基于Mworks的機械系統仿真實驗研究

李斌?陳立平?黃正東

摘?要：本文采用Mworks系統的標準件庫對雙級圓柱齒輪減速器進行了建模仿真，建模過程簡捷、仿真效果直觀。學生可以直觀的在模型中設定系統中電機轉速、力矩、齒輪傳動比等參數，通過仿真系統自動得到不同設計結果，讓學生學習復雜機械產品不斷優化的設計過程。

關鍵詞：Mworks系統仿真實驗?仿真效果

中圖分類號：TU646文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2012）10（a）-0006-02

目前機械產品通常是機械、電子、控制等多領域子系統的組成，因此機械產品設計是一個系統設計過程，是工程分析和優化決策的過程，是產品性能的不斷優化的過程，Mworks為產品多學科優化設計提供了一個很好的平臺。

MWorks[1-5]是華中科技大學CAD中心（同元軟控）歷經10余年傾力打造的新一代多領域物理系統建模與仿真平臺，完全支持國際多領域統一建模標準語言Modelica，提供了從可視化建模、編譯求解到結果后處理的完整功能，并支持基于Modelica模型的多學科多目標優化。

該系統可利用現有大量可重用的Modelica領域庫，廣泛地滿足機械、電子、控制等領域建模仿真與設計優化需求。能使不同領域的研發人員在統一的開發環境中對復雜產品進行多領域協同開發、試驗和分析。從而大大提高產品研發效率。目前該系統已經成功應用于中國商用飛機有限公司（國產大飛機）項目，應用效果良好。

本文主要針對本科生《機械設計》課程設計要求，對減速箱基本動力學分析，使用Mworks進行減速箱功率、受力、運動等性能仿真，幫助學生進行機械系統優化設計。

1減速箱仿真模型建立

1.1 幾何模型建立

本文以應用廣泛、結構相對簡單的標準雙級圓柱齒輪減速器為例子，首先使用三維CAD軟件建立其三維幾何、裝配模型，能幫助學生能進一步直觀掌握減速箱的各零部件的裝配關系，完成裝配模型后生成爆炸圖，如圖1所示。將缸體、缸蓋、以及固定缸體缸蓋的螺栓和螺母拆開，了解減速箱內部結構，使得學生能夠非常直觀的看到減速箱內部結構，為結構設計打下基礎。

1.2 動力仿真模型建立

目前的多領域物理建模平臺在不同領域庫的支持下，采用可視化拖放建模方法構建仿真模型，其過程如下：先建好底層模型，再在主模型中拖放底層模型作為主模型的部件，或者從Modelica標準庫中拖放模型作為主模型的部件。

圖2所示為作者開發多領域建模仿真平臺Mworks減速箱模型。具體操作步驟如下敘述。

啟動MWorks，出現如圖所示的啟動界面，上面橫條為工具欄和菜單欄，可以啟動工作、各種操作，右邊為視圖瀏覽區、輸出信息欄和屬性欄。左上部分是系統模型庫，包括各種機械、電子等已有的參數化模型，具體如下。

Blocks——連續和離散的輸入/輸出部件子庫，例如濾波器、信號源等。

Constants——提供數學常量、機械相關的常量和自然界其他常量等。

Electrical——電氣和電子元件庫，例如電阻、二極管、三極管等。

Icons——提供基本圖標定義的庫，用于可視化建模。

Math——提供數學函數（如sin、cos、log等）和矩陣運算功能的子庫。

Mechanics——包括一維和三維機械系統部件（如變速箱、行星齒輪、離合器等）的子庫。

SIunits——定義了與ISO 31-1992一致的國際單位類型，如角度、電壓、慣量等。

用戶可以根據需要用鼠標拖拽的方式拉到設計工作區，左下部分是現有模型視圖，以結構樹的形式列出當前系統包含的各種組件。模型庫右邊是主工作區，可以通過拖拽模型庫中已有的模型到工作區設計產品。

