（机械电子工程专业论文）瓦楞纸箱送纸机构主轴仿真分析及实验研究.pdf

ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt og u a n g d o n gu n i v e r s i t yo f t e c h n o l o g yf o rt h ed e g r e eo fm a s t e ro fe n g i n e e r i n g m a i ns h a f to f p a p e r a d v a n c em e c h a n i s mo f c o r r u g a l e dc a s e f o rsi m u l a t i o na n a l y s i sa n d t e s t i n g p h m c a n d i d a t e ：z h o uc h a n g s u p e r v i s o r ：p r o f l i k e t i a n m a y2 0 1 0 s c h o o lo fe l e c t r o - - m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g g a u n g d o n gu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y g u a n g z h o u ，g u a n g d o n g ，p r c h i n a ，5 10 0 9 0 摘要 摘要 随着包装机械行业的迅速发展，瓦楞纸箱印刷开槽模切设备向着高速、多功能和 大型化发展。由于设备的印刷精度高，印刷速度快，对设计方法提出了更高的要求。 送纸部件是瓦楞纸箱印刷开槽模切机械的重要部分，其中的送纸传动轴对印刷精度和 印刷速度的影响具有主要作用，因此研究该机构的动态特性是十分必要的。 本文是以广东南海东方纸箱机械实业有限公司开发的t o p r am d1 2 2 8 瓦楞纸箱印 刷开槽模切机作为研究对象，结合有限元软件和多体动力学软件对送纸传动主轴进行 仿真分析，然后通过激光测振实验证明了仿真的正确性。主要的研究部分包括： 进行机构主轴重力场静力学分析和扭转静力学分析。有限元静力学分析数据为实际 设计和工作提供指导，也为以后的动静法解决动力学问题提供了理论基础。 研究刚柔耦合多体动力学基础理论，特别是多体动力学分析软件a d a m s 中的固 定界面动态子结构法。研究了利用该方法求解刚柔耦合动力学问题的一般步骤，该方 法生成的刚柔耦合模型相比纯刚体模型的仿真更加有效。最后用有限元软件证明了刚 柔耦合的正确性。 对橡胶材料的非线性本构进行分析，给出了多层材料复合等效单一材料的过程方 法。通过非线性有限元软件a b a q u s 分析了橡胶材料的近似弹性模量和泊松比参数。通 过模态分析对比了等效前后数据，证明了该等效方法是合理有效的。 使用p o l y t e c h 激光测振仪对送纸机构橡胶材料进行振动测试，得到了时域内的 振动信号，然后通过p s v 软件进行傅里叶变换，最终得到了频域信号。研究发现，低 频振动对橡胶材料振动影响较大。最后通过有限元分析橡胶层模态频率，证明了激光 测振过程的正确性。 关键词：瓦楞纸箱送纸机构主轴有限元分析多体动力学模态等效激光测振 广东工业大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fp a c k i n gm a c h i n e r yi n d u s t r y , p r i n t i n ga p p a r a t u so fc o r r u g a l e d c a s ef o rg r o o v i n ga n dd i ec u t t i n ga r ea d v a n c i n gt o w a r d st h et r e n do fh i g h s p e e d ，a n d b e c o m i n gm o r em u l t i f u n c t i o n a l ，a n dh u g e r 。a s t h e r ei sat e n d e n c yi nt h eh i 曲- p r e c i s i o na n d t h eh i g l l s p e e do fp r i n t i n g ，i tm a k e sh i g h e rd e m a n d so nt h em e t h o do fd e s i g n i n g m a i ns h m o fp a p e ra d v a n c em e c h a n i s mi so n et h em o s ti m p o r t a n tp a r to fc o r r u g a t e dc a s ef o rg r o o v i n g a n dd i ec u t t i n ga n dw i l lp l a yam a j o rr o l ei ni m p a c t i n gt h ep r e c i s i o na n ds p e e do fp r i n t i n g ，s o i ti sn e c e s s a r yt or e s e a r c hd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so fm a i ns h a f to fa d v a n c em e c h a n i s m o nt h eb a c k g r o u n do ft o p r am d _ - _ 。