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基于ADAMS的夹紧机构优化设计李云(江苏自动化研究所,江苏连云港222006)摘要:运用虚拟样机技术,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,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:TH113.2文献标志码:AOptimizationDesignofClampMechanismbasedonADAMSLIYun(JiangsuAutomationResearchInstitute,Lianyungang222006,China)Abstract:Theprocessofdesignofmechanicalproductscanbegreatlysimplifiedthroughtheapplicationofvirtualprototypetechnology,distinctlyreducedtimeandcostinresearchandimprovedthecapabilityofproducts,thenobtainthemostoptimizedandinnovatedproducts.ADAMSisoneofthemostfamousvirtualprototypesanalyzingsoftware,aparametricmodelofclampmechanismwasestablishedbyADAMS,thenstudiedthedesignvariablesofthemodeltofindoutthevariablestowhichthemechanicalcapabilitywasmoresensitive,finallyoptimizedthemodel,andfoundoutthemostoptimalmechanism.Keywords:ADAMS,Optimizationdesign,Clampmechanism,Virtualprototype机械工程中的虚拟样机技术又称为机械系统动名的虚拟样机分析软件。目前,ADAMS已经被世态仿真技术,是国际上20世纪80年代随着计算机界各行业许多主要制造商采用,占据了机械系统动技术的发展而迅速发展起来的一项计算机辅助工程态仿真软件51%的市场份额。ADAMS一方面是(CAE)技术。工程师在计算机上建立样机模型,对虚拟样机分析的应用软件,用户可以很方便地对虚模型进行各种动态性能分析,然后改进样机设计方拟样机进行静力学、运动学和动力学分析。另一方案,用数字化形式代替传统的物理样机。使用系统面又是虚拟样机的分析开发工具,其开放性的程序仿真软件在虚拟环境中真实地模拟系统的运动,并结构和多种接口,可以成为特殊行业用户进行特殊对其在各种工况下的运动和受力情况进行仿真分虚拟样机分析的二次开发工具平台。析,观察并试验各组成部件的相互运动情况;还可以ADAMS使用交互式图形环境和部件库、约束在计算机上方便地修改设计缺陷,仿真试验不同的库及力库,用堆积木式的方法建立三维机械系统参设计方案,对整个系统进行不断地改进,直至获得最数化模型并通过对其运动性能的仿真分析来研究虚优设计方案后,再做出物理样机。用虚拟样机代替拟样机可供选择的设计方案。物理样机验证设计,可以大大简化机械产品的设计ADAMS仿真分析步骤如图1所示,其中,建立开发过程,大幅度缩短产品开发周期,大量减少产品产品定义数据是在计算机中建立反映产品结构特征开发费用和成本,明显提高产品质量,提高产品的系和属性数据的静态产品模型,它是进行仿真、分析、优统级性能,获得最优化和创新的设计产品。化的基础。ADAMS具有建模、施加运动约束的功本文研究了利用ADAMS进行夹紧机构优化能。对于复杂的产品,其三维几何模型的建立、产品设计的问题,建立了夹紧机构的参数化模型,以机构预装配通常在CAD软件(如UG、Pro/E、SolidWorks中最大夹紧力为最终优化目标,对机构中各铰接点等)中完成,然后通过格式转换,导入ADAMS环境。位置参数进行了优化计算。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,1ADAMS软件介绍使产品受到和真实工作中相同的各种力和外界作用。机械系统动力学自动分析软件ADAMS(Auto在产品仿真的同时,可以对产品感兴趣的零件运动参maticDynamicAnalysisofMechanicalSystems)是数设置测量,绘制仿真结果曲线。美国MDI(MechanicalDynamicInc)开发的非常著通过对曲线数据和试验数据的对比分析,可以新技术新工艺!数字技术与机械加工工艺装备2010年第6期35 图2夹紧机构的参数化模型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。图1ADAMS虚拟样机仿真分析步骤框图验证模型的正确性。同时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2.1参数化建模图3优化前弹簧张力随时间变化曲线通过参数化建模,可以将机构中有关参数设置2.2设计研究为设计变量。在分析过程中,只需改变样机模型中设计是主要研究在各设计变量发生变化时虚拟的有关变量,程序就可以自动地更新整个样机模型。