剛?cè)狁詈舷到y(tǒng)的車銑加工中心
研究者采用虛擬樣機(jī)對(duì)產(chǎn)品分析時(shí)，絕大多數(shù)都是對(duì)多剛體系統(tǒng) 進(jìn)行分析，所獲得的仿真結(jié)果是一種理想預(yù)測(cè)狀態(tài)。為了提高對(duì)車銑加工中心的仿真準(zhǔn)確度，更接近于實(shí)際情況，將有限元方法和虛擬樣機(jī)相結(jié)合，對(duì)車銑加工中心的關(guān)鍵部件進(jìn)行有限元分析，產(chǎn)生柔性體，與 機(jī)床其他部件形成剛?cè)狁詈舷到y(tǒng)，然后在虛擬樣機(jī)模型上進(jìn)行車銑加工中心的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性和動(dòng)力學(xué)特性分析。因此為了獲得更準(zhǔn)確的仿真結(jié)果，對(duì)車銑加工中心建立基于多柔體系統(tǒng)的虛擬樣機(jī)模塑是非常必要的。 ADAMS是機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真軟件，主要用于剛體動(dòng)力學(xué)分析，可用于研究整個(gè)機(jī)械系統(tǒng)的工作性能，在設(shè)計(jì)的早期階段通過(guò)虛擬樣 機(jī)進(jìn)行仿真分析。其中ADAMS/Flex模塊是基于Craig - Bamplom方 法的，其基本思想是：首先按照工程的觀點(diǎn)或結(jié)構(gòu)的幾何輪廓，遵循 某些原則（主要是便于計(jì)算或試驗(yàn)），把完整的大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)抽象為 若干個(gè)子結(jié)構(gòu)。然后對(duì)自由度大大減少的各個(gè)子結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分 析，保留其主要模態(tài)信息，略去高階模態(tài)以達(dá)到縮減自由度的目的。 接著根據(jù)各子結(jié)構(gòu)交界面的位移協(xié)調(diào)條件，將其組裝成自由度大大 縮減的總體系統(tǒng)方程。求解此方程可獲得系統(tǒng)的固有頻率和模態(tài)坐 標(biāo)下的主振型。最后，進(jìn)行坐標(biāo)變換求得用物理坐標(biāo)表達(dá)的解，就可 以得出位移、速度、加速度及應(yīng)力應(yīng)變等動(dòng)態(tài)信息。這種方法將柔性 體看做是有限元模型的節(jié)點(diǎn)的集合，其變形視為模態(tài)振型的線性疊加， 相對(duì)于整體坐標(biāo)系有小的線性變形，而此局部坐標(biāo)系做大的非線性整 體平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的線性局部運(yùn)動(dòng)近似為振型或振型向量的線 性疊加。 ANSYS是世界上有較大影響的有限元分析（FEA)軟件之一。主 要采用圖形用戶接口（GUI)方式進(jìn)行交互式操作，從建模、單元?jiǎng)澐帧? 加載、求解，到輸出結(jié)果的全過(guò)程都可以在一個(gè)平臺(tái)上完成。由于大多數(shù)實(shí)際問(wèn)題難以得到精確解，而有限元不僅計(jì)算精度高，而且能適用于 各種復(fù)雜的形狀，因此成為行之有效的工程分析手段。因此，我們根據(jù) ADAMS和ANSYS各自的功能特點(diǎn)，將兩者優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合實(shí)現(xiàn)機(jī)械系統(tǒng) 的多柔體動(dòng)力學(xué)分析。ADAMS中的ADAMS/Flex模塊，其中一種須借 助有限元軟件獲取構(gòu)件的模態(tài)，因此我們利用ANSYS進(jìn)行有限元分 析，提取柔性體的模態(tài)，并將結(jié)果轉(zhuǎn)換成ADAMS可以識(shí)別的模態(tài)中性文件，然后導(dǎo)入到ADAMS進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，多柔體系統(tǒng)協(xié)同建模仿真的流程圖。 