12 2 8p r i n t i n ga p p a r a t u so fe o r r u g a l e dc a s e - p r o j e c t w h i c hi sd e v e l o p e db yd o n g f a n gc a r t o nm a c h i n e r yi n d u s t r yc o r p o r a t i o ni nn a n h a ic i t ym a i n s h a f to fp a p e ra d v a n c em e c h a n i s mi sa n a l y z e db yu s i n g m u l t i - b o d yd y n a m i c sa n df i n i t e e l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r ei nt h i sp a p e r , a n dt h e ns i m u l a t i o nm o d e li sv e r i f i e db ye x p e r i m e n t o fv i b r a t i o nm e a s u r e m e n tw i ml a s e r t h em a i np o i n t so ft h es t u d ya r ea st h ef o l l o w s f i n i t ee l e m e n ts t a t i c sa n a l y s i sf o rm a i ns h a f to fp a p e ra d v a n c em e c h a n i s mi na g r a v i t a t i o n a lf i e l da n dat o r s i o nt e s ta l ec o n d u c t e d t h ed a t ac r e a t e db y f i n i t ee l e m e n t s t a t i c sa n a l y s i sw i l lg u i d ef o rr e a ld e s i g na n dw i l lp r o v i d et h eb a s i sf o rs o l v i n gt h ed y n a m i c p r o b l e mb a s e do nd y n a m i c - s t a t i cm e t h o d m u l t i b o d yd y n a m i c st h e o r y b a s e d r i g i d - - f l e x i b l ec o u p l i n g i ss t a t e d , a n d f i x e d i n t e r f a c es u b s t r u c t u r em e t h o di nm u l t i - b o d yd y n a m i c st h e o r yi ns o f t w a r ea d a m si s i n t r o d u c e dp a r t i c u l a r l y t h ec o n c r e t es t e pf o rs o l u t i o no fm u l t i b o d yd y n a m i c st h e o r yb a s e d r i g i d f l e x i b l ec o u p l i n gi sd e v e l o p e db yu s i n gs o f t w a r ea d a m s i ts h o w e dt h a tt h em o d e l b a s e dr i g i d - f l e x i b l ec o u p l i n gi sm o r ep r e c i s et h a nr i g i db o d ym o d e ld u r i n gt h ep r o c e s so f s i m u l a t i o n a tl a s ti tc o n f i r m e dt h ea c c u r a c yo fp r o c e d u r er i g i d f l e x i b l ec o u p l i n gb yf e a s o f t w a r e m e c h a n i c a lc o n s t i t u t i v en o n l i n e a rr e l a t i o no fr u b b e rm a t e r i a li sa n a l y z e da