基于Pro/ENGINEER的水輪機振動平臺運動仿真方法

黃 堯，胡友明

（華中科技大學 機械科學與工程學院，湖北 武漢 430071）

基于Pro/ENGINEER的水輪機振動平臺運動仿真方法

黃 堯，胡友明*

（華中科技大學 機械科學與工程學院，湖北 武漢 430071）

介紹了采用Pro/EN GIN EER[1]進行振動平臺運動仿真的基本方法[2-3]，結合振動平臺的設計與制造特點，闡述了基于機械(M echanism)模塊實現振動平臺工作過程中的關鍵技術，給出了具體的操作步驟，實現了振動平臺的運動仿真，最后總結了該方法的優越性。

Pro/EN GIN EER；運動仿真；振動；設計

水輪機模擬振動平臺是進行實物仿真（Hardware-in-the-loop Simulation）的關鍵設備[4，5]，在水輪機的仿真過程中起著極為重要的作用。仿真振動平臺可以模擬水輪機在空間實際的運動情形，運動學和動力學特征，采集現場信號，從而可以對水輪機的性能進行反復測試，獲得較為重要數據。振動平臺性能的優劣直接關系到仿真和測試實驗的可靠性和置信度，因此，振動平臺運動仿真的研究對水輪機運行性能的分析具有重要的意義。

虛擬裝配是根據產品設計的形狀特征、精度特性，真實地模擬產品三維裝配過程，并允許用戶以交互方式控制產品的三維裝配，再通過運動仿真模擬機器的運動過程，就可以在產品的開發設計階段發現設計中存在的問題以及與用戶要求的符合程度，進而進行方案修改。

在水輪機的開發過程中應用這種方法可以大大縮短產品的開發周期，減少樣機實驗次數，迅速地對市場做出反映，并降低產品的成本，提高企業的競爭力。本文在Pro/ENGINEER wildfire2.0 環境下針對某動態性能模擬測試系統的振動平臺進行了三維造型設計[6，7]，并完成了振動平臺零部件的裝配過程仿真，同時對振動平臺的運動學進行了仿真研究。

1 基于Pro/ENGINEER的振動平臺機構運動仿真基本方法

裝配工藝在振動平臺制造中起著重要的作用，可靠的裝配過程可以對振動平臺零部件的可裝配性進行評價，同時是保證振動平臺實現預定精度指標的關鍵環節[8]。而振動平臺的運動學分析可以校驗運動部件能否實現預定的運動，同時為實現振動平臺的可靠性控制奠定基礎。振動平臺的裝配過程仿真和運動學仿真能夠以低成本方式準確地檢驗設計方案，指導設計過程，降低設計風險，從而達到縮短周期和節約成本目的。仿真過程的動畫將輸出為視頻文件，可以用作設計方案展示、產品推介、裝配及維護人員的培訓等，成為設計環節與產品研制下游環節的互動平臺；同時，也有效地避免了頻繁啟動物理實機，實現了技術演示的簡單方便、低成本和高效率的特點。

機構仿真技術是通過計算機技術來模擬真實機構的運動過程，同時借助系統建模技術和可視化技術來實現機構仿真。

Pro/ENGINEER是一套由設計至生產的機械自動化軟件，是一個參數化、基于特征的實體造型系統并具有單一數據庫功能。在Pro/ENGINEER中，運動仿真的結果不但可以以動畫片的形式表現出來，還可以以參數的形式輸出，從而能夠獲知零件之間是否干涉和干涉的范圍有多大等，并根據仿真結果對所設計的零件進行修改，直到不產生干涉為止。在Pro/ENGINEER系統中，使振動平臺組件實現運動仿真的方法有3種， 機械(Mechanism)模塊實現，Animation功能實現， Pro/MECHANICA(簡稱Pro/M)模塊的Motion部分實現PRO/MECHANICA中的MOTION 模塊，是一個完整的三維實體靜力學，運動學，動力學和逆動力學仿真與優化設計模塊，是機構運動分析強有力的工具。在Pro/ENGINEER操作界面就可以使用集成的PRO/MECHANICA MOTION 中的函數。

