基于ADAMS的夹紧机构优化设计

图 2 夹紧机构的参数化模型
图 1 ADAMS 虚拟样机仿真分析步骤框图
为测量手柄压下时的夹紧力在挂钩和地面之 间加一处于初始状态的弹簧 ,只需测量弹簧中的张 力即可得到夹紧机构的夹紧力 。
将节点 1 、节点 2 、节点 3 、节点 5 和节点 6 五个 设计点的 X 、Y 坐标分别设置为设计变量 ,优化设 计就是要对这 10 个变量进行优化 ,找出夹紧机构 在同等情况下夹紧力最大时各设计变量的值 。优 化前夹紧力随时间变化曲线如图 3 所示 。
2
- 804. 25
3
- 846. 21
4
- 886. 51
5
- 924. 26
- 1. 000 00 - 0. 500 00
0. 000 00 0. 500 00 1. 000 00
- 87. 969 - 85. 953 - 82. 267 - 78. 046 - 75. 496
·机械制造与研究· 马 闯 ,等·基于 ADAMS 的夹紧机构优化设计
基于 ADAMS 的夹紧机构优化设计
马 闯 ,吴洪涛 ,谷 珂
(南京航空航天大学 机电学院 ,江苏 南京 210016)
摘 要 :运用虚拟样机技术可大大简化机械产品的设计开发过程 ,大幅度缩短产品开发周期和 降低开发费用 ,提高产品的性能 ,获得最优化和创新的设计产品 。ADAMS 是目前著名的虚拟 样机分析软件 ,笔者应用 ADAMS 建立了夹紧机构的参数化模型 ,并对模型各设计变量进行设 计研究 ,找出对机构性能影响较大的变量 ,最后对模型进行优化设计 ,确定模型的最佳结构 。 关键词 :ADAMS ;优化设计 ;夹紧机构 ; 虚拟样机 中图分类号 : TG75 ; TH122 文献标识码 :A 文章编号 :167125276(2006) 0420011203
Abstract :The process of design of mechanical product s can be greatly simplified by t he application of Virt ual Prototype Technology ,time and cost in research distinctly reduced and t he capability of product s improved , to obtain t he most optimized and innovative product s. ADAMS is t he most famous virt ual prototype analysis software , a paramet ric model of clamp mechanism was established by ADAMS , t hen t he design variables of t he model are st udied to find out t he more sensitive , variables to t he mechanical capability finally to optimize t he model ,ascertain t he most optimal mechanism. Key words :ADAMS ; optimization design ; clamp mechanism ; virt ual prototype
夹紧机构中各铰接点的位置是夹紧机构布置 的主要参数 ,优化设计的实质就是确定夹紧机构的 最佳布置方案 ,因此各铰接点位置必须确定为设计
图 3 优化前弹簧张力随时间变化曲线
2. 2 设计研究
设计研究主要研究在某个设计变量发生变化 时 ,虚拟样机的主要性能将如何变化 。在设计研究 过程中 ,在特定范围内对某个参数设置不同的几个 值 ,然后每次取一个不同的设计变量自动进行仿真 分析 ,并以报表形式列出每次分析的数据结果 。通 过分析设计变量的影响 ,用户可以得到以下信息 : 1) 在设计变量的变化过程中虚拟样机性能的变化 情况 ;2) 在指定参数的分析范围内找到最佳参数
图 5 优化过程中弹簧张力变化曲线
表 3 优化设计结果
试验
最大弹簧 张力/ N
DV 4 取值
DV 6 取值
0
- 846. 21 3. 000 0
8. 000 0
1
- 951. 59 3. 162 0
7. 925 7
2
- 980. 73 3. 207 8
7. 902 7
3 - 1 007. 4 3. 246 7
图 4 不同试验变量下弹簧力随时间变化曲线
提供在每一个试验步骤下设计变量“D V 1”的取 值 、弹簧力的大小以及“DV 1”对弹簧力影响的敏 感度列于表 1 。
表 1 设计变量 DV 1 取值 、弹簧力与敏感度的关系
试验 最大弹簧张力/ N DV 1 取值 敏感度/ (N/ cm)
1
- 760. 26
139 2. 7
DV 4
节点 2 y
3
- 440 3. 3
DV 5 DV 6 DV 7 DV 8 DV 9
节点 3 x 节点 3 y 节点 5 x 节点 5 y 节点 6 x
2
- 18 2. 2
8
281 7. 6
-1
32 - 1. 1
10
- 288 10. 5
笔者研究了利用 ADAMS (automatic dynamic analysis of mechanical systems) 进行夹紧机构优化
设计的问题 ,建立了夹紧机构的参数化模型 ,以机 构中最大夹紧力为最终优化目标 ,对机构中各铰接 点位置参数进行了优化计算 。
1 ADAMS 软件介绍
机械系统动力学自动分析软件 ADAMS 是美 国 MD I ( mechanical dynamic inc) 开发的非常著名 的虚拟样机分析软件 。目前 ,ADAMS 已经被世界 各行业许多主要制造商采用 ,占据了机械系统动态 仿真软件 51 %的市场份额 。ADAMS 一方面是虚 拟样机分析的应用软件 ,用户可以很方便地对虚拟 样机进行静力学 、运动学和动力学分析 。另一方 面 ,又是虚拟样机的分析开发工具 ,其开放性的程 序结构和多种接口 ,可以成为特殊行业用户进行特 殊虚拟样机分析的二次开发工具平台 。