n dm e t h o d f o rt h i sp r o c e s so fm u l t i l a y e rm a t e r i a le q u i v a l e n c ea ss i n g l em a t e r i a li sp r o p o s e d t h e p a r a m e t e ra b o u ta p p r o x i m a t em o d u l u so fe l a s t i c i t ya n dp o i s s o nr a t i o i st ob ed e d u c eb y u s i n gf e a s o f t w a r ea b a q u s t oc o n t r a s tt h ed a t ao ft h eb e g i n n i n go fe q u i v a l e n c e 、丽也t h e e n do fe q u i v a l e n c eb ym o d a la n a l y s i s ，i tc o n f m n e dt h ee q u i v a l e n tm e t h o dt ob ev a l i d a p p l y i n g l a s e rv i b r o m e t e rt om e a s u r i n gv i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so f r u b b e rm a t e r i a lo f m a i ns h a f to fp a p e ra d v a n c em e c h a n i s m ，i td e t e r m i n e dv i b r a t i o ns i g n a li nt i m ed o m a i n , a n d t h e nf i n d i n gt h et i m ed o m a i na p p r o x i m a t i o n sb yf a s tf o u r i e rt r a n s f o r ma l g o r i t h mi np s a i i i 广东工业大学硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第一章绪论1 1 1 课题背景和意义1 1 1 1 包装行业国内发展1 1 1 2 瓦楞纸箱概述l 1 2 国内外瓦楞纸箱机械发展1 1 2 1 国外瓦楞纸箱机械发展状况1 1 2 2 国内瓦楞纸箱发展状况2 1 2 3 送纸机构主轴概述3 1 3 相关理论发展国内外现状4 1 3 1 机械系统动态仿真技术4 1 3 2 刚柔耦合多体动力学理论的国内外研究现状7 1 3 3 非线性模态国内外研究现状1 0 1 4 相关理论技术在本课题中的应用1 2 第二章主轴机构仿真静力学分析1 3 2 1 静力学分析概述1 3 2 2 有限元软件分析概述1 3 2 2 1c o s m o s w o r k s 介绍1 3 2 2 2 有限元分析概述1 4 2 2 3 有限元分析理论步骤1 4 2 3 有限元分析软件应用1 5 2 3 1 主轴重力场分析1 5 2 3 2 主轴扭转分析2 1 2 4 小结2 4 第三章主轴机构动力学仿真的刚柔耦合方法2 5 3 1 引言2 5 p c 目 录 3 2 刚柔耦合系统动力学基础理论2 5 3 2 1 刚柔耦合理论概述2 5 3 2 1 刚柔耦合系统模型的建立2 6 3 3 刚柔耦合动态仿真软件一a d a m s 2 8 3 3 1a d a m s 分析原理2 8 3 3 2a d a m s 的固定界面动态子结构法2 8 3 4a d a m s 柔性体生成方法3 0 3 5a d a m s 柔性体具体步骤3 1 3 5 1s o l i d w o r k s 导入a d a m s 3 1 3 5 2a u t o f l e x 生成柔性体3 2 3 5 3 修改柔性体属性3 4 3 5 4 添加柔性体约束和驱动3 5 3 6 证明a d a m s 的刚柔耦合方法3 7 3 7 小节3 9 第四章主轴机构考虑非线性因素的模态分析4 0 4 1 送纸机构橡胶层简介4 0 4 2 软件简介a b a q u s 4 0 4 3 双层材料等效为单层材料的等效方法4 1 4 3 1 概述4 1 4 3 2 等效理论基础4 1 4 4 橡胶材料弹性模量泊松比参数研究4 3 4 4 1 橡胶材料概述4 3 4 4 2 橡胶材料弹性模量线性近似方法4 3 4 5 双层材料与单层材料模态分析对比4 7 4 5 1 双层板复合材料模态分析4 8 4 5 2 等效后单层材料的模态分析4 9 4 6 小节5 0 第五章激光测振实验及振动分析5 2 5 1 激光测振理论5 2 v 广东工业大学硕士学位论文 5 1 1 概述5 2 5 1 - 2 激光干涉基础5 3 5 1 3 激光多普勒效应5 3 5 1 4 激光多普勒测振原理5 4 5 2 激光多普勒测振仪的工程应用5 5 5 2 1 激光多普勒测振仪的技术参数5 5 5 2 2 工程实际测量5 6 5 3 橡胶层模态分析6 4 量4 