虛擬樣機技術的簡單應用及實現

袁振華

（北京首都機場航空安保有限公司，中國 北京 100000）

0 引言

虛擬樣機技術是指利用計算機技術構建出機械系統的1∶1 數學模型，通過仿真分析，可視化該系統在實際工況下的運行情況及特性， 改變其優化項參數，從而得到最優的設計方案。 傳統的機械制造業主要依靠物理樣機的方式，進行大量測試、修改參數、再設計優化等步驟，直至形成最終產品，研發周期較長。相比較而言，虛擬樣機技術的應用可以替代物理樣機的多次試制試驗，大大縮短了研發周期，降低了研發和生產成本，并提高了產品的工藝、性能、質量并延長了使用壽命， 非常符合現如今的快速高效發展的要求，具有極大的競爭力。

當前， 虛擬樣機技術已廣泛運用在各個行業，從航空航天、汽車制造、工程機械到醫療、玩具行業，其便捷快速的特點吸引著眾多的國家和制造商，而將虛擬樣機技術應用到玩具的產品研發設計中，能夠用于玩具產品總體設計方案的動態特性的演示驗證，進行總體性能及戰術指標的預測和評估，實現多種設計方案的性能比較與多方案優選；能夠實現對研制階段物理樣機各項性能指標的監控，為研制過程中出現的技術難題、故障現象提供理論分析方法，提出并制訂解決方案，優化各項性能指標。

本文通過對實體模型進行拆解、 測繪、 建模、仿真，簡單展示了虛擬樣機技術的實現流程。

1 三維模型建立

1.1 模型拆解分析

本文選用的實體模型如圖1 所示，模型主要由上蓋、底座、牙箱、前后輪、彈簧以及連桿與底桿構成，拆解模型，分析其運動狀態并對零部件進行測繪。 從圖1 內部零件示意圖中發現，彈簧兩端分別固定在連桿和底座上， 通過彈簧的拉伸與收縮控制連桿的運動；牙箱是動力輸出原件， 牙箱是由發條和齒輪系組成，齒輪系相當于變速箱，起傳動與變速的作用，一開始發條在發條軸的轉動下縮緊，將發條軸的轉動動能轉化為發條的勢能儲存起來，當放開發條軸時，發條放松，發條儲存的勢能轉化為后輪的動能，為模型提供動力。同時，發條軸轉動，發條軸上的凸輪會和連桿上的側方凸起發生接觸碰撞（見圖2），由于連桿和底桿、底桿和底座之間形成的轉動副， 連桿會牽引底桿，使底桿撐起整個模型。

圖1 模型示意圖

圖2 凸輪與連桿接觸碰撞

圖3 為上蓋結構圖，上蓋中斜架的構造設計比較精妙，當底桿撐起的角度足夠大時，使模型翻倒，在慣性作用下利用斜架曲面及整體流線型構造可使模型自動站起并實現轉彎，之后繼續運動。

圖3 上蓋結構圖

1.2 實體模型三維建模

本文利用UG NX 三維建模軟件對模型的各個構件進行1∶1 建模，并完成虛擬裝配，如下圖4 所示：

圖4 模型裝配圖

2 動力學仿真

本文采用仿真軟件Adams 對三維模型進行動力學仿真，Adams 與UG 的數據接口通常為Parasolid 格式，將模型導入到Adams 界面進行前處理設置。

2.1 模型前處理

如圖5 為模型前處理界面，本模型動力學仿真涉及自身重力，需創建底板模擬實際作用平面。

機械系統通常由多個構件組成，每個構件之間都會存在約束關系，即相互限制，剛性構件之間的這種約束關系被稱為運動副或鉸鏈。根據本模型的實際運動情況，需要在各構件之間添加和定義運動副，通過運動副把構件聯系起來， 約束構件之間的相對運動，以便進行動力學和運動學的仿真模擬，使模型按照指定的規律運動。 本模型所涉及的轉動副有6 處：前輪與底座、后輪與底座、發條軸與底座、連桿與底桿、底桿與底座、后輪與牙箱；固定副3 處：底板與地面固定、上蓋與底座固定、牙箱與底座固定；接觸碰撞6處：底座與底板、底桿與底板、上蓋與底板、前輪與底板、后輪與底板、連桿與發條輪；添加彈簧并設置彈簧的主要系數：剛度系數、阻尼系數、預緊力和初始長度。 約束好的運動副如圖5 右所示。

圖5 模型前處理界面

2.2 仿真分析

通過對模型拆解分析得知，模型的運動狀態為在發條軸的作用下向前行走， 發條軸在回轉過程中，發條軸上凸起與連桿側方凸起碰撞接觸， 帶動連桿移動，連桿拉伸與底座的彈簧，彈簧力變大，同時連桿牽引底桿，底桿向下運動撐起模型，撐起角度逐漸變大，直至模型翻倒，模型由于慣性在頂架的作用下自動站起，偏轉一定角度，之后繼續重復這一過程。牙箱的作用相當于減速箱，在本文中，為簡化仿真模型，將牙箱的作用替換為發條軸與后輪之間的驅動轉速比i=Nf/Nh，其中Nf為發條軸轉速，Nh為后輪轉速。

經調試，首先選取Nf=300°/s，Nh=0°/s，得到模型定點運動如下：

在仿真過程中發現，模型上下部分的密度會影響其運動狀態，重心偏低會導致模型即使在底桿的作用下撐起也無法翻倒；重心偏高則會導致模型翻倒后無法自動站立，故應通過設置模型上下部分的密度將重心提高到合適的位置。

圖6 模型前處理界面

表1 發條軸轉速與后輪轉速仿真情況表（單位：°/s）

圖7 彈簧形變曲線

固定Nf=300°/s，Nh設為變量，取值范圍由3 000～11 000，通過仿真得到表1 所示結果。

由仿真結果可知，只有當驅動轉速比i 在合適的范圍內才可實現運動。

通過后處理可得到運動過程中彈簧形變曲線：

彈簧形變呈現周期性變化，彈簧伸長時最大形變接近8 mm，最小值出現負值，分析由于彈簧收縮時拉動連桿恢復初始長度， 但由于慣性連桿速度并不為零，故存在短時間彈簧壓縮過程。

3 結論

本文利用UG NX 與Adams 軟件對實體模型進行三維建模和動力學仿真，通過改變虛擬模型參數進行仿真分析，得到最優參數范圍，可降低物理樣機研制的成本，簡單展示了虛擬樣機技術的流程、原理與優勢，為今后虛擬樣機技術在各行業的應用與拓展提供參考。