第8卷第3期
2010年9月中 国 工 程 机 械 学 报CH INESE JOURNAL OF CONSTRU CT ION MACH INERY Vol.8No .3 Sep .2010
基金项目:国家自然科学基金资助项目(50905029)
作者简介:鲁 明(1985-),男,助理工程师.E -mail:beyond_55@https://www.doczj.com/doc/0617118742.html,
基于刚柔耦合的导轨滑块移动副建模
鲁 明1,胡聪良2,孙 伟1,冯 霏1,邱 晨1
(1.东北大学机械工程与自动化学院,辽宁沈阳 110004; 2.中冶集团铜锌有限公司,北京 100028)
摘要:以导轨滑块机构为例,讲述了其刚柔耦合仿真的具体实现方法.首先在So lidWo rks 中建立导轨滑块三维
模型,然后在AN SYS 中生成导轨柔性体的模态中性文件,通过软件接口导入到A DA M S 中,从而得到所需的柔
性体,将滑块设为刚体,生成柔性多体动力学模型,为精确进行动力学仿真和实际物理样机的制造提供了基础.
关键词:柔性体;刚柔耦合;导轨滑块;动力学
中图分类号:T H 113 文献标识码:A 文章编号:1672-5581(2010)03-0279-03
Rai-l slider -pair modeling based on rigid -flexible coupling
LU Min g 1,HU Conglia ng 2,S UN Wei 1,FENG Fei 1,QIU Chen 1
(1.Sc hool o f Mec hanic al Engine ering &Automa tion,Northeaste rn Unive rsity,Shenyang 110004,C hina ;
2.C hina Meta llurgic al Gro up Co rporatio n Tongsin Resourc es Limited Compa ny,Beijing 100028,China )
Abstract :With regard to the rai-l slider mechanism,the simulation and implementation on rigid -flexible coupling are depicted.Firstly,a 3D model for rai-l slider pair is established SolidWorks TM .Then,a modal neutral file for rail flexible -body is generated by and imported into ANSYS TM via software interface.In this way,the slider is treated as a rigid body so as to develop a dynamical flexible mult-i body model.As such,this approach provides a basis on accurate dynamical simulation and physical prototyping.
Key words :flexible body;rigid -flexible coupling;rail slider;dynamics
近年来,数控机床朝着高速度、高精度、高性能、高柔性化和模块化方向发展,这使系统中某些零部件的弹性变形在运行中不能被忽略.虚拟样机技术的不断发展,为此项工作提供了很好的研究手段[1].该技术将分散的零部件设计和分析技术揉合在一起,在计算机上建造出产品的整体模型,并能模拟各种工况进行仿真分析,预测产品的整体性能,进而改进设计,提高性能.随着计算机技术及现代设计方法的改进,建立数控机床虚拟样机是可行的.
真实机构在运行中表现出柔性体特征,一方面,机械构件的弹性变形将显著地影响其运动学、动力学特性;另一方面,机械构件的大范围高速运动加剧了构件的弹性变形.这两种因素相互影响,相互作用,使机械构件的运动学、动力学、刚度、强度呈现出全新的面貌.它不同于刚体动力学或弹性力学所描述的规律,也不是二者的简单叠加.因此单纯地运用刚体动力学或弹性力学都无法准确描述构件的力学行为,而必须采用柔体系统动力学才能描述其力学特性[2].故在研究和分析的基础上,针对系统内部构件刚性差异较大的特点,提出基于刚柔耦合方法的多种软件协作的机床虚拟样机建模技术.很多学者[3~5]对此有相关的论述.借助成熟、可靠的现有软件ADAM S,AN SYS,SolidWo rks 进行整机系统建模与仿真,可避免对模型的大量简化而引起的结果误差,也降低了微分运动方程的求解难度.
数控机床中含有导轨滑块机构,其变形直接关系到机床性能.故实现导轨滑块移动副的刚柔耦合仿
中 国 工 程 机 械 学 报第8卷 真,能更好的提高虚拟样机技术的准确性.本文以导轨滑块为例,借助ADAM S,AN SYS,SolidWo rks 软件,阐述了导轨滑块移动副的刚柔耦合实现方法.
1 多体系统动力学理论
多体系统动力学理论是虚拟样机技术的核心理论[6],包含多刚体系统动力学和多柔体系统动力学.多刚体系统动力学主要解决多个刚体组成的系统动力学问题,各构件间可以有较大的相对运动.多柔体系统动力学可看做多刚体系统动力学的自然延伸,一般以多刚体系统动力学的研究为基础,对系统中的柔性体进行不同的处理.
