基于ProE_Adams_Nastran的装备虚拟设计

《装备制造技术》２００７年第１２期计算机应用!!!!"!"!!!!"!"收稿日期：２００７－１０－１４作者简介：秦成（１９７３—），男，吉林白城人，博士，工程师，研究方向：虚拟制造技术。

基于ＰｒｏＥ／Ａｄａｍｓ／Ｎａｓｔｒａｎ的装备虚拟设计秦成１，赵珍强１，赵怀珠２（１．北京７２２０信箱，北京１０００７２；２．邯郸海工机械厂，河北邯郸０５６００２）摘要：介绍了虚拟技术，并以船用滑梯为例，采用ＰｒｏＥ／Ａｄａｍｓ／Ｎａｓｔｒａｎ进行了装置的联合仿真分析。

关键词：虚拟技术；三维建模；动力学分析中图分类号：ＴＰ３９１．９文献标识码：Ａ文章编号：１６７２－５４５Ｘ（２００７）１２－００５７－０２虚拟制造技术是以计算机三维建模和仿真技术为基础，以虚拟现实技术为支撑的全新的技术，是ＣＡＤ／ＣＡＭ／ＣＡＥ等技术的发展，通过对产品的设计、生产过程统一建模，在计算机上实现产品从设计、加工和装配、检验、使用的整个生命周期的模拟和仿真。

这样，可以在产品的设计阶段就模拟出产品及其性能和制造过程，以此来优化产品的设计质量和制造过程，优化生产管理和资源规划，以达到产品开发周期和成本的最小化，产品设计质量的最优化和生产效率最高化。

实施虚拟设计首先要建立产品的几何模型，几何模型与产品结构设计相对应，是后续一系列过程进行的基础，然后要建立产品的分析模型，分析模型要求支持以保证和提高产品性能为主旨的各种工程分析，如运动学与动力学分析、有限元分析以及与具体产品类型相关联的特性分析等。

本文以船用滑梯为例，采用ＰｒｏＥ／Ａｄａｍｓ／Ｎａｓｔｒａｎ进行了装置的联合仿真分析：首先采用ＰｒｏＥ建立装置的三维模型，将模型导入多体动力学仿真软件Ａｄａｍｓ中进行装置的动力学分析，将Ａｄａｍｓ中计算得到的结果和ＰｒｏＥ三维模型导入到有限元分析软件Ｎａｓｔｒａｎ中，对该船用滑梯的关键部件轨道进行了有限元应力分析。

仿真流程如图１所示。

图１船用滑梯联合仿真示意图１ＰｒｏＥ建模及装配分析在ＰｒｏＥ中完成船用滑梯的零件建模，根据实际的装配关系对零件进行装配，得到如图２所示的装配图。

对装配文件进行零件干涉分析检验，以便及时发现问题并更改零件设计。

通过ＰｒｏＥ和Ａｄａｍｓ的接口软件Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ／Ｐｒｏ生成刚体和一些简单约束后，将建立的三维实体模型及装配转换到Ａｄａｍｓ环境下进一步完善模型的定义，如果模型定义不当，还要返回前面各步进行相应修改。

应注意以下几个问题：（１）通过Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ／Ｐｒｏ将ＰｒｏＥ中的零件图转换至Ａｄａｍｓ下可作为刚体进行分析的ｓｈｅｌｌ时，会出现部分几何特征缺失，如圆变成了多边形，旋转体的轴线丢失等，故能在Ｍｅｃｈａ－ｎｉｓｍ／Ｐｒｏ下添加的约束尽量在Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ／Ｐｒｏ下添加（便与利用ＰｒｏＥ下图形的一些几何特征进行约束添加），一些必需在Ａｄａｍｓ下添加的复杂约束，也可预先在Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ／Ｐｒｏ中生成一些重要的参考特征（如Ｍａｒｋｅｒ和Ｃｕｒｖｅ等）。