小节6 7 结论6 8 参考文献6 9 攻读学位期间发表的论文7 2 致谢7 4 v l c o n t e n t c o n t e n t a b s t r a c t ( c h i n e s e ) i a b s t r a c t ( e n g l i s h ) i i c h a p t e r li n t r o d u c t i o n 1 1 1s i g n i f i c a n c ea n db a c k g r o u n do ft h et h e s i s 1 1 1 1d e v e l o p m e n to f p a c k i n gi n d u s t r ya th o m e 1 1 1 2o v e r v i e wo fc o r r u g a l e dc a s e 1 1 2d e v e l o p m e n to fp r i n t i n ga p p a r a t u s _ o fc o r r u g a l e dc a s ea th o m ea n da b o a r d _ 1 1 2 1d e v e l o p m e n to fp r i n t i n ga p p a r a t u so fc o r r u g a l e dc a s ea b o a r d 1 1 , 2 2d e v e l o p m e n to f p r i n t i n ga p p a r a t u so fc o r r u g a l e dc a s ea th o m e 2 1 3d e v e l o p m e n to fr e l a t i v et h e o r ya th o m ea n da b o a r d 4 1 3 1m e c h a n i c a ls y s t e ms i m u l a t i o n 4 1 3 2c u r r e n tr e s e a r c h e so fm u l t i b o d yd y n a m i c st h e o r y 。7 1 3 3c u r r e n tr e s e a r c h e so f n o n l i n e a rm o d a l 1 0 1 4t h ea p p l i c a t i o no fr e l a t i v et h e o r yi nt h et h e s i s 1 2 c h a p t e r 2s t a t i c sa n a l y s i sf o rm a i ns h a f tb a s e df e a 1 3 2 1o v e r v i e wo fs t a t i c sa n a l y s i s 13 2 2o v e r v i e wo ff i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r e 13 2 2 1i n t r o d u c t i o no fc o s m o s w o r k s 1 4 2 2 2o v e r v i e wo ff i n i t ee l e m e n t a n a l y s i s 14 2 2 3t h es t e po ff i n i t ee l e m e n t a n a l y s i s 15 2 3t h ea p p l i c a t i o no ff e as o f t v c a r e 15 2 3 1f i n i t ee l e m e n t a n a l y s i si nag r a v i t a t i o n a lf i e l d 15 2 3 2f i n i t ee l e m e n t a n a l y s i si nat o r s i o nt e s t 2 1 2 4t h er e v i e wo ft h i sc h a p t e r 2 4 c h a p t e r3m a i ns h a f to fm u l t i - b o d yd y n a m i c ss i m u l a t i o n 2 5 ：；1i n t r o d u c t i o n ：! ! ； 3 2m u l t i - b o d yd y n a m i c st h e o r yb a s e dr i g i d f l e x i b l ec o u p l i n g 2 5 3 2 1o v e r v i e wo f t h e o r yo f r i g i d - f l e x i b l ec o u p l i n g 2 5 3 2 1t h ee s t a b l i s h m e n to fr i g i d - f l e x i b l ec o u p l i n gm o d e l 2 6 v i i 广东工业大学硕士掌位论叉 3 3r i g i d f l e x i b l ec o u p l i n gs o f t 、a r e - 一a d a m s 2 8 3 