基于虚拟样机技术的液粘传动系统研究

本文是工程设计分析过程中的一个已经实现的具体案例，介绍了如何在UG软件中实现对偏心块的动力学分析及应力强度分析。首先用UG的动力分析模块找出了其外部最大受力，然后运用UG的有限元分析模块对偏心块进行了强度计算，得出了比较满意的结果。

    在工程设计中，需要对设计的机构进行运动和动力分析，从而预知所设计的传动机构是否满足要求，保证设计的可靠性。UG软件是一个集计算机辅助设计、制造和工程分析于一体的三维参数化软件，其机构应用模块提供了强大的静态、运动、动力分析计算以及动态仿真功能。

一、YZ18J压路机震动偏心块动力学分析

    1.在UG环境下打开震动块模型，见图1所示。

图1 偏心块三维模型

    2.选择运动分析模块（直接在主界面的左侧选择运动分析的图标。也可以在菜单中选择：“应用”→“运动”，新建一个Scenario，如图2所示。在屏幕右侧的导航器的方案浏览器选项卡里面右键单击模型标记，选择新建方案。

图2 运动分析模块

    3.给震动块添加材料属性

    选择菜单“应用”→“结构分析”。转入结构分析模块，此时结构分析模块和运动分析模块都在同一个方案里面。在结构分析模块界面左侧单击材料特性图标，添加材料属性为“钢”。然后转回机构分析模块。

    4.添加构件（Link）

    把运动中不做相对运动的零件作为一个构件。如图3所示。

图3 添加构件

    注意一个零件只能属于一个构件，而构件可以有多个零件。所谓的运动副是构件和构件之间的运动方式，所以应该把没有相对运动的零件作为一个构件。

    构件在导航器中的显示如图4所示。

图4 构件在导航器中

    此时震动块中所有的零件都做成了构件。

    5.创建一般运动副

    震动块运动副比较简单主要有两个转动副组成。如图5所示。先在输入力矩的一端做震动块相对于整个环境的转动副，做这个转动副的时候只需要选择构件L001上一个相应的边界即可，然后确定。需要注意的是组成转动副的两个构件之间允许具有一个绕Z轴做相对转动的自由度，在确定组成转动副的两个构件的坐标系原点和方位时，应特别注意以下几点：

    (1)转动副坐标系中的Z轴是转动副的旋转轴。

    (2)当Snap Links选项为关闭时，组成转动运动副的两构件中的坐标原点必须重合。

    (3)组成转动副的两构件中的坐标系z轴必须同方向，当Snap Links选项为关闭状态时，则必须共线。

图5 震动块运动副结构

    然后做构件一与构件二之间的转动副，首先选择构件一上的相应的边界作为第一连杆，在选择构件二上的相应边界作为第二连杆，然后点击“确定”，生成第二个转动副。

    6.创建三维接触

    三维接触用于定义构件或机架的一组表面之间的接触载荷。三维接触的添加，可通过在工具条中选择相应的三维接触的图表或者是在下拉菜单中选择“Insert”→“force Object”→“Contacts”菜单实现。选择三维接触后系统弹出如图6所示添加三维接触对话框。

    对话框上方为选择步骤图标，用于选择接触零件，下部为参数输入部分，输入两个接触零件的结构刚度。

图6 创建三维接触

    选择震动块中的销子和中间的撞击块，添加它们之间的三维接触，如图7所示。

图7 在销子和中间的撞击块间添加接触

    然后设定刚度值为10000。

    7.创建力矩

    添加矢量扭矩时，可在工具条中选择矢量扭矩图标，或在下拉菜单中选择“Insert”→“Force Object”→“Vector Torque”菜单项。

    操作界面如图8所示。

图8 创建力矩界面

    添加转矩，在这里选择用户自定义选项，在震动块上选择坐标原点然后定制转矩方向，这些基本知识在相应的文章上面都有，不再一一赘述。

    8.生成运动分析结果

    机构分析模块可用多种方式输出机构分析结果，如基于时间的动态仿真，基于位移的动态仿真，输出动态仿真的图像信息和输出机构分析的数据文件等。在此我们分析震动块的瞬间撞击力随时间变化的信息，采用EXCEL表的格式输出每一个时间纪录相对应的受力大小。首先我们计算动作，由于震动块受力方式为瞬间受力，此受力的特点为受力在瞬间变化到最大值，然后瞬间缩小，所以我们计算运动的时候应采用小时间，大步数的方法，尽量使导出的受力准确。