（２）模型转换的默认精度为３，为了提高Ａｄａｍｓ环境下图形的质量，可以适当提高转换精度（最高精度为１０）。

（３）ＰｒｏＥ建模过程中应特别注意单位和密度的设定。

考虑到与Ａｄａｍｓ的结合，“ｍｍ，Ｋｇ，Ｎｅｗｔｏｎ”的单位方案是一个较好的选择。

对每个零部件都要具体设计密度，利用提供的工具可自动计算零部件的质量和转动惯量。

图２采用ＰｒｏＥ建立的船用滑梯装配图２Ａｄａｍｓ动力学分析此处运用Ａｄａｍｓ进行动力学分析的主要目的是研究该船用滑梯自由端在对方船上的运动轨迹范围，以便确定所需的面积，同时计算轨道的约束反力作为下步有限元分析的边界条输出有限元分析结果输出动力学仿真结果零件的运动关系及相互作用力Ａｄａｍｓ进行动力学仿真Ｎａｓｔｒａｎ中进行应力／应变及模态分析质量文件／ＩＧＥＳ文件Ｐｒｏ／Ｅ建模５７ＥｑｕｉｐｍｅｎｔＭａｎｕｆａｃｔｒｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＮＯ．１２，２００７［下转第６７页］件。

因此，此处通过对加装船和对方船运动规律的设定，进行船用滑梯的动力学仿真。

该船用滑梯的设计海况为３级，为了研究最恶劣情况，对方船的升沉幅值采用３级海况的最大Ｈ１／３浪高１．２５ｍ，加装船升沉幅值暂取为１ｍ；加装船和对方船的平移运动最大幅值分别取为１ｍ，１ｍ和２ｍ，１．５ｍ；加装船和对方船的横摇角分别取５°和７°；升沉、平移和横摇的运动分别采用正弦、余弦函数来表示，周期都取为８ｓ。

加装船：ｚ１＝１．２５ｓｉｎ（２!８ｔ＋ｚ０１）ｙ１＝１．０ｃｏｓ（２"８ｔ＋ｙ０１）ｘ１＝１．０ｓｉｎ（２#８ｔ＋ｘ０１）$１＝５１８０%ｓｉｎ（２&８ｔ＋’２!##########"##########$）对方船：ｚ２＝１．２５ｃｏｓ（２(８ｔ＋ｚ０２）ｙ２＝２．０ｓｉｎ（２)８ｔ＋ｙ０２）ｘ２＝１．５ｃｏｓ（２*８ｔ＋ｘ０２）+２＝７１８０,ｃｏｓ（２-８ｔ＋.２!##########"##########$）式中ｘ，ｙ，ｚ，为三个坐标方向的位移（单位：ｍ）；θ为横摇角（单位：°）；ｘ０，ｙ０，ｚ０为初始位移（单位：ｍ）；φ为横摇初始相位角（单位：°）；ｔ为时间（单位：ｓ）；下标“１”为加装船，下标“２”为对方船。

进行动力学分析，得到该船用滑梯的运动仿真结果：该装置自由端在对方船上的沿ｘ和ｙ两个坐标轴方向的运动轨迹范围，如图３所示，在此基础上，通过软件测量可得到该船用滑梯中自由端的约束反力。

图３采用Ａｄａｍｓ进行船用滑梯动力学分析３Ｎａｓｔｒａｎ有限元分析有限元建模和计算采用ＭＳＣ．Ｐａｔｒａｎ和ＭＳＣ．Ｎａｓｔｒａｎ软件完成。

将滑梯的关键部件轨道的ＰｒｏＥ模型通过ＭＳＣ．Ｐａｔｒａｎ的ＰｒｏＥ接口导入到ＭＳＣ．Ｐａｔｒａｎ中，采用Ｔｅｔ１０三维实体单元进行轨道的网格划分，总体坐标系采用笛卡尔右手直角坐标系，Ｘ方向为沿轨道方向，Ｙ方向为垂直轨道方向，轨道的有限元网格和坐标系如图４所示。

图４轨道的网格划分轨道材料选用普通钢，其弹性模量为２１０ＧＰａ，泊松比为０．３；将Ａｄａｍｓ中计算得到的约束反力施加到轨道上，在ＭＳＣ．Ｐａｔｒａｎ中调用ＭＳＣ．Ｎａｓｔｒａｎ软件进行伸缩轨道的静强度和刚度计算，得到轨道的应力分布云图见图５，应变分布云图见图６。

