大型機電產(chǎn)品的模擬仿真與虛擬設(shè)計

1、大型機電產(chǎn)品的模擬仿真與虛擬設(shè)計摘要 虛擬設(shè)計具有高效性、實用性的特點，在產(chǎn)品系列設(shè)計、相似性設(shè)計方面都有較大的應用價值。與傳統(tǒng)設(shè)計方法相比，能夠減少重復勞動，提高設(shè)計效率，符合現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計需求。針對某V型發(fā)動機配氣機構(gòu),以ADAMS為仿真平臺,建立了單個配氣機構(gòu)以及含凸輪軸柔性體的配氣機構(gòu)總成的多體系統(tǒng)模型,并對其進行相應的動力學仿真分析。結(jié)果表明,凸輪軸變形以及各缸配氣機構(gòu)的動力耦合,對配氣機構(gòu)的動態(tài)性能有一定的影響,凸輪軸軸承所承受的載荷主要受相鄰氣缸各氣門機構(gòu)凸輪載荷及其合力的影響。關(guān)鍵詞 虛擬設(shè)計 模擬仿真 VRML ADAMS 配氣機構(gòu)第一章 緒論1.1虛擬現(xiàn)實技術(shù)概論虛擬現(xiàn)實 (

2、Virtual Reality)技術(shù)，是一種可以創(chuàng)建和體驗虛擬世界的計算機系統(tǒng)，是20世紀八十年代興起的一門嶄新的綜合學科技術(shù)。它融合了數(shù)字圖像處理、計算機圖形學、人工智能、多媒體技術(shù)、傳感器技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)以及并行處理技術(shù)等多個信息技術(shù)分支的最新發(fā)展成果。從本質(zhì)上說，虛擬現(xiàn)實就是一種先進的計算機用戶接口，它通過給用戶同時提供諸如視、聽、觸等直觀而又自然的實時感知和交互，最大限度的方便用戶操作，使參與者“沉浸”于環(huán)境中。虛擬現(xiàn)實技術(shù)具有三個最顯著的特征:交互性(Interactivity)、沉浸性(Immersion)和想象性(Imagination)，也就是我們熟悉的“3I”特性(如圖1-1)。交

3、互性體現(xiàn)著使人和虛擬世界以自然的方式交互從而達到真正的忘我；沉浸性主要是通過用戶的感覺器官使用戶和虛擬世界融合在一起；想象性是超越現(xiàn)實世界的體現(xiàn)，它可以使現(xiàn)實中的危險、痛苦、無法逆轉(zhuǎn)的事情在虛擬世界中得以驗證，如核試驗、手術(shù)模擬、自然災害預測、文物修復、虛擬戰(zhàn)爭等。虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展和應用是各個國家高技術(shù)研究水平的綜合體現(xiàn)，是計算機技術(shù)在本世界和下世紀發(fā)展的焦點。圖1-1 虛擬現(xiàn)實技術(shù)3I特性1.2虛擬設(shè)計技術(shù)的發(fā)展史20世紀60年代，美國麻省理工學院林肯實驗室的I.E.Sutheriand發(fā)表了“Sketchpod:一個人機通信的圖形系統(tǒng)”的博士論文。這是公認的“交互式的計算機圖形學”的開端

4、，它的出現(xiàn)為CAD技術(shù)向“虛擬設(shè)計”飛躍提供了技術(shù)上的可能。20世紀70年代，微電子工業(yè)飛速發(fā)展，計算機的處理速度和存儲能力以每年40%的比率上升，而體積價格卻以同樣的比率下降，使得商品化CAD/CAM系統(tǒng)的普及成為可能。20世紀80年代，CAD軟硬件向標準化、集成化和智能化發(fā)展，人工智能和專家系統(tǒng)在CAD系統(tǒng)中的應用，使CAD向虛擬化又接近了一步。上世紀90年代以來，計算機技術(shù)出現(xiàn)了許多新成果，RISC微處理器廣泛應用于工作站，圖形的并行處理技術(shù)，多媒體技術(shù)的崛起都賦予CAD技術(shù)以新的內(nèi)容。同時也為CAD技術(shù)項“虛擬設(shè)計”飛躍提供了堅實的社會和技術(shù)基礎(chǔ)。CAD技術(shù)的不斷完善，以及虛擬現(xiàn)實技術(shù)

