虚拟样机技术的实现及其在小型甘蔗收割机输送模块设计和仿真中的应用

α文章编号:100127445(2005)0420297205虚拟样机技术的实现及其在小型甘蔗收割机输送模块设计和仿真中的应用蒲明辉,徐锡晨,刘先杰(广西大学机械工程学院,广西南宁530004)摘要:指出虚拟样机技术的实现途径,总结P ro E 和ADAM S 解决方案中使用M echanical P ro 接口的相关问题.作为实例,应用该解决方案,对小型甘蔗收割机输送模块进行了设计和仿真,重点考察辊轮转速及拨片与甘蔗的摩擦系数对物料速度的影响,得出了初步结论,并对物理样机的制造起指导作用.关键词:虚拟样机技术;M echanis m P ro 接口;小型甘蔗收割机中图分类号:TH 122 文献标识码:A随着经济和科学技术的发展,市场竞争日益激烈,企业为了提高竞争力,必须尽快改变产品品种,进行创新性设计,对快速多变的市场需求做出敏捷响应.虚拟样机技术(V irtual P ro to typ ing )就是在这种情况下产生的,目前对其还没有一个确切的定义,就机械工程学而言,它的综合阐述如下:虚拟样机技术是针对测试对象和物理原型进行的一个虚拟制造和仿真的过程,基于虚拟样机技术建立的工程化制造开发模型可以使设计人员访问一个实际物理模型的机械、物理、外观和功能特性的信息[1].图1　建模步骤1　虚拟样机技术虚拟样机技术是一门综合多学科的技术.它以机械系统运动学、动力学和控制理论为核心,加上成熟的三维计算机图形技术和基于图形的用户界面技术,将分散的零部件设计和分析技术(如零部件的CAD 和F lex 有限元分析)集成在一起,提供一个全新研发机械产品的设计方法.它通过设计中的反馈信息不断地指导设计,保证产品寻优开发过程顺利进行.与传统的基于物理样机的设计研发方法相比,虚拟样机设计方法具有以下特点:(1)全新的研发模式.(2)更低的研发成本、更短的研发周期、更高的产品质量.(3)实现动态联盟的重要手段.2　虚拟样机技术的实现虚拟样机技术的核心是虚拟模型的建模和仿真,由于目前没有一种软件同时具有专业CAD 建模和专业动力学仿真的双重功能,通常使用的CAD 软件和动力学仿真软件是不同公司的产品,这就存在两个软件传递数据过程中“有缝联接”的处理问题.目前国内外在这方面一种常见应用方式是美国PTC 公司的P ro E 和美国M SC 公司的ADAM S 组合.所以对于从事复杂机械动力学仿第30卷第4期2005年12月广西大学学报(自然科学版)Journal of Guangxi U niversity (N at Sci Ed )V o l .30,N o.4　D ec .,2005　α收稿日期:20050911;修订日期:20051013基金项目:国家自然科学基金(50365001);广西科技攻关项目(桂科攻关023500825)。

作者简介:蒲明辉(1964),男,广西合浦人,硕士,广西大学副教授,硕士生导师。

真研究的ADAM S 工程师而言,正确处理P ro E 和ADAM S 的传递是确保仿真效果的一项关键技术.对于P ro E 和ADAM S 的传递,用M SC 公司提供的专用接口模块M echan is m P ro 比较方便,而且在很多方面都能实现转换过程中的模型数据转换,其工作步骤如图1所示.虽然P ro E 和ADAM S 在理论意义上是“无缝链接”,但它们是不同公司的产品,两者不同的图形格式导致图形转换时一些图形元素丢失,因此在建模和导入的过程中需要注意一些事项:(1)单位问题　为了模型的装配和顺利地导入ADAM S 中,在P ro E 中创建模型时,首先设定模型的单位,并保证所有模型的单位统一.(2)装配模块问题　在P ro E 的装配模块中尽量不要使用其他A ssem b ly 模块作为子装配.因为如果这样,在M echan is m P ro 中利用A u tom atic 方法生成刚体的时候,子装配的整个机构被ADAM S 系统视为一个刚体,不便于进行动力学仿真工作.当然也可以使用手工定义刚体的方法,逐个选择零件,这要根据系统的零件数量的多少而确定是否使用子装配.(3)模型保存问题　在M echan is m P ro 下将刚体、约束、M arker 点和Fo rce 等创建完成以后,要把模型保存为一个扩展名为.m p r 的文件,方法是点击M echan is m P ro 下的命令F ile Save ,会出现一个DO S 界面和一个对话框,输入文件名,点击确定即可.目的是再次把创建好的模型输入ADAM S 中时,不需要再创建约束、M arker 和Fo rce .