剛?cè)狁詈舷到y(tǒng)的車銑加工中心
研究者采用虛擬樣機對產(chǎn)品分析時，絕大多數(shù)都是對多剛體系統(tǒng) 進行分析,，所獲得的仿真結(jié)果是一種理想預(yù)測狀態(tài),。為了提高對車銑加工中心的仿真準確度，更接近于實際情況,，將有限元方法和虛擬樣機相結(jié)合,，對車銑加工中心的關(guān)鍵部件進行有限元分析,，產(chǎn)生柔性體，與 機床其他部件形成剛?cè)狁詈舷到y(tǒng),，然后在虛擬樣機模型上進行車銑加工中心的運動學(xué)特性和動力學(xué)特性分析,。因此為了獲得更準確的仿真結(jié)果，對車銑加工中心建立基于多柔體系統(tǒng)的虛擬樣機模塑是非常必要的,。 ADAMS是機械系統(tǒng)動力學(xué)仿真軟件,，主要用于剛體動力學(xué)分析，可用于研究整個機械系統(tǒng)的工作性能,，在設(shè)計的早期階段通過虛擬樣 機進行仿真分析。其中ADAMS/Flex模塊是基于Craig - Bamplom方 法的,，其基本思想是：首先按照工程的觀點或結(jié)構(gòu)的幾何輪廓,，遵循 某些原則（主要是便于計算或試驗），把完整的大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)抽象為 若干個子結(jié)構(gòu),。然后對自由度大大減少的各個子結(jié)構(gòu)進行模態(tài)分 析,，保留其主要模態(tài)信息，略去高階模態(tài)以達到縮減自由度的目的,。 接著根據(jù)各子結(jié)構(gòu)交界面的位移協(xié)調(diào)條件,，將其組裝成自由度大大 縮減的總體系統(tǒng)方程。求解此方程可獲得系統(tǒng)的固有頻率和模態(tài)坐 標下的主振型,。最后,，進行坐標變換求得用物理坐標表達的解，就可 以得出位移,、速度,、加速度及應(yīng)力應(yīng)變等動態(tài)信息。這種方法將柔性 體看做是有限元模型的節(jié)點的集合,，其變形視為模態(tài)振型的線性疊加,， 相對于整體坐標系有小的線性變形，而此局部坐標系做大的非線性整 體平動和轉(zhuǎn)動,，每個節(jié)點的線性局部運動近似為振型或振型向量的線 性疊加,。 ANSYS是世界上有較大影響的有限元分析（FEA)軟件之一。主 要采用圖形用戶接口（GUI)方式進行交互式操作,，從建模,、單元劃分、 加載,、求解,，到輸出結(jié)果的全過程都可以在一個平臺上完成。由于大多數(shù)實際問題難以得到精確解,，而有限元不僅計算精度高,，而且能適用于 各種復(fù)雜的形狀,，因此成為行之有效的工程分析手段。因此,，我們根據(jù) ADAMS和ANSYS各自的功能特點,，將兩者優(yōu)點相結(jié)合實現(xiàn)機械系統(tǒng) 的多柔體動力學(xué)分析。ADAMS中的ADAMS/Flex模塊,，其中一種須借 助有限元軟件獲取構(gòu)件的模態(tài),，因此我們利用ANSYS進行有限元分 析，提取柔性體的模態(tài),，并將結(jié)果轉(zhuǎn)換成ADAMS可以識別的模態(tài)中性文件,，然后導(dǎo)入到ADAMS進行動力學(xué)分析，多柔體系統(tǒng)協(xié)同建模仿真的流程圖,。 1.ADAMS中柔性體的建立 在ADAMS中建立柔性體有兩種方法[36’135]:—種是自動柔性化 法,，另一種是引人模態(tài)中性文件法。 (1)自動柔性化法,。