5、日漸成熟，使得“虛擬設(shè)計”一種全新的設(shè)計理念應運而生。簡單地說，虛擬設(shè)計就是基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的CAD系統(tǒng)，是指設(shè)計者在虛擬環(huán)境中進行設(shè)計，是20世紀90年代發(fā)展起來的一個新的研究領(lǐng)域。設(shè)計者可以在虛擬環(huán)境中用交互手段非計算機內(nèi)建立的模型進行修改。虛擬設(shè)計作為一種嶄新的設(shè)計技術(shù)，其無比的優(yōu)點和巨大的潛力已廣為科技界和企業(yè)界所共識。第二章 基于知識的產(chǎn)品虛擬設(shè)計系統(tǒng)由于現(xiàn)代設(shè)計對象具有復雜性和不確定性，傳統(tǒng)的設(shè)計技術(shù)已經(jīng)不能滿足需求。在參數(shù)化建模過程中，設(shè)計人員的設(shè)計意圖和設(shè)計時使用的企業(yè)規(guī)范不能夠清晰地表達出來。將知識工程(KBE)理論應用到計算機輔助設(shè)計過程中可以很好地解決這一問題。運用知識工

6、程原理對智能化設(shè)計方法進行研究，就是汲取產(chǎn)品開發(fā)人員的設(shè)計經(jīng)驗，采用知識工程原理將其表達出來，使之成為計算機可操作的對象，從而使設(shè)計人員在確保設(shè)計效率的同時，遵循最佳設(shè)計途徑，以達到智能化設(shè)計的目的。2.1虛擬設(shè)計系統(tǒng)結(jié)構(gòu)虛擬設(shè)計是指設(shè)計者在虛擬的環(huán)境中進行設(shè)計，設(shè)計者可以在虛擬的環(huán)境中用交互的手段對在計算機內(nèi)建立的模型進行修改。一個虛擬設(shè)計系統(tǒng)具備三個功能：3D用戶界面；選擇參數(shù)；數(shù)據(jù)表達與雙向數(shù)據(jù)傳輸。產(chǎn)生虛擬環(huán)境的基本方法有兩種，即基于圖像的方法 (image-based method)和基于模型的方法(modelbased method)。就機械產(chǎn)品設(shè)計而言，通?；诘诙N方法，首先利

7、用現(xiàn)有的三維設(shè)計軟件建立設(shè)計產(chǎn)品的3D模型，然后以統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式輸出，進行實時渲染。建立虛擬現(xiàn)實模型后，通過加入事件響應，實現(xiàn)移動、旋轉(zhuǎn)、視點變換等操作，從而實現(xiàn)交互虛擬環(huán)境。理想虛擬設(shè)計系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2-1所示。虛擬現(xiàn)實部分由數(shù)據(jù)源、數(shù)據(jù)接口、核心層、虛擬現(xiàn)實應用層、CS層組成，通過網(wǎng)絡(luò)與客戶取得聯(lián)系，開展協(xié)同工作。圖2-1 理想虛擬設(shè)計系統(tǒng)結(jié)構(gòu)2.2基于知識的產(chǎn)品幾何模型的表達機械產(chǎn)品設(shè)計是一個知識驅(qū)動的創(chuàng)造性過程，通過設(shè)計知識驅(qū)動產(chǎn)品幾何模型是實現(xiàn)基于知識的虛擬設(shè)計的關(guān)鍵。下面是常用的四種幾何模型驅(qū)動方式。（1）利用參數(shù)驅(qū)動幾何模型利用應用軟件的系統(tǒng)定義參數(shù)將設(shè)計中的尺寸約束轉(zhuǎn)化為控制產(chǎn)品

8、圖形的特征參數(shù)，通過可視化修改可直接驅(qū)動模型；用戶自定義參數(shù)不能直接驅(qū)動模型，需通過用戶自定義的公式與系統(tǒng)參數(shù)建立聯(lián)系，形成多種多樣的知識表達式，通過公式驅(qū)動系統(tǒng)參數(shù)，進而驅(qū)動模型。(2)利用表格驅(qū)動幾何模型應用表格驅(qū)動幾何模型就是將與設(shè)計有關(guān)的數(shù)據(jù)以表格形式存放在相應的文件或數(shù)據(jù)庫中，同時建立表中記錄與設(shè)計模型特征參數(shù)的聯(lián)系，通過訪問表中不同記錄達到改變幾何尺寸的目的。從而實現(xiàn)用表格驅(qū)動幾何模型。該方法尤其適用于機械產(chǎn)品中的標準件、系列化件。(3)運用基于規(guī)則推理的方法驅(qū)動幾何模型該方法是將產(chǎn)品設(shè)計過程中的設(shè)計準則、規(guī)范、原理、經(jīng)驗等，并建立相應的設(shè)計規(guī)則庫，存儲大量的設(shè)計規(guī)則、設(shè)計規(guī)范、設(shè)

