基于ADAMS 的新產(chǎn)品開發(fā)設計

蔣新雅，王金龍

(四川大學，四川 成都 610064)

0 引言

在傳統(tǒng)的設計和制造過程中，研發(fā)新產(chǎn)品通常要經(jīng)過設計、樣機試制、工業(yè)性試驗、改進定性和批量生產(chǎn)幾個步驟，只有通過周而復始的設計——試驗——設計過程產(chǎn)品才能達到要求的性能［1］。這種物理樣機的設計研發(fā)模式存在嚴重的缺陷，即成本高、周期長，往往使得物理樣機的反復性試驗不夠充分。基于物理樣機上的設計試驗過程嚴重制約了產(chǎn)品的品質(zhì)提高、成本的降低和對市場的占有。虛擬樣機技術可使產(chǎn)品設計人員在各種虛擬環(huán)境中真實的模擬產(chǎn)品整機的運動及受力情況，快速分析多種設計方案，進行對物理樣機而言難以進行或根本無法進行的試驗，直到獲得優(yōu)化設計方案［2］。

本文主要通過一個實例具體來說明運用多體動力學軟件ADAMS 開發(fā)一個新產(chǎn)品的設計過程，可為產(chǎn)品開發(fā)提供一條種新的途徑，同時這也是以后產(chǎn)品開發(fā)的主流趨勢。

1 ADAMS 虛擬樣機技術

所謂虛擬樣機技術就是在建造第一臺物理樣機之前，利用計算機技術建立產(chǎn)品的計算機模型，通過基于實體可視化的仿真分析，模擬該產(chǎn)品在真實工作環(huán)境條件下的運動和動力特性，并反復修改設計，而得到最優(yōu)設計方案［3］。ADAMS 是世界范圍內(nèi)第一個具有仿真整個機械系統(tǒng)工作性能的大型仿真分析系統(tǒng)［4］。

本文選用的是一個經(jīng)典機構—彈簧掛鎖。該機構掛鎖共有十二個，在Apollo 登月計劃中，被用來夾緊登月倉和指揮服務倉。其物理樣機模型和虛擬樣機模型如圖1所示。Hook:掛鉤;Coupling member:連接成員。

圖1 物理樣機模型

1.1 設計要求

1)能產(chǎn)生至少800 N 的夾緊力;2)手動夾緊，用力不大于80 N;3)手動松開時做功最少;4)必須在給定的空間內(nèi)工作;5)有震動時，仍能保持可靠夾緊。

1.2 彈簧掛鎖模型的工作原理

在POINT－4(D)處下壓操作手柄(handle)，掛鎖就能夠夾緊。下壓時，曲柄(pivot)繞POINT－1(A)順時針轉動，將鉤子(hook)上的POINT－2(B)向后拖動，此時，連桿(slider)上的POINT－5(E)向下運動。當POINT－5(E)處于POINT－6(F)和POINT－3(C)的連線時，夾緊力達到最大值。POINT－5(E)應該在POINT－6(F)和POINT－3(C)連線的下方移動，直到操作手柄(handle)停在鉤子(hook)上部。這樣使得夾緊力接近最大值，但只需一個較小的力就可以打開掛鎖。

1.3 建立虛擬樣機模型

在ADAMS 中按照該機構的實際尺寸和形狀建立初始模型，根據(jù)實際的運動情況在各個部件之間施加相應的約束與載荷。添加約束和載荷時應注意選擇約束和載荷的類型、作用部件、作用點和方向。在依次完成導入幾何建模、約束的施加、載荷的施加后，在ADAMS 軟件中建立起來的整個虛擬樣機如圖2 所示。

圖2 虛擬樣機模型

1.4 測試初始模型

通過作用在操作手柄上端80 N 的力來產(chǎn)生至少800 N的夾緊力，來對該機構進行一次動態(tài)仿真。當D 處于F 和C 的連線時，夾緊力達到最大值。通過測量角度來反映手柄壓下的行程，彈簧掛鎖鎖緊時，手柄需要壓過鎖緊點位置，從而保證掛鎖處于自鎖狀態(tài)。借助傳感器使該角度在不小于0°時仿真停止，再進行一次動態(tài)仿真來測量彈簧力和角度的變化值，仿真結果如圖3 所示。

圖3 仿真結果

1.5 檢測測試結果

下面調(diào)入物理樣機試驗數(shù)據(jù)，將模擬仿真結果與物理樣機試驗數(shù)據(jù)對照比較，如圖4 所示。驗證了所設計方案的可行性。

圖4 模擬樣機與物理樣機對比結果

1.6 虛擬樣機模型參數(shù)化的優(yōu)化

a)參數(shù)化模型

本文的虛擬樣機模型是依附于設計點建立的，因此采用參數(shù)化點坐標的方法。將設計點的坐標參數(shù)化，可以自動地修改與設計點有關的對象，并利用這些點產(chǎn)生新的構件，當這些設計點的參數(shù)改變時，與其相關聯(lián)的幾何形體也將自動更新，得到新的虛擬樣機模型，故通過將點的坐標參數(shù)化可以實現(xiàn)彈簧掛鎖機構模型的參數(shù)化［5］。本文將設計點POINT－1 作為原點，其參數(shù)值不變，對設計點POINT－2 一POINT－6 的橫坐標和縱坐標進行參數(shù)化處理，創(chuàng)建設計變量DV－1～DV－10。