機構運動仿真是在Pro/ ENGINEER wildfire2.0系統的裝配模式中進行的，其Mechanism功能專門用來處理裝配件的運動仿真[9，10]。本文基于機械(Mechanism)模塊實現振動平臺工作狀態的運動仿真在裝配(Assembly)模式中[11]，Mechanism功能專門用來處理組件間的運動仿真。該模塊與Pro/E完全集成，不需單獨安裝，操作簡便易用，但分析功能不是很強。它可以使用戶通過運動副/連接的設定，使振動平臺組件按實際情況運動[12]。在Pro/ENGINEER的機械(Mechanism)模塊中，可進行振動平臺的機械運動仿真，并可將其結果輸入到Pro/MECHANICA中，以便進一步進行力學分析，也可將機械模型帶入到設計動畫(Animation)中以創建一個動畫序列[13]?？傮w方案設計主要是利用已知條件，以及希望達到的目的或機械應實現的功能，進行機械的全局設計，在頭腦中構思形成比較完善的設計方案。

2 振動平臺機構運動仿真設計

2.1 機構運動仿真的設計過程

機構運動仿真的設計過程如圖1所示，主要可分為以下幾個步驟：

圖1 機構運動仿真的設計流程圖

(1)創建機構

圖2 水輪機模擬振動平臺裝配圖

首先確定各零件的形狀、結構、尺寸和公差等，并在計算機上進行三維實體造型，然后通過裝配模塊完成各零件的組裝，形成整機裝配是運動仿真的前提保障，裝配關系的正確與否直接影響著運動仿真的結果，裝配前首先要確定運動的各構件以及各構件之間的運動副。確定好各構件及各構件之間的運動副之后，即可通過選擇構件和運動副組成機構，最后由各機構組成整機，并為仿真作準備。在運用Pro/ENGINEER wildfire2.0在進行機構設計和運動仿真的過程中，機構的創建是一個很重要的步驟，機構沒有創建好，后續的運動方針和模型分析等工作都不能夠進行[14]。水輪機模擬振動平臺裝配圖如圖2所示。

(2)使機構產生運動

在裝配環境模式下，打開振動平臺裝配文件，選擇菜單/應用程序Mechanism進入運動仿真環境。設置運動環境是定義機械系統運動所必需的各種條件，比如：運動的動力源，初始位置和狀態等。在復雜的機械系統中，要定義多重的動力驅動，并要定義不同驅動之間的大小方向等的關系，還要約束機構的最大和最小運動極限，使系統能在合理的范圍中運動。在已建立運動模型的基礎上，此步驟將賦予模型運動的屬性。系統將在此定義下完成要求的運動。Pro/E機構運動仿真的主要工作就是完成裝配和定義連接，添加驅動器，運動仿真和結果回放。首先，將機構各元件使用三維實體建模模塊創建后，存放在同一工作目錄中。為了使機構模型能夠運動起來，進入“Mechanism”模塊向模型中添加驅動器。驅動就是機構的動力源，伺服電機能夠為機構提供驅動。通過伺服電機可以實現旋轉及平移運動，并能以函數的方式定義運動輪廓，可以使用參數進行控制。振動平臺工作狀態的運動仿真主要是振動平臺大軸的轉動，故在此對大軸設置伺服電機。

(3)進行機構運動仿真

分析運動機構是定義要分析的屬性。在 PRO/M中包括裝配分析，速度分析，靜態分析，運動分析等多種分析類型[15]。通過對系統的各種動態分析，可迅速得到相關的信息，以此設計和完善構件。設定分析條件并運行完成對機構的連接和驅動的設置后，就可以為運動設置合適的條件及環境，隨后進行機構的運動分析。

(4)查看和分析仿真結果，分析研究機構模型

對機構的分析運行完成后，就可以使用回放/測量等功能進一步了解運動過程。如單擊/結果回放按鈕，打開/回放對話框:選取/全局干涉，單擊/播放按鈕，即可觀看振動平臺工作狀態的運動仿真結果.再如單擊/運動包絡按鈕，打開/創建運動包絡對話框：設置運動級別值，選取零件，既可預覽包絡模型，也可保存包絡模型。通過“回放結果”來重新演示機構運動過程，檢測干涉、定性分析從動運動特性，保存運動結果并創建MPEGJPEG文件等。在整個機構運動仿真的過程中，各步驟之間并非獨立的，而是相互關聯和影響的，通過分析仿真的結果，不斷完善運動模型、變換運動的環境，才會使最終的設計結果趨向滿意。