ADAMS提供兩種自動柔性件生成方法,，對于外形簡單的構(gòu)件，可以采用直接生成柔性件的方法,，即拉伸模式(Extrusion);對于外形復(fù)雜的構(gòu)件,，可以采用先建剛性件，再進行網(wǎng)格 劃分的模式,，即構(gòu)件網(wǎng)格模式（Solid),。模型生成柔性件的同時生成模 態(tài)中性文件，該模態(tài)中性文件中包含了柔性件的質(zhì)量,、質(zhì)心,、轉(zhuǎn)動慣量、 頻率,、振型以及對載荷的參數(shù)因子等信息,。將模型中原有的剛體件上 的運動副添加到柔性件上，使柔性件與模型上的其他構(gòu)件連接起來,，同 時刪除無效的剛性件,，這樣可以使模型保持原有的自由度，從而實現(xiàn)柔 性構(gòu)件的運動仿真,。 (2)引入模態(tài)中性文件法,。ADAMS可以使用任何有限元模型作 為ADAMS/Flex中的柔性體，如ANSYS,、ABAQUS等有限元分析軟件生 成的模型,，而ANSYS可以直接生成MNF(模態(tài)中性文件），不會產(chǎn)生中 間數(shù)據(jù)文件,，這樣就可以將產(chǎn)生的模態(tài)中性文件直接導(dǎo)入到ADAMS 中,。在模態(tài)中性文件導(dǎo)入以后,，ADAMS/Flex會將柔性體放在整體慣 性坐標系的原點上，并且與模型中其他零件沒有任何關(guān)系,。接下來要 在柔性體與零件之間施加約束,、作用力，施加約束,、作用力,，有時要通過 使用無質(zhì)董（或者質(zhì)M非常小）連接物體來間接施加,。 2.模態(tài)中性文件的生成 多柔體系統(tǒng)的創(chuàng)建原則是對于細長的剛度小的構(gòu)件生成柔性體部件,，而對于剛性較大的零部件則采用剛性體模型。所以本文分析的多 柔體動力學(xué)模型,，只將車削主軸和銑刀主軸進行了柔性化處理,，其余 部件則為剛性體。由于ANSYS對有限元分析具有強大功能,，因此采 用它建立模態(tài)中性文件。在ADAMS創(chuàng)建完車銑加工中心的多體系統(tǒng) 模型后,，需要對其車削主軸和銑刀主軸在有限元軟件ANSYS中進行有 限單元的離散化處理,，以便生成模態(tài)中性文件。在ANSYS軟件中有兩 種方式建立模型:①在ANSYS軟件中直接建立三維模型,，缺點建模繁 瑣;②從三維建模軟件中以中性文件導(dǎo)入ANSYS中,，優(yōu)點是建模容易， 尤其分析復(fù)雜部件,，更適用于該方法,。本文采用第二種方法，在建模過 程中忽略一些次要的細節(jié)（如倒角簡化成直角,，潤滑油孔,、工藝孔、螺紋孔等均按實體處理）,，簡化主軸模型,。首先在三維實體軟件中將車 44 銑加工中心零件單獨輸出成Parasolid模型中性文件，ANSYS通過專用 接口瀆入該中性文件,，在ANSYS中完成單元,、實常數(shù)、材料等內(nèi)容的定 義,，然后劃分單元網(wǎng)格,，如圖2. 7(a)所示為銑刀主軸的有限元模塑。 然后定義外部節(jié)點,，在輸出MNF中性文件之前,，必須進行質(zhì)量,、載荷等 檢驗操作，以保證文件中所包含的數(shù)據(jù)的可靠性,。在ANSYS中生成起 柔性體的模態(tài)中性文件具體過程如下: (1)選擇單元類型：單元類型的選取是十分重要的環(huán)節(jié),，因為它在 很大程度上影響分析的速度和精度。對于車削主軸和銑刀主軸這樣的 三維實體模型,，選用可以很好地適應(yīng)各種復(fù)雜的邊界條件,、具有較高的 求解精度的四面體單元S〇lid92,它是一種高階單元，適于較復(fù)雜的實 體模型,。 (2)定義材料屬性:車削主軸和銑刀主軸的材料采用鋼,，是經(jīng)調(diào)質(zhì)后具有良好的綜合力學(xué)性能。