样机的主要性能将如何变化。在设计研究过程中,而且还可以由程序根据预先设置的可变参数,自动在特定范围内对某个参数设置不同的几个值,然后地进行一系列的仿真分析,观察在不同参数值下样每次取一个不同的设计变量自动进行仿真分析,并机的变化。以报表形式列出每次分析的数据结果。通过分析设夹紧机构中各铰接点的位置是夹紧机构布置的计变量的影响,用户可以得到以下信息:主要参数,优化设计的实质就是确定夹紧机构的最1)在设计变量的变化过程中虚拟样机性能的佳布置方案,因此各铰接点位置必须确定为设计变变化情况;量,完成后的参数化模型如图2所示。由POINT_2)在指定参数的分析范围内找到最佳参数值;1、POINT_2、POINT_3、POINT_4、POINT_5、3)设计变量对虚拟样机性能的近似敏感度。POINT_6的6个设计点确定机构的位置方案,夹紧对设计变量∀DV_1#进行优化设计研究,ADAMS机构由handle、pivot、slider、hook4部分组成,在POINT_4位置施加一个方向垂直于handle的恒定作用力,并建立一传感器,用于使机构处于锁止位置(设计点POINT_3、POINT_5、POINT_6处于同一直线)时停止仿真。为测量手柄压下时的夹紧力,在挂钩和地面之间加一个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POINT_1、POINT_2、POINT_3、POINT_5、POINT_6的5个设计点的X、Y坐标分别设置为设计图4不同试验变量下弹簧力随时间变化曲线变量,优化设计就是要对这10个变量进行优化,找出36新技术新工艺!数字技术与机械加工工艺装备2010年第6期 自动生成优化过程中弹簧力随不同试验变量的变化从表3中可以看出,当设计变量∀DV_4#、∀DV_曲线,如图4所示,同时设计研究报告提供在每一个6#、∀DV_8#的值分别为3.2484、7.8817、10.034试验步骤下设计变量∀DV_1#的取值、弹簧力的大小时,夹紧机构的夹紧力最大,为1008N。以及∀DV_1#对弹簧力影响的敏感度,如表1所示。优化前后,弹簧张力变化曲线对比如图6所示。表1设计变量∀DV_1#设计研究报告试验最大弹簧张力DV_1取值敏感度/Ncm-11-760.26-1.0000-87.9692-804.25-0.50000-85.9533-846.210.00000-82.2674-886.510.50000-78.0465-924.261.0000-75.496依次对其他设计变量进行优化设计研究,具体结果如表2所示。表2设计变量优化结果图6优化前后弹簧张力曲线对比图设计变设计点在初始值处初始值最优值量名称位置敏感度/Ncm-1实线为优化前的弹簧张力曲线,虚线为优化后DV_1POINT1_x0-821的弹簧张力曲线,由图6可以看出,当设计点DV_2POINT1_y0520POINT_2、POINT_3、POINT_5位置稍微有所变化DV_3POINT2_x31392.7DV_4POINT2_y3-4403.3时,夹紧机构的夹紧力大小有显著提高。DV_5POINT3_x2-182.2DV_6POINT3_y82817.63结语DV_7POINT5_x-132-1.1DV_8POINT5_y10-28810.5虚拟样机技术是一门新兴的技术,它有着广阔DV_9POINT6_x-6-61-5.4的市场发展前景。虚拟样机技术已经广泛应用于汽DV_10POINT6_y51044.5车制造业、工程机械、航天航空业、国防工业及机械由表2可以看出,设计变量∀DV_4#、∀DV_6#、制造业等领域,虚拟样机技术在工程中的应用是通∀DV_8#的敏感度最高,也就是说设计点POINT_2、过界面良好、功能强大、性能稳定的商品化虚拟样机POINT_3、POINT_5的Y方向位置对夹紧机构的软件实现的。ADAMS则是目前最优秀的虚拟样机夹紧力影响较大。软件之一,利用ADAMS进行新产品的开发,可以2.3优化设计大幅提高产品性能,降低产品开发成本,缩短产品开设定设计变量∀DV_4#、∀DV_6#、∀DV_8#的变发周期,实现市场快速反应,提高产品的综合竞争能化范围,以弹簧力的最大张力为优化目标函数进行力。优化设计。优化过程中弹簧张力的变化曲线如图5参考文献所示。[1]王国强.虚拟样机技术及其在ADAMS上的实践[M].西安:西北工业大学出版社,2002.[2]郑建容.ADAMS虚拟样机技术入门与提高[M].北京:机械工业出版社,2002.[3]邢俊文,陶永忠.MSC.ADAMS/View高级培训教程[M].北京:清华大学出版社,2005.[4]邱成悌,蒋全兴.电子设备结构设计原理[M].南京:东南大学出版社,2005.图5优化过程中弹簧张力变化曲线优化结果如表3所示。作者简介:李云(1983),男,学士,助理工程师,主要从事电表3优化结果子设备结构研究工作。试验最大弹簧张力DV_4取值DV_6取值DV_8取值收稿日期:2010年3月25日0-846.213.00008.000010.0001-951.593.16207.925710.030责任编辑吕菁2-980.733.20787.902710.0323-1007.43.24677.883210.0344-1008.13.24847.881710.034新技术新工艺!数字技术与机械加工工艺装备2010年第6期37
