMS中的装配位置与运动仿真,可一旦存在于ADAMS软件中,会大大提高计算机的运算量,增加运算时间,甚至可能造成运算溢出错误。
3.3 施加机构约束
根据机构实际的运动情况,添加约束。如图2所示的曲柄滑块的运动学模型,曲柄绕机架相对转动,曲柄与连杆的相对转动,连杆与滑块的相动转动,添加转动副;滑块在机架上滑动,添加移动副。
图2曲柄滑块的运动学模型
3.4 模拟仿真机构运动
如图所示,曲柄滑块机构模拟仿真运动时,输出滑块的位移和速度曲线。图上小圈表示曲柄逆时针运动到某一时刻时,机构构件的相对位置以及滑块对应的位移和速度。
图3曲柄滑块的运动仿真
3.5 运动输出
ADAMS软件可以输出AVI视屏文件,也可以将其转化成gif格式,然后添加到幻灯片中,就能在教学过程中自如地引用,供学生参考、学习。
以上五大步骤就是将虚拟样机技术引入到机械设计教学中的具体过程。
4 小结
受现实条件的限制,我们不可能对《机械设计》这门课程中所涉及到的机构进行一一的实验。运用虚拟样机技术,可以将这些机构及其运动展现出来,相当于把现场搬入了课堂,给学生一个全面清楚认识的过程,弥补他们实践经验不足带来的问题,感性认识效果相当不错;利用计算机仿真分析复杂机构系统的运动学和动力学性能,可以使学生了解现代计算机辅助机械设计的高效、直观、快捷的特点,从而提高他们的学习积极性。当然还将ADAMS运用到其他课程中去,进行模拟仿真试验,这样可以節省很大量资金,尤其是一些试验设备昂贵、工作环境危险的领域。更主要的是ADAMS软件对专业技能要求不是很高,是一种商品化了的产品,只需要使用者有一些最基本的理论知识,学会操作软件就行,所以只需要发挥一下拿来精神,就能使用,因而将虚拟样机技术应用到机械设计课程中来是十分可行的,也非常具有现实意义的。
综上所述,将虚拟样机技术引入机械设计这门课程中,一方面可以增加教学效果,另一方面能激发学生学习的兴趣,将教学的效果提高到一个新的台阶。
注释
①熊光楞,郭斌,陈晓波.协同仿真与虚拟样机技术[M].北京:清华大学出版社,2004:169-191.
②郑凯,胡仁喜,陈鹿民.ADAMS 2005机械设计高级应用实例[M].北京:机械工业出版社,2006:2-8.
③⑤徐锦康,周国民,刘极峰.机械设计[M].北京:机械工业出版社,2006:27-52.
④邹慧君.机械系统设计原理[M].北京:科学出版社,2003:16-32.
⑥Mechanical Dynamics Inc. Road Map to ADAMS/View Documentation,2000.
⑦Mechanical Dynamics Inc. Road Map to ADAMS/Solver Documentation,2000.
⑧Mechanical Dynamics Inc. Using ADAMS/PostProcessor,2000.
中图分类号:G71文献标识码:A
1 虚拟样机技术
随着世界经济和科学技术的飞速发展,全球性的市场竞争日益激烈。为了提高产品竞争力,就要求各类制造企业以最短的产品开发时间(Time)、最优的产品质量(Quality)、最低的生产成本(Cost)和最佳的服务(Service)来赢得用户和市场,而且要求产生尽可能少的污染环境(Environment)。虚拟样机技术(Virtual Prototyping Technique)就是在这样的背景下产生。①
虚拟样机技术②就是采用计算机仿真与虚拟技术,在计算机上通过CAD/CAM/CAE等技术将产品的资料集成到一个可视化的环境中,实现产品的仿真、分析。虚拟样机技术的特点是有直观性和虚拟性,在计算机中直观形象地再现机构的运动过程,并能输出相应的工作曲线,使机构运动一目了然,给人留下印象深刻。
虚拟样机技术的应用就是通过界面友好、功能强大、性能稳定的商品化虚拟样机技术软件来实现的。ADAMS是世界上应用最广泛最具有权威的机械系统动力学仿真分析软件。利用ADAMS软件,首先建立机械系统几何模型,然后施加力/力矩和运动激励,最后执行一组与实际状况十分接近的运动仿真,就能得到机构运动的情况。
2 虚拟样机技术被引入机械设计教学的意义
机械设计是一门专业基础课,理论性和实践性都很强的,是机械类专业的主干课程,在教学中具有承上启下的作用,所以让学生掌握这门课程具有非常重要的意义。这门课程主要研究机构的运动学和动力学。目前对机构进行运动学、动力学研究常采用图解法或是解析法。③④图解法虽然比较形象直观,方法简便,但精度不高,多用于机构较少的平面机构,一张图只能反映一个位置,对运动的整个过程描述比较困难。解析法的特点是先建立已知参数和待求参数之间的数学模型,然后再借助计算机求解,但当机构尺寸参数发生变化时,必须重新建模,工作量较大。因而学生在学习机械过程中,对机构运动分析过程把握不准以及对机构运动过程抽象思维要求较高,使许多学生在学习过程中望而生畏;要花费大量的时间分析繁琐的机构运动,在很大程度上抑制了学生学习这门课程的兴趣,因而在教学过程中不妨引入虚拟样机技术。利用三维软件建立机械系统的几何模型,在ADMAS软件中施加机构运动约束,执行一组与实际相关的运动,可以再现机构实际的运动情况,输出运动曲线说明机构运动的特性,检验与理论推导是否一致,并计算出构件在任意时刻的位置、速度和加速度,同时确定引起系统及其各构件运动所需的作用力及反作用力,这样展现在学生面前的是将一副栩栩如生的机构运动实况,他们就有身临其境的感觉,在观看机构动态运动过程中更好掌握和理解机械设计理论知识,为以后的课程设计打下坚实的基础。
