基于ADAMS的機械CAD/CAM技術優化設計教學實踐

吳建民

（上海工程技術大學 機械與汽車工程學院，上海 201620）

0 引言

工程教育專業認證的核心是確認本科專業畢業生符合行業認可的質量標準要求，因此為了更好地滿足工程教育認證標準畢業要求，使得本科畢業生能夠使用現代工程工具對復雜工程問題進行分析與模擬，本校機械工程專業開設了機械CAD/CAM技術課程，其課程內容涉及三維建模、計算機輔助工程分析以及計算機輔助數控加工技術等，涵蓋多門學科的相關知識。

作為機械CAD/CAM技術課程的重要組成部分，機械優化設計章節的教學目的是使學生樹立優化設計的思想，能解決實際工程中的機械優化設計問題，要求學生掌握基本概念、理論和方法，合理地推導及建立對應問題的數學模型，選用恰當的優化方法、在滿足設計約束的前提下，求解優化設計問題。

根據目前教學安排，主要以理論教學為主，而優化設計是以數學中的最優化理論為前提，涵蓋較多的數學理論與計算機優化算法，因此在建立機械零部件的數學模型時，需要運用復雜的數學及較多的專業知識進行推導，這對學生的數學及專業知識提出了較高的要求，導致學生在學習這部分內容時，效果不佳。

基于此，利用虛擬樣機軟件ADAMS，結合工程實踐項目闡述機械優化設計相關知識，以促進機械優化設計的教學，同時強化實踐應用。

1 夾緊機構運動分析及數學模型建立

本項目來自于實際工程項目，根據項目實際使用要求，對待檢測工件進行快速安裝與拆卸，故采用如圖1所示的夾緊機構。

圖1 夾緊機構三維模型

1.1 機構運動分析

根據圖1所示，構建了如圖2所示的夾緊機構的運動簡圖[1]。圖中，桿件CDE為手柄，為主動件，工作時，手柄受力，帶動C處的滑塊，進而使得桿件AC繞A旋轉，帶動桿件CB運動，B處滑塊的左右平移運動實現夾緊及拆卸工件的作用。

圖2 夾緊機構的運動簡圖

1.2 優化設計數學模型建立

優化問題數學模型的實質是實際優化設計問題的數學抽象，即將設計問題的物理模型轉化為數學模型，用數學形式描述實際的設計問題，可闡述為：在滿足給定的約束條件（含等式約束hv（X）、不等式約束gu（X））下，選取適當的設計變量X，使得目標函數f（X）達到最優值[2，3]。因此根據機械優化設計相關理論，建立數學模型需要給定目標函數、設計變量及約束條件。

1.2.1 設計變量確定

設計過程中，設計變量必須是最終確定的獨立參數。本項目選取桿件AC、BC及DE的長度作為優化設計的設計變量，即：

1.2.2 目標函數確定

目標函數是優化設計中預期達到的最終目標，用以評價設計方案的優劣。目標函數的最優值通常用最小值（或最大值）來體現。本例中，提出設計要求，希望在一定的桿件長度范圍內，夾緊力最大，因此可得目標函數，即：

1.2.3 約束條件確定

根據設計要求，基于目標函數，明確夾緊機構的具體約束條件，具體內容如下。

（1）桿件AC、BC及DE的長度有一定的限制，有以下的約束條件：

桿件AC：20≤lAC≤40。

桿件BC：50≤lBC≤100。

桿件DE：100≤lDE≤200。

（2）其他條件：

B處滑塊行程不得小于20 mm。

2 夾緊機構ADAMS仿真分析與優化

軟件ADAMS可仿真“現實世界”物理現象，可對機械結構及運動部件進行靜力學、運動學和動力學分析。

2.1 仿真模型創建

利用ADAMS進行仿真分析時，可以導入由其他三維設計軟件完成的模型，但是由于要進行機構的參數化建模設計及優化設計，由ADAMS完成模型的創建。

在ADAMS/中可通過機構關鍵點（鉸接中心點）確定、構件的創建、運動副以及驅動的施加完成仿真模型的創建[4]。圖3所示為在ADAMS中創建的夾緊機構模型，圖中左下方為彈簧，其目的是為測量夾緊機構的夾緊力[5]。

圖3 ADAMS中創建的夾緊機構模型

2.2 夾緊力分析

按照夾緊機構的實際使用狀態，在手柄E處施加力80 N，運動的極限位置在桿件AC與桿件BC水平共線，因此在Simulation Control界面設置仿真時間為0.0065 s，仿真步數為650進行仿真分析。同時創建測量彈簧的受力變量SPRING_1_MEA_1，以便獲得夾緊力的變化圖解，通過ADAMS/Postprocessor后處理模塊，得到夾緊力的變化如圖4所示。從圖4中可得最大值約120.87 N。

圖4 夾緊力變化曲線

2.3 參數化建模及影響程度分析

為分析桿件尺寸對夾緊力的影響情況，需采用參數化建模。采用ADAMS/View提供的使用設計變量的參數化方法進行建模。通過設置設計變量，可方便的調整已建模型中被設置為設計變量的對象。當設計變量的參數值發生變化，與設計變量相關聯的對象屬性也將自動得到更新[6]。

根據設計要求，定義設計變量DV_LAC、DV_LBC、DV_LDE，分別表示桿件AC、BC、DE的長度。各變量對夾緊力影響的影響程度分析是指三個設計變量中，僅有一個變化時，夾緊力的變化情況。結果如圖5～7所示。

在DV_LAC變化，而DV_LBC、DV_LDE保持固定值時，從圖5可看出，在20≤lAC≤40范圍內，大致在lAC=35 mm時，夾緊力最大。

圖5 DV_LAC的影響程度分析結果

在DV_LBC變化，而DV_LAC、DV_LDE保持固定值時，從圖6可看出，在50≤lBC≤87范圍內，夾緊力隨設計變量DV_LBC基本呈線性減小，在87≤lBC≤100時，夾緊力急劇減小。

圖6 DV_LBC的影響程度分析結果

在DV_LDE變化，而DV_LAC、DV_LBC保持固定值時，從圖7可看出，在100≤lDE≤200范圍內，夾緊力基本恒定，說明設計變量DV_LDE對夾緊力的影響可以忽略不計。

圖7 DV_LDE的影響程度分析結果

2.4 優化設計

根據參數化建模及影響程度分析結果，雖在單變量優化時，桿長lDE的變化可忽略，但在多設計變量優化時，仍采用1.2小節建立的優化設計數學模型。

根據建立的目標函數與約束函數，在ADAMS中分別創建對應的測試函數，進而構建出目標函數以及4個約束函數[7]。圖8為ADAMS中優化設計參數設定界面。

圖8 優化設計參數設定界面

優化過程是一個反復迭代和循環求解的過程。基于上述數學模型，經仿真運算，優化設計結果報告如圖9，其中有優化設計的目標（Objectives）、約束（Constraints）、設計變量（Design Variables），在要求的約束下，設計變量DV_LAC、DV_LBC、DV_LDE分別取39.2572、20.1319、141.508時，目標（夾緊力最大）達到最大值333.966 N，相對于2.2節得到的夾緊力120.87 N，實現了優化設計目標。

圖9 優化設計報告結果

3 結語

通過利用ADAMS對夾緊機構完成模型創建、仿真分析、參數化建模分析、優化設計以及后處理的全過程的闡述，可使學生對機械CAD/CAM課程中機械優化設計章節涉及的理論有了較深刻的直觀的認識，通過利用ADAMS搭建機械系統仿真模型，促進了理論與實踐相結合，為后續學生運用現代工程工具提高創新實踐能力奠定基礎。