3 1t h ep r i n c i p l ea d a m s 2 8 3 3 2f i x e d i n t e r f a c es u b s t r u c t u r em e t h o di na d a m s 2 8 3 4c r e a t i o nm e t h o do ff l e x b i l eb o d yi na d a m s 3 0 3 5c o n c r e t es t e po ff l e x b i l eb o d yi na d a m s 31 3 5 1s o l i d w o r k se x p o r ta d a m s 3 2 3 5 2g e n e r a t i n gf l e x b i l eb o d yw i t ha u t o f l e x 3 4 3 5 3m o d i f i c a t i o no f p r o p e r t yo ff l e x b i l eb o d y 3 5 3 5 4r e s t r i c t i n ga n dd r i v i n gf l e x i b l eb o d y 3 5 3 6t e s t i f i c a t i o no f r i g i d f l e x i b l ec o u p l i n gm o d e l 一：3 7 3 7t h er e v i e wo f t h i sc h a p t e r 3 9 c h a p t e r 4m o d a la n a l y s i sa n dc o n s i d e r a t i o nn o n l i e a rc h a r a c t e r i s t i c 4 0 4 1i n t r o d u c i t o no fr u b b e rc o v e r 4 0 4 2i n y t r o d u c i t o no f a b a q u s 4 0 4 3m e t h o do fm u l t i l a y e rm a t e r i a le q u i v a l e n c ea ss i n g l em a t e r i a l 4 1 4 3 1i n t r o d u c t i o n 4 1 4 3 2t h eb a s i so fe q u i v a l e n c et h e o r y 4 1 4 4t h ep a r a m e t e r i z a t i o nm o d u l u so f e l a s t i c i t ya n dp o i s s o nr a t i o 4 3 4 4 1o v e r v i e wo f r u b b e rm a t e r i a l 4 3 4 4 2a p p r o x i m a t i o nm e t h o do fm o d u l u so fe l a s t i c i t y 4 3 4 5c o n t r a s tb e g i n n i n go fe q u i v a l e n c e 、访me n db ym o d a la n a l y s i s 4 7 4 5 1m o d a la n a l y s i so fd o u b l e 1 a y e rm a t e r i a l 4 8 4 5 2m o d a la n a l y s i so fs i n g l em a t e r i a l 4 9 4 6t h er e v i e wo ft h i sc h a p t e r 5 0 c h a p t e r5 v i b r a t i o nm e a s u r e m e n tw i t hl a s e ra n dt e s t i n g 5 2 5 1t h et h e o r yo f v i b r a t i o nm e a s u r e m e n tw i t hl a s e r 5 2 5 1 1i n t r o d u c t i o n 5 2 5 1 2l a s e ri n t e r f e r e n c e 5 3 5 1 3d o p p l e re f f e c t 5 3 5 1 4t h ep r i n c i p l eo f v i b r a t i o nm e a s u r e m e n tw i n ll a s e r 5 3 5 2e n g i n e e r i n gm e a s u r e m e n to fl a s e rv i b r o m e t e r 5 4 5 2 1t e c h n i c a lp a r a m e t e ro fl a s e rv i b r o m e t e r 5 5 5 2 2e n g i n e e r i n gm e a s u r e m e n t 5 6 v i c o n t e n t 5 3m o d a la n a l y s i sf o rr u b b e rc o v e r 6 4 5 4t h er e v i e wo ft h i sc h a p t e r 6 7 c o n c l u s i o n 6 8 r e f e r e n c e 6 9 p u b l i s h e dp a p e r sd u r i n gs t u d i n gd e g r e e 7 2 a c k n o w l e d g e m e n t s 7 4 i x 广东x = l k 大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题背景和意义 1 1 1 包装行业国内发展 第一章绪论 包装印刷工业的迅速发展为本课题的提出提供了良好的机遇。