3 虚拟样机技术在机械设计教学中的应用
本文以曲柄滑块机构运动⑤为例,在机构运动过程中引入虚拟样机技术,使学生们在计算机上模拟真实的机构运动的环境中学习曲柄滑块运动的相关原理。
3.1 建立机构的几何模型
机械系统的几何模型可以在ADAMS ⑥⑦⑧软件直接建模,也可以用其他三维软件进行建模,如UG、Pro/E、Solidworks。ADAMS软件相对其他三维CAD软件,建模功能比较薄弱,一些较复杂的零件模型只能借用第三方三维CAD软件建模。如图1所示曲柄滑块机构的几何模型(因为这个模型比较简单,直接在ADAMS软件创建,也可以在其他CAD软件中建模)。
图1曲柄滑块的几何模型
3.2 将机构几何模型导入ADAMS
如果用UG、Pro/E、Solidworks软件建立的几何模型,要以IGS格式、Step格式、Parasolid格式导入ADAMS。在导入时要注意以下三点:
(1)根据运动副对模型进行简化,各个零件之间的运动要清楚。如定轴转动机构,导入时可以删除转动轴,因为在ADAMS软件里添加的转动副,就相当于定轴转动的概念。
(2)在不影响视觉效果的前提下,模型外形应尽量简化。由于ADAMS在进行运动学、动力学求解时,只考虑零件的质心和质量,而对零件的外部形状(除工作面)不予考虑,因此在模型中精确地描述出复杂的零件外形,并没有多大的意义。当然,零件形状描述得越准确,ADAMS自动求解的零件质量和质心位置也就越精确,但这会大大降低ADAMS仿真和分析的运行效率,是以牺牲运算时间为代价的,因而在模型初步求解时,可以忽略一些不必要的形状。等到仿真设计结束后,重新在三维设计软件对零部件外形进行精确修正。
(3)多个零件固结时,可以只用一个零件表示,以节省运动副数量。因为运动链越长,计算误差就越大。如螺栓联接件、机架等等。因为这些零件的存在与否,并不影响机构在ADAMS中的装配位置与运动仿真,可一旦存在于ADAMS软件中,会大大提高计算机的运算量,增加运算时间,甚至可能造成运算溢出错误。
3.3 施加机构约束
根据机构实际的运动情况,添加约束。如图2所示的曲柄滑块的运动学模型,曲柄绕机架相对转动,曲柄与连杆的相对转动,连杆与滑块的相动转动,添加转动副;滑块在机架上滑动,添加移动副。
图2曲柄滑块的运动学模型
3.4 模拟仿真机构运动
如图所示,曲柄滑块机构模拟仿真运动时,输出滑块的位移和速度曲线。图上小圈表示曲柄逆时针运动到某一时刻时,机构构件的相对位置以及滑块对应的位移和速度。
图3曲柄滑块的运动仿真
3.5 运动输出
ADAMS软件可以输出AVI视屏文件,也可以将其转化成gif格式,然后添加到幻灯片中,就能在教学过程中自如地引用,供学生参考、学习。
以上五大步骤就是将虚拟样机技术引入到机械设计教学中的具体过程。
4 小结
受现实条件的限制,我们不可能对《机械设计》这门课程中所涉及到的机构进行一一的实验。运用虚拟样机技术,可以将这些机构及其运动展现出来,相当于把现场搬入了课堂,给学生一个全面清楚认识的过程,弥补他们实践经验不足带来的问题,感性认识效果相当不错;利用计算机仿真分析复杂机构系统的运动学和动力学性能,可以使学生了解现代计算机辅助机械设计的高效、直观、快捷的特点,从而提高他们的学习积极性。当然还将ADAMS运用到其他课程中去,进行模拟仿真试验,这样可以節省很大量资金,尤其是一些试验设备昂贵、工作环境危险的领域。更主要的是ADAMS软件对专业技能要求不是很高,是一种商品化了的产品,只需要使用者有一些最基本的理论知识,学会操作软件就行,所以只需要发挥一下拿来精神,就能使用,因而将虚拟样机技术应用到机械设计课程中来是十分可行的,也非常具有现实意义的。
综上所述,将虚拟样机技术引入机械设计这门课程中,一方面可以增加教学效果,另一方面能激发学生学习的兴趣,将教学的效果提高到一个新的台阶。
注释
①熊光楞,郭斌,陈晓波.协同仿真与虚拟样机技术[M].北京:清华大学出版社,2004:169-191.
②郑凯,胡仁喜,陈鹿民.ADAMS 2005机械设计高级应用实例[M].北京:机械工业出版社,2006:2-8.
③⑤徐锦康,周国民,刘极峰.机械设计[M].北京:机械工业出版社,2006:27-52.
④邹慧君.机械系统设计原理[M].北京:科学出版社,2003:16-32.
⑥Mechanical Dynamics Inc. Road Map to ADAMS/View Documentation,2000.
⑦Mechanical Dynamics Inc. Road Map to ADAMS/Solver Documentation,2000.
⑧Mechanical Dynamics Inc. Using ADAMS/PostProcessor,2000.