通過查表,，定義車削主軸和銑刀主軸材 料彈性模量為207GMPa,泊松比為0.29,密度為7802kg/m3,。 (3)定義硬點：硬點是一種特殊的關(guān)鍵點，其主要作用是施加載荷 或從模型的線和面上的任意點獲得數(shù)據(jù),。在主軸實體模型上定義3個 硬點,，分別是主軸與兩個軸承接觸處以及與刀具接觸的地方。 (4)劃分網(wǎng)格單元：由于主軸的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,，不適于映射網(wǎng)格劃 分,，因而采用自由網(wǎng)格劃分中的智能網(wǎng)格進行劃分。由于S〇lid92單元 本身具有較高的精度,，因而對主軸采用16級智能網(wǎng)格劃分,，即可保證 足夠的精度。網(wǎng)格劃分完畢后,，生成的柔性銑刀主軸的有限元模型如 圖2.7(a)所示,。 (5)添加約束和求解：在ANSYS中不對模型添加約束，將生成自 由懸浮子結(jié)構(gòu),，所以在ANSYS中進行模態(tài)分析之前需要選取與剛體的 對接點即上文中所定義的硬點,，添加固定約束，然后進行求解,。 (6)輸出模態(tài)中性文件:ANSYS中模態(tài)分析求解完畢后,，就可以 生成模態(tài)中性文件了。在生成模態(tài)中性文件時,，應(yīng)注意單位與ADAMS 中的統(tǒng)一,，選取合適的界面點以及提取適合的模態(tài)數(shù)等問題。 為了與ADAMS中單位統(tǒng)一方便,，選取國際單位制SI;選取前文定義的硬點為界面點,，如圖2. 7(b)所示這種方式結(jié)合面為剛性接觸；另 外一種方式在圖2. 7(a)的彈簧一阻尼單元外圍增加硬點,，剛度和阻尼 取值可參考主軸分析結(jié)果,。至此模態(tài)文件建立完畢,，它是建立柔性體 動力學(xué)模型所必須的數(shù)據(jù)文件，包含模型幾何信息,、節(jié)點質(zhì)量和慣量,、 節(jié)點形狀、模態(tài)的廣義質(zhì)量和剛度內(nèi)容,。在ADAMS中嵌入ADAMS/Flex模塊,，通過此模塊下的Flexbodyto- rigid對話框，將柔性體模型導(dǎo)入到ADAMS中替換原來的剛性體,，就得到了車銑加工中心的多柔體的仿真模型,，然后通過模型檢查，沒有錯誤信息就可用多柔體動力學(xué)分析,。圖2. 8所示為導(dǎo)人模態(tài)中性文件后的 車銑加工中心的多柔體系統(tǒng)模型,。通過模態(tài)中性文件將柔性體模型導(dǎo) 入ADAMS中，與車銑加工中心的其他部件形成剛?cè)狁詈舷到y(tǒng),。部件 轉(zhuǎn)化柔性體越多越接近于實際情況,，由于計算機性能和轉(zhuǎn)化時間等W 素只能將關(guān)鍵部件轉(zhuǎn)化為柔性體。圖2. 8(a)表示在運動過程中（外套 隱藏）主軸桿件柔性體顏色的變化,，代表應(yīng)力變化大小,，從而可以確定 薄弱環(huán)節(jié)，刀具和主軸桿接觸處以及軸承處的所受的應(yīng)力都比較大;而 從圖2. 8(b)主軸外套可以看出所受到應(yīng)力不大,；圖2. 8(c)是將主軸 部件、動力刀架,、銑刀等轉(zhuǎn)化成柔體,。這種方法不僅可以提高機床的仿 真精度，而且更接近于物理樣機,。在樣機試制前對設(shè)計中可能出現(xiàn)的 問題做出精確的預(yù)測和改進,，以保證設(shè)計方案的可行性，縮短產(chǎn)品的研 制周期和降低成本,。本文由海天精工整理發(fā)表文章均來自網(wǎng)絡(luò)僅供學(xué)習(xí)參考,，轉(zhuǎn)載請注明！