中国包装业( 指中 国大陆地区) 近年来发展迅速，2 0 0 3 年至2 0 0 7 年的销售收入分别为2 4 0 0 亿元，2 7 0 0 亿元，3 6 0 0 亿元，4 4 0 0 亿元和5 1 0 0 亿元，复合年增长率达2 1 ，预计最近五年仍将 保持较快速度增长，2 0 1 2 年中国包装产业总收入有望突破万亿【1 】。 1 1 2 瓦楞纸箱概述 本研究对象选择包装机械的一种大型设备一瓦楞纸箱印刷开槽模切机。 瓦楞纸箱是用瓦楞纸板制成的包装运输纸箱，是必不可少的包装容器，它具有轻 便、牢固、保护商品的作用，便于装卸运输等特点。被广泛应用于家用电器、纺织品、 食品等运输包装。随着商品市场的发展，纸箱包装数量逐年递增。瓦楞纸箱印刷设备 也随之蓬勃发展。 图1 - 1 各种瓦楞纸箱 f i gl - 1v a r i o u sk i n d so f c o r r u g a t e dc a s e 。 1 2 国内外瓦楞纸箱机械发展 1 2 1 国外瓦楞纸箱机械发展状况 国外的瓦楞纸箱机械一直具有领先地位。1 9 9 5 年，美国兰斯顿公司发明了多瓦楞 单面机，该的最大特点是采用正压式可快换瓦楞辊结构，成组瓦楞辊置于可移动小车 图l - 3 东方纸箱机械公司a p s 秘rh g 印刷开槽模切机 f i gl 3a p s 隙h g 呻t i n g a p p a r a t u so f e o r r u g a l e de a s ef o r 鲫v i n ga n dd i ec 嘶g 目前，随国家经济建设的高速发展，我国包装行业得到了快速发展并取得长足进 步，但和国际先进水平相比还有相当大差距。国内虽也有企业如广东东方纸箱机械， 2 第一章绪论 上海鼎龙机械等企业也可以进行较高水平包装机械设备研发与生产。广东南海东方纸 箱机械实业有限公司的的a p s t a r 性能如表1 1 ： 表卜1a p s t a r 性能 t a b l ei - it h ep e r f o r m a n c eo f a p s t a r 主要技术参数 项目a p s t a r h s1 6 2 4 a p s t a r h s1 6 2 8a p s t a r h s1 6 3 2 机械最高速度( 张分) 2 0 0 18 01 6 0 最大进纸尺寸( m m ) 1 6 0 0 2 4 0 0 1 6 0 0 x2 8 0 01 6 0 0 3 2 0 0 最小进纸尺寸( m m ) 4 5 0 6 0 0 4 5 0 6 0 0 4 5 0 6 0 0 隔张送纸( m m ) 2 0 0 0 2 4 0 02 0 0 0 2 8 0 02 0 0 0 3 2 0 0 最大印刷面积( m m ) 1 6 0 0 2 3 6 01 6 0 0 2 7 6 01 6 0 0 3 1 6 0 标准哪0 厚度( m m ) 7 27 27 2 最小开正刀( 础 n ) 1 3 0 x 1 3 0 x 1 3 0 x 1 3 01 3 0 x 1 3 0 x 1 3 0 1 3 01 3 0 x 1 3 0 1 3 0 1 3 0 槽间隔反刀( m 瑚) 2 3 0 6 5 2 3 0 6 52 3 0 6 5 2 3 0 6 52 3 0 x 6 5 2 3 0 6 5 最大槽深( m m ) 4 0 0 4 0 04 0 0 然而现在我国的多数包装印刷企业仍要依靠国外技术，尚未形成具有自主知识产 权与核心技术、具有创新性产品自主研发能力以及向市场提供商品化批量产品的能力。 1 2 3 送纸机构主轴概述 图l - 4 印刷开槽模切机送纸机构主轴 f 谵1 - 4m a i ns h a f to f c o r r u g a l e 圮lc a s ef o r 伊o o v m ga n dd i ec u t t i n g 图1 - 4 为本次课题研究的送纸机构主轴，钢制主轴上覆盖了一橡胶层，方便送纸。 在动力机械或旋转机械中，传动系统或传动轴作为重要的零部件，其功能是将电机输 出的扭矩动力有效地传递给执行机构，广泛地应用于机床，涡轮机等通用或专用机械， 广东工业大学硕士学位论文 其静动态性能直接影响着整个系统的性能。从能量观点看，机床振动的能量来 驱动系统、零部件之间的相互作用和主轴系统引起的相关振动，包括受迫振动 振动。对机床振动而言，主轴系统的影响占较大的比重，而主轴系统是机床动 递路径的终点，其动态响应直接决定机床系统的性能。 近二十年来，在机床主轴部件设计及改进中广泛地应用有限元分析方法，国内一 些高校和科研院所开展了大量的研究工作并取得很多研究成果。