(4)模型转换问题　在M echan is m P ro 下定义好模型后导入ADAM S 时,要设定模型的一些转换格式.①Geom etry Q uality 一般情况下,在硬件支持的前提下,Geom etry Q uality 的设定值越高越好,设定范围是3～10,设定为10效果最好.②O u tp u t T yp e O u tpu T ype 有两种即R ender 和SLA .选择任意一种类型均可完成转换目的,但两种选择有些不同,注意到这些不同点有助于样机建模工作进行.首先,转换后,每个零部件均形成一个相关文件(选R ender 格式时零件后缀名为slp ,选SLA 格式时零件后缀名为stl ).同一个零件,同样的转换精度,SLA 格式的文件要小一些,约为R ender 格式文件大小的2 3.其次,选择SLA 格式,转换到ADAM S 环境后,P ro E 环境下零部件的颜色信息会全部丢失;选择R ender 格式,转换到ADAM S 环境后还能保留部分零部件的颜色,保存到了ADAM S 环境中的颜色列表里,可供调用.第三,选择SLA 格式,在ADAM S 环境中,刚体与所属零部件(shell 格式)的隶属关系比较协调.赋予刚体某种颜色,会继承到所属的零部件上;选择R ender 格式,刚体与所属零部件的关系不如前者那样协调,赋予刚体的颜色继承不到所属零部件上,如果同一刚体包含多个零部件,就需要逐一对这些零部件进行着色[2].3　小型甘蔗收割机输送模块的设计与仿真本文使用P ro E ,M echan is m P ro 和ADAM S 组合,对小型甘蔗收割机输送装置进行了设计与仿真分析.该甘蔗收割机是根据广西的甘蔗种植情况,以及地形地貌,借鉴了国内外先进甘蔗收割机技术的基础上开发和研制的.根据甘蔗在收割过程中的工序流程,该收割机由扶蔗模块、砍蔗模块、喂入模图2　输送装置块、输送模块、断尾模块和剥叶模块等模块组成.甘蔗收割机在工作时应保证甘蔗在收割的过程中输送顺畅,不允许发生甘蔗的阻塞.因此,输送模块的输送效率对收割机的性能起到重要的影响,其设计应可靠和有效,能使甘蔗能顺利、及时地通过收割机各组成模块,其中的一个重要设计指标是甘蔗的输送速度,即物流速度[3].3.1　输送模块的设计输送模块位于喂入模块和断尾模块之间,按上述的要求,在P ro E 环境下设计出如图2所示的输送装置.该装置主要由一对输892广西大学学报(自然科学版)第30卷　送辊组成,每个辊上有八片弹性材料做成的拨片沿圆周均匀分布其上.工作时辊轴带动拨片旋转,两个辊轮上的拨片夹住甘蔗,通过摩擦力带动甘蔗往后运动.3.2　输送模块的仿真为考察装置的辊轮转速、拨片与甘蔗摩擦系数对甘蔗输送速度的影响,应用M echan is m P ro 接口把模型从P ro E 转到ADAM S 中,并进行仿真分析,仿真模型见图3.已知甘蔗在收割过程中的物流的速度V 2=3.68×103mm s ,假设拨片不变形,甘蔗与拨片间无滑移,其外圆周半径R =140 2=70(mm ),见图4,则辊轮的角速度W =V 2 R = 3.68×10370=52.6(rad s ).换算成转速n =w 2Π=52.6 2Π=8.37(r s ).甘蔗与拨片材料间的摩擦系数,参考尼龙对尼龙的摩擦系数数,即动摩擦系数U S =0.13,静摩擦系数U d =0.09.图3　输送装置仿真模型图4　辊轮结构图仿真结果曲线见图5,从曲线上测得甘蔗的移动速度V 2= 1.60×103mm s ,比设计物流速度m us =0.13,m ud =0.09,辊轮转速8.37r s图5　输送装置初始仿真结果3.68×103mm s 要小,说明甘蔗与拨片间有滑移.为达到设计物流速度,并考察辊轮转速对物料速度的992第4期蒲明辉等:虚拟样机技术的实现及其在小型甘蔗收割机输送模块设计和仿真中的应用影响,下面改变辊轮的转速,增加10%,即n =8.37×110%=9.207(r s ).再仿真,结果见图6.从仿真曲线测得甘蔗的移动速度V 2= 1.927×103mm s ,比图5的结果1.60×103mm s 增加20%左右.可见增加辊轮转速对提高物料速度有显著影响,但由于机械结构及使用条件所限,辊轮转速不能无限增大.下面尝试将拨片与甘蔗的摩擦系数增大10%,重新仿真,即U S =0.143,U d =0.099,结果见图7.从仿真结果曲线测得甘蔗得移动速度V 2=1.943×103mm s ,比图5的结果1.60×103mm s 增加21%左右,可见该途径十分有效.