常见的处理方法有离散法、模态分析法、形函数法和有限单元法等.柔性体的运动方程从下列拉格朗日方程[7]导出:d d t 9L 9N #-9L 9N +9
#9N #+979N T K -Q =0
式中:L 为拉格朗日项,定义为L =T -W ,T 和W 分别为动能和势能;N 为广义坐标;#为能量损耗函数;7为约束方程;K 为对应于约束方程的拉氏乘子;Q 为投影到N 上的广义力.
代入各项,得到最终的运动微分方程为
M N ##+M #N #-129M 9N
N #T N #+K N +f g +D N #+979N T K =Q 式中:M ,M #分别为柔性体的质量矩阵及其对时间的导数;N ,N #,N ##分别为柔性体的广义坐标及其时间导数;
9M 9N
为质量矩阵对柔性体广义坐标的偏导数,它是一个(m +6)@(m +6)@(m +6)维张量,m 为模态数.图1 导轨滑块装配图
Fig.1 Assembly d iagram o f
rail and carriage 2 三维建模建立
在SolidWo rks 中分别建立导轨和滑块的零件图,建立装配图,
如图1所示.滑块下表面及导轨上表面留有空隙,因为刚性点不能
建在导轨面上,需偏离一些.将导轨及装配体文件另存为Par asolid
格式,用于导入A DAM S 和ANSYS.3 模态中性文件生成
对于柔性部件的建立,可由ADAM S 中由Auto/Flex 模块生成;也可由其他有限元软件生成中性文件,借助其与动力学分析软件的接口导入.本文采用第二种方法.对于模态中性文件的生成方法,可以通过Mass21单元+刚性区域的方法,也可采用Beam 4蜘蛛网梁单元法.本文采用前者.导轨柔性体模态中性文件生成的具体步骤如下:
图2 导轨柔性体模型Fig.2 Flexib le mo del of rail
(1)选取单元:将导轨导入ANSYS 中,选取单元.
(2)定义材料属性:包括杨氏模量、泊松比和密度.
(3)设置实常数:将Mass21的实常数取小值.
(4)定义刚性点:用于添加约束及载荷.对于移动副,刚性点不
能添加到物体表面,故偏离导轨上表面一些距离添加9个刚性点,
用于承受滑块所施加的载荷;下表面建6个刚性点,用于添加约束.
(5)划分网格:将导轨及刚性点划分网格,划分后的网格如图2
所示.
(6)建立刚性区域:其用来传递外部连接点的力和力矩,否则连接节点单元将发生很大变形,造成仿真结果失真.280
第3期鲁 明,等:基于刚柔耦合的导轨滑块移动副建模
(7)输出模态中性文件:在生成模态中性文件时,应注意提取适合的模态数.
4 刚柔耦合模型建立
将生成的模态中性文件导入ADAMS 中,然后通过模型检查,没有错误信息就可用进行多柔体动力学分析.将装配体导入ADAMS.将生成的柔性体替换模型中的刚体.添加哑物体[8].其为质量和转动惯量为0的图3 导轨滑块刚柔耦合模型Fig.3 Rigid -flex ib le c oup ling mo del of rail and carriage
物体,作用在于联接并传递力和力矩,不会添加系统自由度.在
导轨和滑块的间隙处,刚性点附近建立9个哑物体,其可为球
体和六面体,本例采用六面体,将其质量及转动惯量设为0.建
立的哑物体通过刚性点分别与柔性体固结在一起.建好的刚柔
耦合模型如图3所示.
添加约束(在导轨下表面的刚性点直接添加)、载荷(滑块
中心加激励载荷)、移动副(滑块和哑物体之间)和驱动.为了
分析稳定,选择刚性稳定算法提供的Constant_BDF 求解器,
其位移、速度求解精度高.求解方法选择I3,其位移精度高.坐
标系参考图2,提取导轨上表面中心点和滑块下表面中心点
的y ,z 向位移,如图4所示
.图4 节点位移图
Fig.4 Displacement d iagram o f nodes
5 结语
基于导轨滑块移动副的刚柔耦合仿真的实现,便可以扩展到数控机床的刚柔耦合虚拟样机的建立中.对于动力学软件ADAM S,刚性点不变的仿真(如转动副),其可以得到较高的精度.而对于在仿真中刚性点改变(如移动副),由于其算法的原因精度差些.最佳的方法是通过二次开发来实现机床虚拟样机的刚柔耦合联合仿真.
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