9、計原理和設(shè)計經(jīng)驗，指導產(chǎn)品設(shè)計，控制產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，驅(qū)動產(chǎn)品模型。(4)運用基于事例推理的方法驅(qū)動幾何模型將以往同類產(chǎn)品成功的設(shè)計事例作為新設(shè)計的參考。這種設(shè)計思想適用于設(shè)計領(lǐng)域中經(jīng)驗性設(shè)計。事例推理機可以為應用軟件的一個內(nèi)嵌程序，如使用腳本語言編寫的宏程序，使用結(jié)構(gòu)化語言編寫的內(nèi)嵌程序等。2.3虛擬環(huán)境中的VRML 技術(shù)進入90年代以來，虛擬現(xiàn)實技術(shù)出現(xiàn)了一個非常重要的分支，即虛擬現(xiàn)實技術(shù)在Intemet網(wǎng)上的實現(xiàn)。人們開始嘗試將虛擬現(xiàn)實技術(shù)和Internet網(wǎng)絡(luò)技術(shù)結(jié)合起來，以允許用戶在進行信息檢索或瀏覽時，能得到各種實時交互的聲音、圖象等多種知覺的提示和反饋，這就導致了虛擬現(xiàn)實建模語言VRML

10、的產(chǎn)生。當我們用標準的二維技術(shù)通信時，我們只是遠程的觀察者，在內(nèi)容之外。但是當我們運用VRML時，我們定位在三維世界之中，與其中的內(nèi)容相連接。虛擬環(huán)境中常常采用的軟件有4類：（1）語言類：C+、OpenGL,VRML等；（2） 建模軟件類：如AutoCAD、Solid-Works、Unigraphics、ProEngineer、I-DEAS等；（3）應用軟件類：專用的軟件；（4）通用的商用工具軟件包等。文中采用Unigraphics進行3D幾何模型設(shè)計，然后轉(zhuǎn)換為VRML格式，可以實現(xiàn)進行渲染。通過加入事件響應，實現(xiàn)移動、旋轉(zhuǎn)、視點變換等操作，從而實現(xiàn)交互虛擬環(huán)境，也為協(xié)同工作和異地設(shè)計奠定了

11、基礎(chǔ)。具有網(wǎng)絡(luò)三維交互動態(tài)特征的虛擬現(xiàn)實技術(shù)，使得復雜的機構(gòu)運動可視化仿真成為現(xiàn)實。虛擬現(xiàn)實建模語言VRML(Virtual Reality Modeling Language)是Internet與VR(Virtual Reality)相結(jié)合的產(chǎn)物，它定義了描述Internet上交互三維實體和共享虛擬世界的標準文件格式。VRML文件是虛擬三維空間的文本描述，可以通過任何文本編輯器編寫，然后保存為后綴為wrl的文件。VRML文件結(jié)構(gòu)分為文件頭、場景、原型、路由四個部分。（1）文件頭VRML文件頭的語法形式如下所示:#VRML V2.0 utf8。這是每一個VRML2.0文件所必需的開頭，必須放在

12、文件的第1行，而且必須要按照如上所示的語法格式出現(xiàn)。文件頭分為三部分:VRML:告訴打開該文件的瀏覽器，該文件是一個VRML文件;V2. 0:該VRML文件遵循的VRML規(guī)范是2.0版本;utf8:該文件使用的字符集是國際UTF-8字符集。（2）節(jié)點VRML文件的基本單元是節(jié)點，每個節(jié)點都可以有五個方面的特征:名字、類型、域、事件、實現(xiàn)。 VRML文件的主要內(nèi)容就是節(jié)點的層層嵌套以及節(jié)點的定義和使用，由此構(gòu)成整個的虛擬世界。節(jié)點的命名是通過DEF語句來實現(xiàn)的，節(jié)點命名后可通過USE語句引用，達到共享的目的。 每個節(jié)點都屬于某個類型，VRML2. 0共定義了54種基本節(jié)點類型，例如Box(長方體

13、)、Color(顏色)、Group(編組)、Sound(聲音)、Pointlight(點光源)。同時用戶還可通過PROTO和EXTERN-PROTO來定義自己的節(jié)點類型。 節(jié)點類型有零個或多個域(Field)，同類型的節(jié)點根據(jù)域值不同而不同。域值和節(jié)點一起存放在VRML文件中。境界中所有節(jié)點的域值描述了境界的當前狀態(tài)。同時，節(jié)點類型可能包含一套可以接收和發(fā)送的事件(Event)。 事件又分為入事件(even in)和出事件(even out)，節(jié)點利用出事件報告自身的狀態(tài)變化，而入事件將導致節(jié)點狀態(tài)的改變。VRML通過ROUTO語句把事件入口聯(lián)系起來，構(gòu)成事件體系。 節(jié)點的實現(xiàn)包括如下的內(nèi)容:

14、節(jié)點在虛擬世界中展現(xiàn)給瀏覽者的視覺外觀和聽覺外觀;對接收到的入事件做何反映，以及如何產(chǎn)生出事件。（3）場景圖VRML節(jié)點之間的層次關(guān)系是用編組節(jié)點把一組獨立節(jié)點組織起來，通過節(jié)點定義的特定域包含特定的節(jié)點，也就是說節(jié)點類型定義的域可以引用特定的節(jié)點，從而構(gòu)成場景圖。場景圖是虛擬世界中所有對象的一種層次化表現(xiàn)方式，它們之間的位置是彼此相關(guān)的。在VRML中共定義了8個組節(jié)點(如Transform節(jié)點、Group節(jié)點等)，每個組節(jié)點都有一個children域，它又可以包含一組子節(jié)點。其層次關(guān)系可用圖2-2表示。VRML程序的主體是節(jié)點語句，一些復雜的程序還有路由語句。程序的各個節(jié)點通過節(jié)點花括弧里的

15、參數(shù)(參數(shù)有兩類：字段及事件，但只有字段寫在程序的節(jié)點語句中)定義了三維世界的形體及其屬性。動畫及交互作用則是通過傳感器節(jié)點、內(nèi)插器節(jié)點、路由語句等完成的。圖2-2 VRML場景下面這一簡單VRML程序就是由Shape、Viewpoint、Background三個節(jié)點語句構(gòu)成的程序主體，它們定義了程序的三維場景圖。Shape節(jié)點里的Box、Appearance、Material也是節(jié)點。ShapeGeometry Boxappearance Appearancematerial MaterialdiffuseColorl00Viewpoint position一5 8 10orietation

16、 10 0-8;BackgroundskyColorl11VRML程序均可以在裝有Microsoft VRML2.0瀏覽器的IE4.0以上版本運行。在進行以下產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)時，將Unigraphics創(chuàng)建的幾何模型通過數(shù)據(jù)接口轉(zhuǎn)變?yōu)閂RML格式，通過編輯VRML文件可以實現(xiàn)在虛擬環(huán)境中對設(shè)計產(chǎn)品的進行交互。2.4 VRML造型（1）VRML基本造型VRML文件中的長方體(Box)、圓柱體(Cylinder)、圓錐體(Cone)、球體 (Sphere) 4種最基本的空間造型是由相應的專門節(jié)點直接創(chuàng)建，而其他復雜的空間造型則由其他高級的造型方法來創(chuàng)建。但是這些造型方法定義的只是空間造型的外形尺寸，造

17、型的外觀是由專門的節(jié)點控制，也就是說，空間造型是由幾何尺寸和外觀來一同決定的，將這兩方面結(jié)合起來的節(jié)點就是Shape節(jié)點。Shape節(jié)點包括了外觀和幾何結(jié)構(gòu)兩個域，通常用Appearance節(jié)點作為外觀域的域值;各種方法造型的造型節(jié)點作為幾何結(jié)構(gòu)域的域值。用Shape節(jié)點就可以創(chuàng)建出虛擬世界中單個的幾何造型，再加上使用Group節(jié)點就可以將各個單個的造型節(jié)點結(jié)合在一起。用Group結(jié)合造型也稱為對造型進行編組，編組后的節(jié)點可以作為一個整體來進行操作，最終創(chuàng)建出整個的虛擬三維世界。（2）VRML造型的定位與旋轉(zhuǎn)基本幾何造型都在坐標原點附近創(chuàng)建并正對著瀏覽者方向。但是現(xiàn)實中的各種物體都有各種不同的

18、位置和不同的方向，在VRML中是通過對坐標系的平移和旋轉(zhuǎn)從而形成新的處于不同位置和不同方向上的空間坐標系，然后在新的坐標系中創(chuàng)建空間造型，就可以創(chuàng)建空間不同位置和方向上的幾何造型和文本造型。在VRML中創(chuàng)建新的空間坐標系都是通過將所要安排位置和方向的造型用Transform編組節(jié)點編組，一個Transform節(jié)點表示相對當前坐標系形成了一個新的坐標系，而在Transform節(jié)點編組中的空間造型都是相對于這個新創(chuàng)建的坐標系所創(chuàng)建的。和Group節(jié)點一樣，Transform節(jié)點也可以通過children域來嵌套?？梢娡ㄟ^Transform節(jié)點的使用，可以將各種基本幾何造型節(jié)點以及文本造型節(jié)點有效的

