浅析机构运动仿真分析在机构设计中的作用（一）

    引言

    传统机械设计总是先制定设计方案，然后再采用理论力学的方法计算其运动学或者动力学特性，而后再进行优化、强度分析及结构设计等。这个过程单就运动学或者动力学特性分析而言，要经过大量的理论分析及计算。本文作者以一汽集团的自卸车举升机构设计为例，采用UG软件的运动仿真功能来说明一种运动学或者动力学特性分析的新的设计方法。

    1、介绍

    机构运动仿真分析，可以实现机械工程中非常复杂、精确的机构运动分析，在实际制造前利用零件的三维数字模型进行机构运动仿真已成为现代CAD工程中的一个重要方向及课题。机构仿真分析所解决的问题有以下几点：位移、速度、加速度、力，解决零件间干涉、作用力、反作用力等问题。一般说，工程师首先将零件的三维模型建好，其次确定运动零件，并确定各运动零件之间的约束关系，最后利用特定分析软件进行机构分析，如ADAMS、ANSYS等。其中的关键环节为建立零件间约束关系及载荷定义，并求解。

UG软件是美国EDS公司推出的大型CAD/CAE/CAM软件，它的运动分析模块（UG Scenario）是一个模拟仿真分析的设计工具，它是ADAMS软件的一个子集。它既能进行运动学（Kinematic）分析，又能进行动力学（Dynamic）分析。典型步骤如下：首先将要分析的装配图存入一个Scenario文件，确定分析所需构件（linkS），再建立构件之间的运动副（JOINTS），然后定义整个机构承受的载荷（FORCES），进行机构运动仿真，从中得出所分析的运动副处的位移、速度、加速度及力的数值及特性曲线，为下一步做有限元分析或作强度分析、结构设计、优化设计打下了基础。

本文引用的是一汽集团的一种F式自卸车举升机构，实质上是一个四连杆机构，如图1所示。动力部分是两构件之间的液压缸的推力相对于A、G铰支座产生的转矩。

这个机构运行过程的各种运动学及动力学参数运算方法非常复杂，采用手工计算或者采用计算机编程的方法解决的话，计算量都相当大。因此，要全新设计及优化这样一套机构，必须进行全部运动过程的运动学及动力学参数变化跟踪，而这个跟踪计算过程采用UG Scenario（即Motion功能）来完成就比较方便。

2、实现

    2.1 自卸车举升机构的运动学分析

    首先采用UG软件建立自卸车举升机构的三维实体数字装配图如图2所示。（具体结构尺寸略）

在UG的Motion模块下，创建三角臂、液压缸体、活塞体、拉杆及车厢等5个构件，创建有J001、J002、J003、J005、J006及J007等6个转动副，J004等1个移动副，共有7个低副，没有高副。其自由度总数：

    由此，F式举升机构的自由度为1，合理。

    并且设置J004移动副为驱动运动副，按照举升机构的要求，活塞在初始位置即0s时位移为0mm，活塞在15s时位移为750mm，因此，定义一个适合此边界条件的阶梯函数step(time,0,0,15,750)。

阶梯函数的定义为：

    作一个完整的机构运动分析仿真，仿真节奏为15s按200步计算。

    首先，采用UG软件的位移分析功能分析车厢转动的角位移、三角臂转动的角位移曲线如图3所示：

由此可见，车厢转动的最大角位移是51.2646度, 三角臂转动的最大角位移是64.5733度，并且出现了“点头”现象，与实际工作情况相符。这可以作为掌握举升机构终止位置设计姿态的依据。

其次，采用UG软件的速度分析功能分析活塞运动的速度、车厢转动的角速度、三角臂转动的角速度曲线分别如图4、图5所示：

由于液压缸的承载是时变的，结果造成液压缸的速度在0～75.3137mm/s之间变化，具体波动情况参看图4。

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浅析机构运动仿真分析在机构设计中的作用（一）

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