再尝试摩擦系数增大10%,U S =0.143,U d =0.099,辊轮的转速增加10%,重新仿真.结果见图8.仿真结果曲线测得甘蔗得移动速度V 2= 1.812×103mm s ,比图5的结果1.60×103mm s 增加13%左右,从中可见同时增大辊轮的转速和摩擦系数得到的结果反而不如分别单独增大辊轮的转速和摩擦系数得到的结果.综上所述,提高辊轮的转速、增大甘蔗与拨片间摩擦系数都能提高物料速度,但提高程度各不相同,综合各种因素考虑,增大甘蔗与拨片间摩擦系数对提高物料速度更加有效并且可行,因此在制作物理样机时尽可能选用与甘蔗间摩擦系数大的材料制作辊轮拨片.m us =0.13,m ud =0.09,辊轮转速9.207r s图6　输送装置增大转速仿真结果m us =0.143,m ud =0.099,辊轮转速8.37r s图7　输送装置仿真结果003广西大学学报(自然科学版)第30卷　m us =0.143,m ud =0.099,辊轮转速9.207r s图8　输送装置仿真结果4　小　结本文指出虚拟样机技术的实现途径,并总结应用P ro E 和ADAM S 解决方案中使用M echan icalP ro 接口的相关问题.文中作为实例,用P ro E 构建小型甘蔗收割机的输送部件的模型,并用M echan ical P ro 接口把模型转入到ADAM S 中进行动力学仿真,重点考察辊轮转速及拨片与甘蔗的摩擦系数对物料速度的影响,得出了初步结论,对物理样机的制造起指导作用.参考文献:[1]　李瑞涛,方　湄,张文明.虚拟样机技术的概念及应用[J ].机电一体化,2000,17(05):17219.[2]　杜中华,薛德庆,赵迎红.P ro E 和ADAM S 传递过程中若干问题的讨论[J ].机械与电子,2003,69(2):68270.[3]　蒙艳玫,李尚平,刘正士,等.甘蔗收获机械关键元件动态试验测试的分析研究[J ].广西大学学报(自然科学版),2004,29(3):2222225.Rea l iza tion of the technology of the v irtua l prototyp i ng and appl ica tion todesign and si m ula te i n the s ma ll -sca le sugar cane harvestertran sporta tion m odulePU M ing 2hu i ,XU X i 2hen ,L I U X ian 2jie(Co llege of M echanical Engineering ,GuangxiU niversity ,N anning 530004,Ch ina )Abstract :T he realizati on app roach of the techno logy of the virtual p ro to typ ing and the p rob lem s of u sing the M echan is m P ro to inpu t date from P ro E to ADAM S are discu ssed .A s an exam p le fo r the com b inati on of P ro e and ADAM S ,design and si m u lati on w ere done abou t the tran spo rtati on m odu le of the s m all 2scale sugar cane harvester .Fo r getting the directi on of the m anufactu re of the physical p ro to typ e ,the influence on the sugar cane tran spo rtati on speed w as in spected w hen changing the ro tati onal sp eed of ro ller and the fricti on coefficien t betw een the ro ller and sugar cane .Key words :techno logy of the virtual p ro to typ ing ;m echan is m P ro ;Sm all 2scale typ e sugarcane harvester (责任编辑　刘海涛)103第4期蒲明辉等:虚拟样机技术的实现及其在小型甘蔗收割机输送模块设计和仿真中的应用。