19、組合在一起創(chuàng)建更加真實的虛擬世界。（3）VRML高級造型前面介紹了只要將相應的幾何造型節(jié)點和文本造型節(jié)點作為Shape節(jié)點的geometry域值就可以在空間中創(chuàng)建出相應的空間造型，并且可以通過Transform對這些空間造型進行各個方向上的縮放和移動。通過VRML中的高級造型方法就可以隨心所欲地在虛擬世界中創(chuàng)建各種各樣的空間造型。本節(jié)只介紹常用的Extrusion、 IndexedFaceSet節(jié)點。Extrusion語法中的crossSection域的值指定了一系列二維的坐標，這些坐標定義了沿著擠出過程的放樣路徑進行擠出的一個封閉或開放的輪廓。放樣圖形是作為一個建立在X-Z平面的平滑輪廓的最

20、佳設(shè)想，這樣每一個二維坐標的第1個值就是沿X軸方向上的距離，而第2個值就是沿Z軸方向上的距離。spine域的值指定了一系列三維坐標，這些坐標定義了一個封閉的或開放的軌跡，沿著這條軌跡放樣圖形被拉動，從而創(chuàng)造了擠出過程。scale域的值指定了一系列放樣圖形、比例因數(shù)對，它們被使用在沿放樣路徑的每一個坐標處。IndexedFaceSet節(jié)點創(chuàng)建空間面幾何造型，同時可以被用作造型節(jié)點的geometry域值。IndexedFaceSet節(jié)點語法中的coord可見域的值提供了一個節(jié)點，這個節(jié)點列出了構(gòu)造面集中所有面的坐標。coordIndex域的值提供了一張描述一張或多張面的周界的列表。其中每一個值都是

21、整型的索引，并且每個索引都指定了在coord域內(nèi)的坐標列表中的一個坐標。一個坐標索引列表可以提供一張或多張面的周界。每張面周界的連接方式都是從坐標索引列表的索引值順序向后，直到索引列表的末尾或者一個為-1的索引值。面的周界會通過將最后一個在-1前的索引值對應的坐標點與第1個索引值對應的坐標點連起來而自動地閉合。下一張面的周界的范圍是從上一個-1的索引值開始，直到索引列表的結(jié)束或另一個為-1的索引值，如此類推。2.5 ADAMS簡介ADAMS，即機械系統(tǒng)動力學自動分析(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems)，該軟件是美國MDI公司(Me

22、chanical Dynamics Inc.)開發(fā)的虛擬樣機分析軟件。目前，ADAMS已經(jīng)被全世界各行各業(yè)的數(shù)百家主要制造商采用。根據(jù)1999年機械系統(tǒng)動態(tài)仿真分析軟件國際市場份額的統(tǒng)計資料，ADAMS軟件銷售總額近八千萬美元、占據(jù)了51%的份額,現(xiàn)已經(jīng)并入美國MSC公司。ADAMS一方面是虛擬樣機分析的應用軟件，用戶可以運用該軟件非常方便地對虛擬機械系統(tǒng)進行靜力學、運動學和動力學分析。另一方面，又是虛擬樣機分析開發(fā)工具，其開放性的程序結(jié)構(gòu)和多種接口，可以成為特殊行業(yè)用戶進行特殊類型虛擬樣機分析的二次開發(fā)工具平臺。ADAMS軟件有兩種操作系統(tǒng)的版本：UNIX版和Windows NT/2000版

23、。在這里將以Windows 2000版的ADAMS l2.0為藍本進行介紹。ADAMS軟件使用交互式圖形環(huán)境和零件庫、約束庫、力庫，創(chuàng)建完全參數(shù)化的機械系統(tǒng)幾何模型，其求解器采用多剛體系統(tǒng)動力學理論中的拉格朗日方程方法，建立系統(tǒng)動力學方程，對虛擬機械系統(tǒng)進行靜力學、運動學和動力學分析，輸出位移、速度、加速度和反作用力曲線。ADAMS軟件的仿真可用于預測機械系統(tǒng)的性能、運動范圍、碰撞檢測、峰值載荷以及計算有限元的輸入載荷等。ADAMS軟件由基本模塊、擴展模塊、接口模塊、專業(yè)領(lǐng)域模塊及工具箱5類模塊組成。用戶不僅可以采用通用模塊對一般的機械系統(tǒng)進行仿真，而且可以采用專用模塊針對特定工業(yè)應用領(lǐng)域的問