    在此我们采用基于时间的计算方法，计算震动块的运动。进入方式为在下拉菜单中选择“Analasis”→“Motion”→“Animation”菜单项，或在工具条中选择相应图标。然后弹出如图9所示对话框。

图9 运动分析选项

    把时间设定为0.5秒，步数设为10000步，单击“确定”，计算机自动转入计算。

    计算机计算完毕自动弹出对话框，如图10所示，在此我们没必要去查看运动分析的运动模拟，可以直接由EXCEL表导出受力大小，如图11所示，至此震动块受力分析完毕。

图10 分析结果

图11 分析结果在EXCEL中（震动块于5696步达到最大受力39960牛）

二、YZ18J压路机震动偏心块固有频率分析

    由运动分析中选择达到稳态以后的震动块组合作为设计位置，把几个零件都Union在一起，并进入有限元分析模块，定义分析类型为模态分析。选择合适的单元类型（选择的是Terta），设定不同的模态数，选定频率不同的范围，便可直接解算。解算窗口设置如图12所示。

图12 固有频率解算窗口

    结果出来以后，可以选择查看相应的应力、应变可以位移等，结果显示见图13所示。

图13 分析结果

三、YZ18J压路机震动偏心块应力分析

    结束了上面的分析后，继续对活动块、其他（除活动块以外的所有件）分别进行分析。

    1.活动块的应力分析

    (1)设置分析类型：

    选择网格单元类型为Tetra，划分网格如图14所示。

图14 活动块的网格模型

    (2)添加轴对活动块的约束力，如图15所示。

图15 添加轴对活动块的约束力

    (3)添加销子对活动块的打击力，如图16所示。

图16 添加销子对活动块的打击力

    (4)对与转动轴配合的孔，进行边界条件的定义如图17所示。

图17 转动轴配合边界条件定义

    (5)分析结果见图18所示。

图18 活动块有限元分析结果

    分析结果表明活动块最大应力小于材料的许用应力，强度完全符合要求。

    2.其它件的组合分析

    设置分析环境为结构分析。然后进行如下操作。

    (1)选择网格单元类型为Tetra，划分网格见图19所示。

图19 其它件的网格模型

    (2)添加轴两端的约束力，如图20所示。

图20 添加轴两端的约束力

    (3)添加销子上的反力，如图21所示。

图21 添加销子上的反力

    (4)添加轴上（活动块位置）的反力，如图22所示。

图22 添加活动块位置的反力

    (5)轴两端的边界条件定义见图23所示。

图23 轴两端的边界条件定义

    (6)进行分析，并得出最后的结果。如图24所示。

图24 其它结构有限元分析结果

四、结论

    Unigraphics机构（Motion）应用模块的工作程序为：在UG-MODELING及UG-ASSEMBILES应用中分别建立零件模型及装配模型后，可进入该模型进行机构分析。在机构应用中，用户建立SCENARIO模型后，通过创建构件、运动副和载荷等机构对象，可对机构进行分析和仿真，其分析结果可使用户直观地了解机构系统的性能，如机构运动范围、速度、加速度、载荷（作用力或反作用力）、两对象之间的最小距离或最小角度、对象的运动轨迹跟踪和对象动态干涉等，并可用多种方式输出分析计算结果，如动态仿真、曲线图、电子表格以及用MPEG/ANIMATED VRML/ADAMS文件格式输出等。

    另外，利用机构分析模块，可建立多个Scenario模型。在各Scenario模型中单独编辑特征参数后，通过分析并比较各模型的分析结果，可将分析结果比较理想的Scenario模型中的特征参数，通过内部表达输出至主要模型，从而实现对机构模型的参数优化。一般步骤归纳如下：

    1.打开主模型文件。

    2.在下拉菜单中选择“Application”→“Motion”菜单项，进入UG的机构应用模块。

    3.创建一个机构Scenario模型，指定机构分析环境，并对机构参数进行预设置。

    4.若需要对机构进行动力分析，则应赋予机构中各实体对象相应的材料特性。

    5.创建各机构对象（如构件、运动副、标记及其他载荷对象等）。

    6.根据需要指定分析结果的类型，对机构进行分析。

    7.根据需要选用合适的结果类型。