b)優(yōu)化設計

優(yōu)化分析是ADAMS/View 提供的一種高級參數(shù)化計算、分析工具，在設定的變化范圍內(nèi)，通過分析程序自動地調(diào)整設計變量，求取最佳設計。樣機優(yōu)化設計方法有2種:1)同時考慮各個設計變量，進行仿真分析，得出優(yōu)化結果，這種方法在設計變量較少時適用;2)先分別對每個設計變量進行優(yōu)化靈敏度分析，選取靈敏度最高，即對設計影響最大的幾個變量進行調(diào)整，得出優(yōu)化結果，該方法在設計變量較多時適用［6］。本文采用2)方法，優(yōu)化目標是使彈簧掛鎖機構夾緊力達到最大。

為了對虛擬樣機模型進行細化處理，需要創(chuàng)建設計變量，并對設計變量值進行設計。用設計變量代替虛擬樣機模型中設計點的x 和y 坐標值。但為了保證機構的封閉性要求，保留手柄端點point－4 坐標值為常數(shù)。設計變量設置如圖5 所示。

圖5 變量設置

1.7 虛擬樣機模型設計研究

為快速地獲得虛擬樣機的改善模型，在滿足手柄能通過死點的條件下，需要對一些點進行設計方案研究，從中找出一種較優(yōu)的方案使夾緊力最大，同時可以迅速確定設計變量的取值范圍。下面對其中DV－1 變量方案評估，評估結果如下圖6 所示。

圖6 DV－1 評估結果

同理，在其余變量保持恒定的基礎上，分別對每一個變量進行設計研究，以直觀比較系統(tǒng)模型針對各個設計變量的靈敏度，結果見表1，其中敏感度定義為彈簧力相對變量的斜率。

表1 變量DV－1～DV－10 靈敏度對比

優(yōu)化設計過程中，必不可少的重要環(huán)節(jié)就是評估系統(tǒng)模型針對不同設計變量的靈敏度，而靈敏度對最優(yōu)化設計時設計變量的選擇起到至關重要的作用。通過參數(shù)化可以迅速分析得知哪些設計變量對目標函數(shù)影響較大，哪些設計變量對目標函數(shù)影響較小，選擇影響較大的設計變量作為目標函數(shù)的設計變量進行優(yōu)化設計［7］。在本機構中，DV－4、DV－6 和DV－8 的敏感度最大，那么這3 個變量對該目標函數(shù)的影響最大，在接下來的優(yōu)化設計中將選擇這3 個變量作為主要目標函數(shù)的設計變量進行優(yōu)化設計。

1.8 虛擬樣機模型優(yōu)化設計

通過對DV－4、DV－6 和DV－8 的變量初始值，即設計點的相關坐標進行微調(diào)，觀察比較微調(diào)前后目標函數(shù)的變化，驗證結果顯示設計模型能夠滿足優(yōu)化設計的要求，使彈簧掛鎖機構夾緊力達到最大，達到本次優(yōu)化設計目標。其優(yōu)化結果如圖7，表2 所示

圖7 優(yōu)化結果

表2 優(yōu)化前后數(shù)據(jù)對比

2 結語

利用ADAMS 建立虛擬樣機模型并進行仿真優(yōu)化設計是一種簡便直觀的方法，既省去了建立機構參數(shù)與目標函數(shù)之間關系式和編程復雜程序的耗時工作，使復雜機械結構的優(yōu)化設計變得簡便易行，又提高了優(yōu)化效率，簡化了產(chǎn)品的設計過程，縮短了產(chǎn)品的研發(fā)周期，從而降低了產(chǎn)品的制造成本，為現(xiàn)代產(chǎn)品的設計提供了一種新思路。

［1］孫恒，陳作模.機械原理［M］.北京:高等教育出版社，2001.

［2］王國強，張進平，馬若丁.虛擬樣機技術及其在ADAMS 上的實踐［M］.西安:西北工業(yè)大學出版社，2002.

［3］李軍.邢俊文.覃文潔.ADAMS 實例教程［M］.北京:北京理工大學出版社，2002.

［4］(美)MSC.Software，MSC.ADAMS/view 高級培訓教程［M］.李軍，陶永忠.譯.北京:清華大學出版社，2004.

［5］朱會玲，段志善，史麗晨，等.基于ADAMS 的軋管機工作機構仿真與優(yōu)化［J］.煤礦機械，2009，30(11);30-32.

［6］張敏，石秀華，吳一紅.基于ADAMS 的三自由度水下機械手運動學仿真［J］.機械設計與制造，2005(7):85-86.

［7］何邕，賈美薇，李萍奎，等.基于虛擬樣機的鏟運機工作裝置仿真及優(yōu)化［J］.系統(tǒng)仿真學報，2011，23(4);702-706.