24、題進行快速有效的建模與仿真分析。2.6系統(tǒng)的軟硬件要求虛擬現(xiàn)實有兩種實現(xiàn)方案:軟件實現(xiàn)和硬件實現(xiàn)。所謂虛擬現(xiàn)實的軟件實現(xiàn)，主要是指通過一些基本的硬件環(huán)境，利用軟件編程的方法在輸出設(shè)備上輸出逼真的場景的系統(tǒng)。由于其對硬件的依賴性不高，成本低，相對容易實現(xiàn)，目前發(fā)展較快。VRML正是這樣一種為了完成虛擬現(xiàn)實的軟件實現(xiàn)而開發(fā)的虛擬現(xiàn)實語言，它是HTML的3D模擬，使用VRML瀏覽器能讀懂的ASCII文本格式來描述世界和鏈接，通過支持VRML的瀏覽器，就可以顯示所建立的三維場景，并能夠在三維世界中進行實時移動(進行遠近、方位等的改變)和實時操縱(物體狀態(tài)的改變)。（1） 硬件需求基于IBM-PC或與之

25、完全兼容的帶有中央處理器的奔騰及其以上機器至少64MB的內(nèi)存，推薦使用128MB及以上內(nèi)存。用于安裝的光盤驅(qū)動器、鼠標;安裝ADAMS12.0所需的硬盤空間，一般需3G左右;推薦使用MS Windows支持的圖形加速卡;推薦安裝聲卡。（2） 軟件需求在本地機上安裝虛擬現(xiàn)實工具箱的最小軟件需求: 操作系統(tǒng):Windows 95, Windows 98或Windows NT 4. 0, Windows 2000，另外要安裝TCP/IP協(xié)議。 ADAMS: ADAMS-View。 VRML編輯器:可以安裝自己的VRML編輯器，也可以安裝MathWorks CD自帶的VRML編輯器。 Web瀏覽器:能

26、夠使用Java的Web瀏覽器，如IE4.0以上或Netscape 4. 0以上版本的瀏覽器。 插件:支持外部接口的VRML97插件。本課題采用的是該系統(tǒng)利用其二次開發(fā)工具 U G/Open API實現(xiàn)了齒輪的設(shè)計計算 ,利用U G/ Open Grip 實現(xiàn)了齒輪的三維參數(shù)化建模 ,利用U G/UIStyler 開發(fā)了系統(tǒng)用戶界面 ,并可對設(shè)計出的齒輪進行虛擬裝配。2.7 基于知識的產(chǎn)品虛擬設(shè)計系統(tǒng)通過對虛擬設(shè)計系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分析、基于知識產(chǎn)品幾何模型表達驅(qū)動方式，現(xiàn)就系統(tǒng)開發(fā)各環(huán)節(jié)的構(gòu)思如下：(1) 用簡單模型(可以僅使用線框模型)建立設(shè)計方案，僅保留總體相關(guān)的關(guān)鍵尺寸。該過程主要基于設(shè)計對象參

27、數(shù)，根據(jù)設(shè)計經(jīng)驗、知識和規(guī)范等完成。(2) 建立幾何約束和尺寸約束。為了實現(xiàn)三維模型的參數(shù)化設(shè)計，首先要對零件進行尺寸約束和幾何約束，從而確定唯一的零件形狀。系統(tǒng)地分析設(shè)計對象，使設(shè)計特征和尺寸能反映相應的設(shè)計知識，并封裝在設(shè)計的產(chǎn)品中。(3) 確定設(shè)計變量。設(shè)計變量通過表達式與驅(qū)動尺寸之間建立關(guān)聯(lián)關(guān)系，對于非獨立變量，該變量與其它變量之間的關(guān)系由確定的數(shù)學表達式或是符合某種規(guī)則定義。(4) 按照產(chǎn)品、部件、子部件、零件劃分各種設(shè)計尺寸的歸屬，并逐級定義裝配關(guān)系和順序。系統(tǒng)能根據(jù)零件的裝配變換矩陣，在屏幕上顯示出零件的裝配位置，使用戶可從圖形上檢查所建立的裝配模型。此外，在動態(tài)裝配過程中還要對