图５轨道的应力分布云图图６轨道的应变云图上采用ＰｒｏＥ／Ａｄａｍｓ／Ｎａｓｔｒａｎ对装置进行了联合仿真分析。

此外，还可进行进一步的分析，如对关键部件进行模态分析，以确定部件的振动特性，如固有频率和振型等，进行谐响应分析、瞬态动力学分析以及谱分析等动力学特性分析，在此基础上对装置的强度、刚度、稳定性、疲劳及可靠性等进行评价，进行装置的优化设计，检验装备结构和各项参数的合理性，以便及早发现设计缺陷，保证装备性能和结构达到预期设计目的。

４结束语以船用滑梯为例，采用ＰｒｏＥ／Ａｄａｍｓ／Ｎａｓｔｒａｎ进行了装置的联合仿真分析：采用ＰｒｏＥ进行装置的三维建模及装配分析，并将实体模型导入Ａｄａｍｓ中，进行装置在３级海况下的运动学及动力学分析，得到装置的运动轨迹范围，并将计算得到的轨道的约束反力作为边界条件导入到Ｎａｓｔｒａｎ中对轨道进行了有５８《装备制造技术》２００７年第１２期!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!［上接第５８页］限元应力分析。

这种仿真分析模式可用于装备的虚拟设计。

参考文献：［１］［２］［３］［４］［５］ＶｉｒｔｕａｌＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＢａｓｅｄｏｎＰｒｏＥ／Ａｄａｍｓ／ＮａｓｔｒａｎＱＩＮＣｈｅｎｇ１，ＺＨＡＯＺｈｅｎ－ｑｉａｎｇ１，ＺＨＡＯＨｕａｉ－ｚｈｕ２（１．Ｐ．Ｏｂｏｘ７２２０，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００７２，Ｃｈｉｎａ；２．ＨａｎｄａｎＨａｉｇｏｎｇＭａｃｈｉｎｅｒｙ，ＨａｎｄａｎＨｅｂｅｉ０５６００２，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＴｈｅｃｏｒｒｅｌａｔｉｖｅｃｏｎｃｅｐｔｏｆＶｉｒｔｕａｌＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇｉｓｄｉｓｃｕｓｓｅｄｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ａｎｄｔｈｅｎｔｈｅａｓｓｏｃｉａｔｅｄａｎａｌｙｓｉｓｂｙＰｒｏＥ／Ａｄａｍｓ／Ｎａｓ－ｔｒａｎｉｓｇｉｖｅｎｆｏｒｍａｒｉｎｅｌｉｆｔ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｖｉｒｔｕａｌｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ；ｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｍｏｄｅｌｉｎｇ；ｄｙｎａｍｉｃａｎａｌｙｓｉｓ肖田元．虚拟制造［Ｍ］．北京：清华大学出版社，２００４．王国权，等．虚拟试验技术［Ｍ］．北京：电子工业出版社，２００４．孙江宏，等．Ｐｒｏ／Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ结构分析与运动仿真［Ｍ］．北京：中国铁道出版社，２００４．陈立平，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．隋允康，等．ＭＳＣ．Ｎａｓｔｒａｎ有限元动力分析与优化设计实用教程［Ｍ］．北京：科学出版社，２００４．数不变，改变等分数，取ｎ＝２０，得Ｓ＇＝２６４４．８８８９；ｎ＝６０时，Ｓ＇＝２６２５．６７２７。

可以看出随着等分数的增加，曲面展开的面积逐渐逼近真实值。

图６Ｐ０点坐标的输入方法图７输出图５方圆段钣金展开ＡｕｔｏＬｉｓｐ编程的意义用ＡｕｔｏＬｉｓｐ语言编写展开曲面的计算机程序，其工程实际意义是显著的：（１）只要将等分数取足够大，可将曲面展开的精度提高到所需要的任意程度；（２）当零件的任一几何参数发生变化时，只要在命令行输入需要改变的参数，则即刻生成高精度的曲面展开放样图，这样减轻了工程技术人员的劳动强度，生产效率也得到提高；（３）若将所编程序经过计算机接口技术，直接发送到数控等离子切割机上进行实用下料。