1.ADAMS中柔性體的建立 在ADAMS中建立柔性體有兩種方法[36’135]:—種是自動(dòng)柔性化 法，另一種是引人模態(tài)中性文件法。 (1)自動(dòng)柔性化法。ADAMS提供兩種自動(dòng)柔性件生成方法，對(duì)于外形簡(jiǎn)單的構(gòu)件，可以采用直接生成柔性件的方法，即拉伸模式(Extrusion);對(duì)于外形復(fù)雜的構(gòu)件，可以采用先建剛性件，再進(jìn)行網(wǎng)格 劃分的模式，即構(gòu)件網(wǎng)格模式（Solid)。模型生成柔性件的同時(shí)生成模 態(tài)中性文件，該模態(tài)中性文件中包含了柔性件的質(zhì)量、質(zhì)心、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、 頻率、振型以及對(duì)載荷的參數(shù)因子等信息。將模型中原有的剛體件上 的運(yùn)動(dòng)副添加到柔性件上，使柔性件與模型上的其他構(gòu)件連接起來(lái)，同 時(shí)刪除無(wú)效的剛性件，這樣可以使模型保持原有的自由度，從而實(shí)現(xiàn)柔 性構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)仿真。 (2)引入模態(tài)中性文件法。ADAMS可以使用任何有限元模型作 為ADAMS/Flex中的柔性體，如ANSYS、ABAQUS等有限元分析軟件生 成的模型，而ANSYS可以直接生成MNF(模態(tài)中性文件），不會(huì)產(chǎn)生中 間數(shù)據(jù)文件，這樣就可以將產(chǎn)生的模態(tài)中性文件直接導(dǎo)入到ADAMS 中。在模態(tài)中性文件導(dǎo)入以后，ADAMS/Flex會(huì)將柔性體放在整體慣 性坐標(biāo)系的原點(diǎn)上，并且與模型中其他零件沒有任何關(guān)系。接下來(lái)要 在柔性體與零件之間施加約束、作用力，施加約束、作用力，有時(shí)要通過(guò) 使用無(wú)質(zhì)董（或者質(zhì)M非常?。┻B接物體來(lái)間接施加。 2.模態(tài)中性文件的生成 多柔體系統(tǒng)的創(chuàng)建原則是對(duì)于細(xì)長(zhǎng)的剛度小的構(gòu)件生成柔性體部件，而對(duì)于剛性較大的零部件則采用剛性體模型。所以本文分析的多 柔體動(dòng)力學(xué)模型，只將車削主軸和銑刀主軸進(jìn)行了柔性化處理，其余 部件則為剛性體。由于ANSYS對(duì)有限元分析具有強(qiáng)大功能，因此采 用它建立模態(tài)中性文件。在ADAMS創(chuàng)建完車銑加工中心的多體系統(tǒng) 模型后，需要對(duì)其車削主軸和銑刀主軸在有限元軟件ANSYS中進(jìn)行有 限單元的離散化處理，以便生成模態(tài)中性文件。在ANSYS軟件中有兩 種方式建立模型:①在ANSYS軟件中直接建立三維模型，缺點(diǎn)建模繁 瑣;②從三維建模軟件中以中性文件導(dǎo)入ANSYS中，優(yōu)點(diǎn)是建模容易， 尤其分析復(fù)雜部件，更適用于該方法。本文采用第二種方法，在建模過(guò) 程中忽略一些次要的細(xì)節(jié)（如倒角簡(jiǎn)化成直角，潤(rùn)滑油孔、工藝孔、螺紋孔等均按實(shí)體處理），簡(jiǎn)化主軸模型。首先在三維實(shí)體軟件中將車 44 銑加工中心零件單獨(dú)輸出成Parasolid模型中性文件，ANSYS通過(guò)專用 接口瀆入該中性文件，在ANSYS中完成單元、實(shí)常數(shù)、材料等內(nèi)容的定 義，然后劃分單元網(wǎng)格，如圖2. 7(a)所示為銑刀主軸的有限元模塑。 然后定義外部節(jié)點(diǎn)，在輸出MNF中性文件之前，必須進(jìn)行質(zhì)量、載荷等 檢驗(yàn)操作，以保證文件中所包含的數(shù)據(jù)的可靠性。在ANSYS中生成起 柔性體的模態(tài)中性文件具體過(guò)程如下: (1)選擇單元類型：?jiǎn)卧愋偷倪x取是十分重要的環(huán)節(jié)，因?yàn)樗?很大程度上影響分析的速度和精度。對(duì)于車削主軸和銑刀主軸這樣的 三維實(shí)體模型，選用可以很好地適應(yīng)各種復(fù)雜的邊界條件、具有較高的 求解精度的四面體單元S〇lid92,它是一種高階單元，適于較復(fù)雜的實(shí) 體模型。 (2)定義材料屬性:車削主軸和銑刀主軸的材料采用鋼，是經(jīng)調(diào)質(zhì)后具有良好的綜合力學(xué)性能。通過(guò)查表，定義車削主軸和銑刀主軸材 料彈性模量為207GMPa,泊松比為0.29,密度為7802kg/m3。 (3)定義硬點(diǎn)：硬點(diǎn)是一種特殊的關(guān)鍵點(diǎn)，其主要作用是施加載荷 或從模型的線和面上的任意點(diǎn)獲得數(shù)據(jù)。在主軸實(shí)體模型上定義3個(gè) 硬點(diǎn)，分別是主軸與兩個(gè)軸承接觸處以及與刀具接觸的地方。 (4)劃分網(wǎng)格單元：由于主軸的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，不適于映射網(wǎng)格劃 分，因而采用自由網(wǎng)格劃分中的智能網(wǎng)格進(jìn)行劃分。由于S〇lid92單元 本身具有較高的精度，因而對(duì)主軸采用16級(jí)智能網(wǎng)格劃分，即可保證 足夠的精度。網(wǎng)格劃分完畢后，生成的柔性銑刀主軸的有限元模型如 圖2.7(a)所示。 (5)添加約束和求解：在ANSYS中不對(duì)模型添加約束，將生成自 由懸浮子結(jié)構(gòu)，所以在ANSYS中進(jìn)行模態(tài)分析之前需要選取與剛體的 對(duì)接點(diǎn)即上文中所定義的硬點(diǎn)，添加固定約束，然后進(jìn)行求解。 (6)輸出模態(tài)中性文件:ANSYS中模態(tài)分析求解完畢后，就可以 生成模態(tài)中性文件了。在生成模態(tài)中性文件時(shí)，應(yīng)注意單位與ADAMS 中的統(tǒng)一，選取合適的界面點(diǎn)以及提取適合的模態(tài)數(shù)等問(wèn)題。 為了與ADAMS中單位統(tǒng)一方便，選取國(guó)際單位制SI;選取前文定義的硬點(diǎn)為界面點(diǎn)，如圖2. 7(b)所示這種方式結(jié)合面為剛性接觸；另 外一種方式在圖2. 7(a)的彈簧一阻尼單元外圍增加硬點(diǎn)，剛度和阻尼 取值可參考主軸分析結(jié)果。至此模態(tài)文件建立完畢，它是建立柔性體 動(dòng)力學(xué)模型所必須的數(shù)據(jù)文件，包含模型幾何信息、節(jié)點(diǎn)質(zhì)量和慣量、 節(jié)點(diǎn)形狀、模態(tài)的廣義質(zhì)量和剛度內(nèi)容。在ADAMS中嵌入ADAMS/Flex模塊，通過(guò)此模塊下的Flexbodyto- rigid對(duì)話框，將柔性體模型導(dǎo)入到ADAMS中替換原來(lái)的剛性體，就得到了車銑加工中心的多柔體的仿真模型，然后通過(guò)模型檢查，沒有錯(cuò)誤信息就可用多柔體動(dòng)力學(xué)分析。圖2. 8所示為導(dǎo)人模態(tài)中性文件后的 車銑加工中心的多柔體系統(tǒng)模型。通過(guò)模態(tài)中性文件將柔性體模型導(dǎo) 入ADAMS中，與車銑加工中心的其他部件形成剛?cè)狁詈舷到y(tǒng)。部件 轉(zhuǎn)化柔性體越多越接近于實(shí)際情況，由于計(jì)算機(jī)性能和轉(zhuǎn)化時(shí)間等W 素只能將關(guān)鍵部件轉(zhuǎn)化為柔性體。圖2. 8(a)表示在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中（外套 隱藏）主軸桿件柔性體顏色的變化，代表應(yīng)力變化大小，從而可以確定 薄弱環(huán)節(jié)，刀具和主軸桿接觸處以及軸承處的所受的應(yīng)力都比較大;而 從圖2. 8(b)主軸外套可以看出所受到應(yīng)力不大；圖2. 8(c)是將主軸 部件、動(dòng)力刀架、銑刀等轉(zhuǎn)化成柔體。這種方法不僅可以提高機(jī)床的仿 真精度，而且更接近于物理樣機(jī)。在樣機(jī)試制前對(duì)設(shè)計(jì)中可能出現(xiàn)的 問(wèn)題做出精確的預(yù)測(cè)和改進(jìn)，以保證設(shè)計(jì)方案的可行性，縮短產(chǎn)品的研 制周期和降低成本。本文由海天精工整理發(fā)表文章均來(lái)自網(wǎng)絡(luò)僅供學(xué)習(xí)參考，轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明！