28、零部件進行干涉檢測，并對發(fā)生干涉的零部件作出預警。(5) 對產(chǎn)品關(guān)鍵零部件進行結(jié)構(gòu)分析，對運動部件需要進行運動學和動力學分析。(6) 基于VRML瀏覽器對完成的虛擬樣機進行協(xié)同工作和異地評估和改進等。基于知識虛擬產(chǎn)品設(shè)計系統(tǒng)的構(gòu)成如圖2-3所示：圖2-3 基于知識虛擬產(chǎn)品設(shè)計系統(tǒng)第三章 某V型發(fā)動機配氣機構(gòu)總成的動態(tài)仿真研究作者研究的是下置凸輪軸式配氣機構(gòu)，其氣門組由氣門、氣門導管、氣門彈簧以及氣門座等組成；氣門傳動組則由搖臂軸、搖臂、挺柱、推桿、凸輪軸組成。該配氣機構(gòu)采用四氣門機構(gòu)，氣門排列時采取同名氣門排成兩列的型式，一個凸輪通過挺柱、推桿和搖臂驅(qū)動兩個氣門,并且所有的氣門機構(gòu)都由一根凸輪

29、軸驅(qū)動。3.1 配氣機構(gòu)的多體系統(tǒng)動力學建模3.1.1凸輪型線的求取對于作者所研究的為下置凸輪軸式平面挺柱配氣機構(gòu),設(shè)計數(shù)據(jù)給出的是挺柱隨凸輪轉(zhuǎn)角的升程,為了模擬凸輪的驅(qū)動以及凸輪與挺柱的接觸情況,需要根據(jù)挺柱升程反算出凸輪型值點坐標。通過對挺柱升程數(shù)據(jù)進行樣條曲線擬合,得到其關(guān)于凸輪轉(zhuǎn)角的函數(shù),然后根據(jù)凸輪與平面挺柱之間的運動學關(guān)系,求出對應于每一挺柱升程值的凸輪型值點坐標,最終得到進、排氣凸輪由360個點組成的型線,如圖3-1所示。圖3-1 凸輪型線3.1.2單個配氣機構(gòu)多剛體動力學模型的建立鑒于在動力學計算時所需要的各零部件的質(zhì)量、轉(zhuǎn)動慣量、質(zhì)心位置等物理特性參數(shù)可由CAD軟件經(jīng)過三維實

30、體造型精確計算得到，作者應用Pro/E軟件建立了該配氣機構(gòu)各構(gòu)件的實體模型,包括凸輪、平面挺柱、推桿、搖臂、氣門等,然后計算出其質(zhì)量、轉(zhuǎn)動慣量和質(zhì)心位置，進而在ADAMS軟件中建立其剛體模型，如圖3-2所示。在此基礎(chǔ)上根據(jù)實際配氣機構(gòu)各部件的連接和約束關(guān)系，施加各種約束副,使配氣機構(gòu)多體動力學模型的運動和受力形式符合實際情況。除此之外,還應在凸輪與平面挺柱之間、氣門與氣門座之間定義碰撞力，在氣門與機體之間添加彈簧(主要參數(shù)包括剛度、阻尼、自由長度、質(zhì)量等)。最后，根據(jù)示功圖以及不同的配氣相位在進、排氣門頭部施加隨時間變化的氣體壓力。由于作者研究的是發(fā)動機已經(jīng)達到穩(wěn)定工況時配氣機構(gòu)的動力學行為，

31、故在模型中沒有考慮氣門間隙。3.1.3含柔性凸輪軸的配氣機構(gòu)總成模型的建立在3.1.2節(jié)所建立的單個配氣機構(gòu)模型中，沒有凸輪軸的模型，實際上是把凸輪軸當作了剛體支撐，更無法計及各缸配氣機構(gòu)之間的動力耦合。為此作者建立了含柔性凸輪軸的配氣機構(gòu)總成模型。對于凸輪軸柔性體模型的建立，不考慮凸輪的變形，可將其轉(zhuǎn)化為具有均勻橫截面的三維柔性梁模型，即離散為有限個剛性梁段，梁段間用彈性連接即彈簧-阻尼器連接。用離散的梁段可以很好地描述柔性體的慣性特征，用各個軸段間彈簧和阻尼器可以表示出該柔性體模型的彈性和阻尼特征，其示意圖如圖3-3所示。圖3-3 凸輪軸模型示意圖彈性連接可用下列方程表示為：式中:Fx,F