在左邊“系統模型庫”樹視圖上依次展開節點“Modelica”->“Mechanics”->“MultiBody”，顯示系統中已經存在模型庫，比如電機、傳動齒輪等。雙擊節點“Rotor”，MWorks載入電機模型及其所需的組件，并在視圖瀏覽區顯示模型部件結構，左下方“現有模型”視圖顯示系統標準庫和用戶庫中模型的層次結構，右邊的視圖瀏覽區顯示已有的模型結構。以此類推，將電機、齒輪、扭矩等組件拖拽進工作區，并添加鏈接組件，構成減速箱基本傳動結構。

選中“Rotor”組件的圖標，單擊右鍵，彈出快捷菜單，如圖2-4示，通過“Parameters…”調出組件參數對話框（依次點擊“Graphics”->“Selected Component”->“Parameters…”也能調出該對話框），在其中可以修改組件的名稱、參數等。

在部件視圖瀏覽區雙擊代表組件的圖標（或單擊組件圖標使之選中，然后通過“Graphics”->“Selected Component”->“Show Component”；或打開右鍵快捷菜單，選擇“Show Component”），可以查看組件模型細節。當鼠標在組件圖標上懸停時，會顯示組件的類型信息。

“當前模型”樹視圖和右邊顯示的組件保持同步。當在部件視圖瀏覽區選中某一組件，左邊的“當前模型”樹視圖也會選中代表該組件的節點；同樣，在“當前模型”樹視圖中選中某節點，部件視圖瀏覽區也會選中該節點所表示的組件。部件視圖瀏覽區顯示組件的具體結構，“當前模型”給出了模型的整體結構，使得能夠在模型的層次結構中切換和瀏覽。

現在部件視圖瀏覽區顯示的是減速箱組件的結構，包括電機、扭矩、負載、齒輪等，并且左邊“當前模型”視圖中表示減速箱組件的節點展開了，可以看到減速箱模型內部的組件，當選中某個組件時，屬性欄顯示組件的基本屬性和組件參數，根據設計要求可以修改齒輪傳動比、負載等參數，使系統負荷設計要求。

2模型仿真

建好模型后，我們可以仿真的方式檢驗模型是否能夠達到設計要求，并可以調整組件的參數進行優化設計。

選擇“Simulation”->“Goto Simulator”菜單項或工具欄的“啟動仿真界面”按鈕打開仿真界面，如圖示。如果要設置仿真參數，通過菜單“Simulation”->“Setup”或工具欄“仿真參數設置”按鈕進入設置界面，設置終止時間為1s。

通過菜單“Simulation”->“Simulate”或工具欄“模型求解”按鈕進行仿真。MWorks先翻譯模型，然后進行求解。求解完成后，變量樹視圖中顯示模型中的變量，選中變量前的復選框，可以繪制出度變化的曲線，如圖5示，電機的角速度motor1.Jm.w變化曲線。

在左邊變量框，選擇相應變量，比如齒輪扭矩等，仿真后可顯示相應的動力學曲線。

3結語

本文采用Mworks的標準件庫對應用廣泛、結構相對簡單的標準雙級圓柱齒輪減速器進行了建模仿真，學生可以直觀的設定系統中電機轉速、力矩、齒輪傳動比等參數，系統自動得到不同設計結果，讓學生體會到機械產品不斷優化的設計過程。這樣將有利于學生掌握機械設計過程，提高產品設計能力，為將來從事相關工作打下堅實的基礎，同時也為工科學生的工程學習提供新的途徑。

參考文獻

[1]吳義忠，劉敏，陳立平.多領域物理系統混合建模平臺開發[J].計算機輔助設計與圖形學學報，2006，18（1）： 120-124.

[2]趙建軍，丁建完，周凡利，等. Modelica語言及其多領域統一建模與仿真機

理[J].系統仿真學報，2006，18（2）：

570-573.

[3]王書亭，吳義忠.多領域仿真平臺下自頂向下的建模機制[J].計算機輔助設計與圖形學學報，2010，22（7）.

[4]趙翼翔，陳新度，陳新.基于Modelica的機電液系統多領域統一建模與仿真[J].

機床與液壓，2009，137（16）：166-169.

[5]趙建軍，吳紫俊.基于Modelica的多領域建模與聯合仿真[J].計算機輔助工程，2011，20（1）.