这一方面会减少重复性工作、缩短制造周期，另一方面可避免从设计到放样等各个环节人为出错的可能性。

６结束语钣金展开是冷作、钣金制件中重要的一环，只有准确地求出钣金件的展开图，才能制造出精度高的钣金产品。

笔者以方圆段的展开为例，介绍了从传统的角规法到采用ＡｕｔｏＣＡＤ软件作图，再到通过计算机编程直接输出展开放样图。

可以看到钣金展开软件开发不但大大减轻了操作者的劳动强度，缩短了生产周期，并使产品合格率接近１００％，其优越性是人工放样所无法相比的。

目前市场上已有各种钣金展开应用软件，相信在钣金展开这一领域引入快速发展的计算机技术，会使这一领域的发展有更广阔的前景。

参考文献：［１］［２］［３］［４］［５］［６］ＴｈｅＰｒｏｇｒａｍｍｅＭｅｔｈｏｄｆｏｒＳｐｕａｒｅ－ｃｉｒｃｌｅＲｅｄｕｃｅｒＳｈｅｅｔｍｅｔａｌＵｎｆｏｌｄＤＯＮＧＪｕ－ｍｅｉ，ＷＡＮＧＱｉｎｇ－ｍｉｎｇ（ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌａｎｄＰｏｗｅｒＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＥａｓｔＣｈｉｎａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ２００２７３，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＧｅｏｍｅｔｒｉｃａｌｍｏｄｅｌｏｆｓｑｕａｒｅｔｏｃｉｒｃｌｅｒｅｄｕｃｅｒｐｉｐｅｉｓｇｅｎｅｒａｌｌｙｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄｔｈｒｏｕｇｈＡｕｔｏＣＡＤｓｏｆｔｗａｒｅ．Ｍａｔｈｍａｔｉｃａｌｕｎｆｏｌｄｉｎｇｍｏｄ－ｅｌｏｆｓｑｕａｒｅｔｏｃｉｒｃｌｅｒｅｄｕｃｅｒｐｉｐｅｉｓｐｒｅｓｅｎｔｅｄｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ．ＡｎｄｉｔｓｐｒｏｇｒａｍｍｅｉｓｃｒｅａｔｅｄｂｙＡｕｔｏＬｉｓｐ．Ｓｏｕｎｆｏｌｄｉｎｇｍｏｄｅｌｏｆｓｑｕａｒｅｔｏｃｉｒｃｌｅｒｅｄｕｃｅｒｐｉｐｅｃａｎｂｅｒｅａｌｉｚｅｄｂｙｐａｒａｍｅｔｅｒｄｒａｗｉｎｇ．Ｔｈｉｓｉｓｎｏｔｏｎｌｙｍｏｒｅｅｆｆｉｃｉｅｎｔ，ｂｕｔａｌｓｏｍｏｒｅａｃｃｕｒａｔｅ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｓｑｕａｒｅｔｏｃｉｒｃｌｅｒｅｄｕｃｅｒｐｉｐｅ；Ｓｈｅｅｔｍｅｔａｌｕｎｆｏｌｄ；ＡｕｔｏＣＡＤ；ＡｕｔｏＬｉｓｐ王景良．钣金展开入门与提高［Ｍ］．北京：冶金工业出版社，２００２．梁绍华．新编钣金展开计算计算实用手册［Ｍ］．北京：机械工业出版社，２００３．翟洪绪，翟纯雷．实用钣金展开计算方法［Ｍ］．北京：化学工业出版社，２０００．梁雪春，崔洪斌，吴义忠，曹康．ＡｕｔｏＬｉｓｐ语言基础教程［Ｍ］．北京：人民邮电出版社，１９９８．袁筱麟．板金展开计算机放样技术［Ｊ］．化工建设工程，２００２，（１）４０－４１．阮五洲．Ａｕｔｏｃａｄ在板金展开中的应用［Ｊ］．机床与液压，２００４，（９）：１６１－１６２．６７。