32、y,Fz,Tx,Ty,Tz和Fx0,Fy0,Fz0,Tx0, Ty0,Tz0分別是在局部坐標系下作用在梁段上的力、力矩及其預加值； x,y,z和,是在局部坐標系下梁段間的相對位移和相對轉(zhuǎn)角；vx,vy,vz和x, y,z是相應的線速度和角速度；K1K6及C1C6為梁段的剛度和阻尼。對于作者所研究的凸輪軸,共有5個軸承支撐，彎曲剛度較大,如果忽略其彎曲變形，僅考慮扭轉(zhuǎn)變形,則上述方程可簡化為： (2)式中：T,T0,K,C分別為梁段的扭矩、預加扭矩、扭轉(zhuǎn)剛度和阻尼；為梁段間的相對轉(zhuǎn)角；為梁段間的相對角速度。將單個進氣門、排氣門機構(gòu)按照氣缸的順序(從左至右編號為:1,5,2,6,3,7,4,8)固

33、結(jié)在凸輪軸上，并按發(fā)火順序調(diào)整各氣門機構(gòu)凸輪的起始角，在凸輪軸上每隔4個凸輪建立一個剛性約束軸承 (從左至右編號依次為:1,2,3,4,5)，得到的配氣機構(gòu)總成多體系統(tǒng)動力學模型如圖3-4所示。圖3-4 配氣機構(gòu)總成模型3.2仿真結(jié)果及分析3.2.1 單個配氣機構(gòu)模型以排氣門機構(gòu)為例，運用單個配氣機構(gòu)模型對其在發(fā)動機標定轉(zhuǎn)速下的動態(tài)性能進行仿真，得到排氣門的升程、運動速度、加速度曲線如圖3-5所示；凸輪與挺柱的接觸力曲線如圖3-6所示。圖3-5 排氣門的運動特性圖3-6 凸輪-挺柱接觸力由圖3-5可知，氣門最大速度為2.24 m/s，最大加速度為1 694 m/ ，最大負加速度為-1 193

34、m/ ，出現(xiàn)在氣門開啟即將到達最大升程的位置。由圖3-6可知，氣門升程的開始和結(jié)束階段,凸輪與挺柱間的接觸力較大，最大接觸力達到了6.18 kN，出現(xiàn)在氣門升程開始階段產(chǎn)生最大正加速度的位置。3.2.2 總成與單個配氣機構(gòu)模型仿真結(jié)果對比采用配氣機構(gòu)總成的模型進行仿真分析，將得到的結(jié)果與前面單個氣門機構(gòu)的結(jié)果進行對比，如圖3-7所示。圖3-7仿真結(jié)果對比由圖3-7可知,與單個配氣機構(gòu)模型的計算結(jié)果相比，由于考慮了凸輪軸的變形以及各缸配氣機構(gòu)動力耦合的影響，由總成模型計算得到的加速度、接觸力曲線波動明顯增多，幅值也有所增大。這表明，凸輪軸變形以及各氣缸配氣機構(gòu)之間的動力耦合，加劇了配氣機構(gòu)的動態(tài)

35、響應，對其動態(tài)性能會產(chǎn)生一定的影響。3.2.3軸承力分析運用總成模型還可以計算凸輪軸各個軸承的載荷，圖3-8是位于中間位置受載較大的第3軸承的載荷曲線。對比與之相鄰的2，3，6，7氣缸的各個進、排氣門的升程(圖中虛線所示)，可以看出:由于在氣門升程的開始和結(jié)束階段凸輪與挺柱間的接觸壓力較大，而凸輪所受的接觸力又要傳遞到凸輪軸軸承上，因此圖3-8中軸承載荷曲線上幾個較大峰值的位置都對應著相鄰氣缸的2個或3個氣門升程的開始或結(jié)束段，而且其值明顯高于單個凸輪的載荷值。圖3-8 第3軸承載荷總結(jié)與展望本論文通過對發(fā)動機配氣機構(gòu)和虛擬設(shè)計技術(shù)的深入研究，利用ADAMS建模方法，實現(xiàn)了對發(fā)動機配氣機構(gòu)的單個配氣機構(gòu)模型和配氣機構(gòu)總成模型仿真分析。其具體工作如下：首先，通過對挺柱升程數(shù)據(jù)進行樣條曲線擬合,得到其關(guān)于凸輪轉(zhuǎn)角的函數(shù)。然后根據(jù)凸輪與平面挺柱之間的運動學關(guān)系,求出對應于每一挺柱升程值的凸輪型值點坐標,最終得到進、排氣凸輪由360個點組成的型線。其次，鑒于在動力學計算時所需要的各零部件的質(zhì)量、轉(zhuǎn)動慣量、質(zhì)心位置等物理特性參數(shù)，可由CAD軟件經(jīng)過三維實體造型精確計算得到。并且，應用Pro/E軟件建立了該配氣機構(gòu)各構(gòu)件的實體模型，