例如，1 9 9 0 年至1 9 9 3 年，北京工业大学的杨家华等系统地研究了主轴系统的有限元建模并进行动态特性分 析，同时也通过在实验台上对主轴部件进行试验模态分析，比较和验证理论分析的正 确性。2 0 0 8 年，武汉理工大学刘道钱等以某数控铣床主轴为研究对象，建立了轴和角 接触轴承的等效动力学模型。研究了轴承等效刚度和预紧力参数对主轴系统固有频率 影响规律，通过模态分析确完主轴部件的固有频率和振型，验证数控铣床主轴部件结 构设计的合理性 3 1 。 本课题将以机械仿真优化作为主要的研究手段，研究瓦楞纸印刷开槽模切机主要 零件送纸机构主轴的动态特性，在仿真中同时考虑刚柔耦合多体动力学以及考虑非线 性因素的模态分析等问题。 1 3 相关理论发展国内外现状 1 3 1 机械系统动态仿真技术 1 3 1 1 机械系统仿真动态技术含义 机械系统动态仿真技术( m e c h a n i c a ls y s t e ms i m u l a t i o n ) ，又称为虚拟样机技术，是 国际上2 0 世纪8 0 年代随着计算机技术的发展而迅速发展起来的一项计算机辅助工程技 术 4 1 。虚拟样机技术是指在产品设计开发过程中，将分散的零部件设计和分析技术( 指 在某单一系统中零部件的c a d 和f e a 技术) 糅合在一起，在计算机上创建出产品的整体 。模型，并针对该产品在投入使用后的各种工况进行仿真分析，预测产品的整体性能， 进而改进产品设计、提高产品性能的一种新技术。工程师在计算机上建立样机模型， 对模型进行各种动态性能分析，然后改进样机设计方案，用数字化形式代替传统的实 物样机实验。运用虚拟样机技术，可以大大简化机械产品的设计开发过程，大幅度缩 短产品开发周期，大量减少产品开发费用和成本，明显提高产品质量，提高产品的系 统性能，获得最优化和创新的设计产品 4 1 。 4 第一章绪论 机械系统动态仿真技术技术的应用可以贯串在整个设计过程中。在概念设计和方 案论证阶段，设计师可以把自己的经验和创造性思维结合在计算机中建立的虚拟样机 模型里；在结构设计阶段，工程师可以及时修改结构参数，进行各种校核和优化，快 速接近理想的设计目标；在产品功能分析阶段，测试工程师可以设置不同的工况参数 对产品进行全方位的功能检验，以检测新产品的主要功能。因而，用机械系统动态仿 真技术技术开发产品可使开发周期缩短，设计质量和效率得到提高。 1 3 1 2 机械系统动态仿真技术的核心理论 工程中的研究对象大多是由大量零部件构成的系统，根据设计优化与性态分析的 要求可以将其分为两大类：一类称为结构，它们的特征是在正常的工况下构件间没有 相对运动，研究中只关心这些结构在受到载荷耐的强度、刚度与稳定性；另一类是系 统在运行过程中部件间存在相对运动的机构，如航空航天器、操作机械臂、机器人等 复杂机械系统。力学模型为多个物体通过运动副连接的系统，称为多体系统。机械系 统动态仿真技术的核心理论是多体系统动力学。多体系统动力学是由多刚体系统动力 学与多柔体系统动力学组成。 1 多刚体系统动力学的研究对象是由任意有限个刚体组成的系统，刚体之间以某 种形式的约束连接，这些约束可以是理想完整约束、非完整约束、定常或非定常约束。 研究这些系统的动力学需要建立非线性运动方程、能量表达式、运动学表达式以及其 他一些量的公式。多刚体系统动力学主要解决多个刚体组成的系统动力学问题，各个 构件之间可以有较大的相对运动。 2 多柔体系统动力学的研究对象是由大量刚体和柔体组成的系统。多柔体系统动 力学可以看作是多刚体动力学的自然延伸。根据多柔体系统组成的特点，一般以多刚 体系统动力学的研究为基础，对系统中柔性体进行不同的处理，在机械系统中常用的 处理方法有离散法、模态分析法、形函数法和有限单元法等。将柔性体的分析结果与 多刚体系统的研究方法相结合，最终得到系统的动力学方程【5 1 。 1 3 1 3 机械系统动态仿真技术的特点 同传统的基于物理样机的设计研发方法相比，机械系统动态仿真技术即虚拟样机 设计方法具有以下特点： 1 传统的设计思想是一个串行的过程，从设计到产品的批量生产按照从前至后的 顺序进行。这种方法直到设计开发的最后阶段才能得到整个样机，在开发过程中各个 小组往往把注意力集中在各自的细节上，忽略了整机性能，所以最终产品集成后存在 广东工业大学硕士学位论丈 缺陷。现在，并行工程( c o n c u r r e n te n g i n e e r i n g ) 在设计领域得到了广泛应用，但大多数 情况下仅是对单个零部件采用并行设计，这同样导致整机系统效果不够理想。而虚拟 样机技术的核心是包含各学科子系统的数学大模型d m u ，使虚拟样机技术具备整机性 能评估的条件，强调从系统层面上的优化，重视整机性能。因此在产品开发设计阶段 就可以快速比较不同的设计方案。这样在开发早期及整个设计过程中能及时发现问题 并反馈，使得整个设计过程得到优化。 2 机械系统动态仿真技术使产品的开发设计具有更短的研发周期、更低的研发成 本、更高的产品质量。虚拟样机的设计方法是通过计算机技术建立产品的数字化模型 ( 虚拟样机) ，摆脱了对物理样机的依赖，从而可以完成无数次物理样机无法进行的虚拟 试验，有时这些试验是破坏性的，因此大大减少了物理样机的数量，而且缩短了研发 周期、提