ADAMS 自动生成优化过程中弹簧力随不同试验 变量下的变化曲线如图 4 所示 ,同时设计研究报告
2. 3 优化设计
设定设计变量“DV 4”、“DV 6”、“DV 8” 的变化范围 ,以弹簧力的最大张力为优化目标函数 进行优化设计 。优化过程中弹簧张力的变化曲线 如图 5 所示 ;优化结果列于表 3 。
变量 ,完成后的参数化模型如图 2 所示 。由节点 1 ～节点 6 六个设计点确定机构的位置方案 ,夹紧机 构由手柄 、枢轴 、连杆和挂钩四部分组成 ,在节点 4 位置施加一方向垂直于手柄的恒定作用力 。并建 立一传感器 ,用于在机构处于锁止位置 (设计节点 3 、节点 5 、节点 6 处于同一直线) 时停止仿真 。
通过对曲线数据和试验数据的对比分析 ,可以 验证模型的正确性 ,并确定是否要修正模型 。在仿 真模型验证正确的基础上 ,可以对产品设置设计变 量 ,根据需求 ,有目的的对模型进行优化分析 。
2 夹紧机构的结构优化
2. 1 参数化建模
通过参数化建模 ,可以将机构中有关参数设置 为设计变量 。在分析过程中 ,只需改变样机模型中 的有关变量 ,程序就可以自动地更新整个样机模 型 。而且还可以由程序根据预先设置的可变参数 , 自动地进行一系列的仿真分析 ,观察在不同参数值 下样机的变化 。
Optimization Design of Clamp Mechanism Based on ADAMS MA Chuang , WU Hong2tao , GU Ke
(College of Mechanical and Elect rical Engineering ,Nanjing U niversity of Aeronautics & Ast ronautics , J S Nanjing 210016 ,China)
· 11 ·
·机械制造与研究· 马 闯 ,等·基于 ADAMS 的夹紧机构优化设计
构特征和属性数据的静态产品模型 ,它是进行仿 真 、分析和优化的基础 。ADAMS 具有建模 、施加 运动约束的功能 。对于复杂的产品 ,其三维几何模 型的建立 、产品预装配通常在 CAD 软件 (如 U G、 Pro/ e 、Solidworks 等) 中完成 ,然后通过格式转换 , 导入 ADAMS 环境 。环境定义数据指在产品工作 过程中 ,施加在产品上的外界激励的总称 。对产品 进行受力分析和运动分析 ,使产品受到和真实工作 中相同的各种力和外界作用 。在产品仿真的同时 , 可以对产品感兴趣的零件运动参数设置测量 ,绘制 仿真结果曲线 。
ADAMS 使用交互式图形环境和部件库 、约束 库及力库 ,用堆积木式的方法建立三维机械系统参 数化模型并通过对其运动性能的仿真分析来研究 虚拟样机的可供选择的设计方案 。
ADAMS 仿真分析步骤如图 1 所示 ,其中 ,建 立产品定义数据是在计算机中建立的反映产品结
M achi ne B uil di ng & A utom ation , A ug 2006 , 35 ( 4) : 11～ 13 , 16
-6
- 61 - 5. 4
DV 10
节点 6 y
5
104 4. 5
由表 2 可以看出设计变量“DV 4”、“DV 6”“、DV 8”的敏感度最高 ,也就是说设计点节点 2 、节点 3 和节点 5 的 Y 方向位置对夹紧机构的夹 紧力影响较大 。
M achi ne B uil di ng & A utom ation , A ug 2006 , 35 ( 4) : 11～ 13 , 16
7. 883 2
4 - 1 008. 1 3. 248 4
7. 881 7
DV 8 取值
10. 000 10. 030 10. 032 10. 034 10. 034
从表 3 中可以看出 , 当设计变量“DV 4”、 “DV 6”“、DV 8”的值分别为 3. 248 4 、7. 881 7 、 10. 034 时 ,夹紧机构的夹紧力最大为 1 008N 。
0 引言
机械工程中的虚拟样机技术又称为机械系统 动态仿真技术 ,是国际上 20 世纪 80 年代随着计算 机技术的发展而迅速发展起来的一项计算机辅助 工程 (CA E) 技术 。工程师在计算机上建立样机模 型 ,对模型进行各种动态性能分析 、然后改进样机 设计方案 ,用数字化形式代替传统的物理样机 。使 用系统仿真软件在虚拟环境中真实地模拟系统的 运动 , 并对其在各种工况下的运动和受力情况进 行仿真分析 、观察并试验各组成部件的相互运动情 况 ;还可以在计算机上方便地修改设计缺陷 , 仿真 试验不同的设计方案 , 对整个系统进行不断地改 进 , 直至获得最优设计方案后 , 再做出物理样机 。 用虚拟样机代替物理样机验证设计 ,可以大大简化 机械产品的设计开发过程 ,大幅度缩短产品开发周 期 ,大量减少产品开发费用和成本 ,明显提高产品 品质 ,提高产品的系统级性能 ,获得最优化和创新 的设计产品 。
表 1 中设计变量“DV 1”依次对其它设计变 量进行优化设计结果列于表 2 。
表 2 设计变量优化结果
设计变量 名称
DV 1
DV 2
DV 3
设计点位置
节点 1 x 节点 1 y 节点 2 x
ຫໍສະໝຸດ Baidu
初始 在初始值处 最优 值 敏感度/ (N/ cm) 值
0
- 82 1
0
52 0
3
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http :// ZZHD. chinajournal. net. cn E2mail : ZZHD @chinajournal. net. cn 《机械制造与自动化》
·机械制造与研究· 马 闯 ,等·基于 ADAMS 的夹紧机构优化设计
值 ;3) 设计变量对虚拟样机性能的近似敏感度 。 对设 计 变 量“DV 1”进 行 优 化 设 计 研 究 ,