2.2 機構連接類型簡介

2.3 機構運動仿真的優越性

通過機構仿真，可以在進行整體設計和零件設計后，對各種零件進行裝配后模擬機構的運動，從而檢查機構的運動是否達到設計的要求，可以檢查機構運動中各種運動構件之間是否發生干涉。同時，可直接分析各運動副與構件在某一時刻的位置、運動量以及各運動副之間的相互運動關系及關鍵部件的受力情況[16]。從而可以將整機設計中可能存在的問題消除在萌芽狀態，減少試制樣機的費用，并大大縮短機械產品的開發周期。

2.4 幾個需要注意的問題

(1)運動模型的質量屬性包括密度，體積，重心和慣性矩對于不需要考慮/力的場合，例如純粹的機械運動，可不設置質量屬性。

(2)連接能限制主體的自由度，僅保留所需的自由度，以產生機構所需的運動類型，連接的建立需要配合/約束去限制主體的某些自由度，而常規的裝配則限制了元件所有的自由度。在完成連接裝配后，若要移動元組件，不能在/元件放置中直接移動，而應切換到機械(Mechanism)下，單擊，可實現拖動。

(3)對運動組件的連接完成后，可以通過/連接軸設置功能對連接作參數設定，例如主體的相對位置/零位置/參照運動范圍限制等。

2.6 仿真分析結果

根據前面的設計，我們進行了振動仿真，主要包括機構的基本運動仿真和不同工況下面的運動仿真，由于還沒有和外部測試和控制系統連接，目前的所有仿真是內部自定義的，運動結果只能滿足基本的需要，但是已經可以考到整體的三維運動仿真效果，只要和外部系統連接起來就可以實現整體的協同仿真效果，是后續要研究的重點。

3 結語

從以上實例可以看出，Pro/ENGINEER提供了完善的仿真功能，使得原來在二維圖紙上難以表達和設計的運動變得直觀和易于修改。使用三維實體建模模塊創建模型后，既可模擬模型的運動過程，分析機構的運動軌跡、位移以及干涉等問題，還可以將仿真的結果輸出，生成MPEG、JPEG等格式的文件，幫助用戶更好的完成機構設計，并且能夠大大簡化機構的設計開發過程，縮短其開發周期，減少開發費用，同時提高了產品質量。Pro/ENGINEER運動分析模塊可以進行機構的干涉分析，跟蹤零件的運動軌跡，分析機構中零件的速度、加速度、作用力、反作用力和力矩等。運動分析模塊的分析結果可以修改零件的結構設計或者調整零件的材料。設計的更改可以直接反映在裝配主模型的復制品分析方案中，再重新分析，一旦確定優化的設計方案，設計更改就可直接反映到裝配主模型中，所以，在振動平臺的產品開發中，應用Pro/ENGINEER運動分析模塊除了可完成以上所述的仿真功能外，還有更多的功能有待發掘和利用。

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Study on the Movement Simulation of Vibrating Platform of Water Turbine Using Pro/ENGINEER

HUANG Yao，HU You-ming

(School of Mechanical Science & Engineering, Huazhong University of Science & Technology, Wuhan Hubei 430074, China)

The basic method of simulation of vibrating platform movement using Pro/ENGINEER was introduced in the paper. According to analyzing the design and manufacturing characteristics of vibrating platform, the key technologies of vibrating platform basing on mechanism module were expatiated, and the detailed operation steps were carried out to performed movement simulation of vibrating platform. Finally the superiority of the method was concluded

Pro/ENGINEER; movement simulation; vibration; design

TH139

A

1009－5160(2010)03－0041－04

*通訊作者：胡友明（1965-）男，教授，博士生導師，研究方向：數控裝備，智能制造與控制等.

國家自然科學基金（505750087）.