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略尔滨理工大学t 学硕士学位论文 深孔加工动力减振镗杆的动力学仿真与参数化分析 摘要 随着金属加工行业的发展，市场竞争日益激烈，对加工质量和加工效率 提出了越来越高的要求。深孔加工由于其特殊的加工环境，使镗杆杆体的尺 寸和形状都要受到一定的限制，造成了镗杆的刚度较低，特别是在镗杆的长 径比比较大的情况下，镗杆的刚度会更小，这将严重影响加工质量，甚至使 加工无法正常进行。如何减小镗削过程中的振动已成为迫待解决的问题。 要研究镗杆的切削过程，就必须建立镗杆系统的动力学方程。而用传统 的方法是不可能建立一个精确的动力学方程的。虚拟样机技术的出现提供了 一个解决问题的方法。虚拟样机技术的核心是机械系统动力学、有限元理论 和控制理论等建模理论及其技术的实现。有限元分析与机械系统仿真拥有相 同的系统动力学求解基础，它们之间结合起来，可更好地实现机械系统刚柔 耦合动力仿真分析研究。利用虚拟样机技术可实现机械系统动力学方程的自 动生成并精确求解，可在研究阶段预测镗杆的动力学性能，对这些性能进行 优化，以达到提高产品性能、缩短开发时间、减少开发费用的目的。 本文借鉴了国外先进的镗杆制造技术，采用内置式动力减振的结构来增 加镗杆的动刚度，并对动力减振镗杆进行了结构设计，建立了减振系统的数 学模型。在运动特性分析和结构优化中采用虚拟样机技术，利用a d a m s 和a n s y s 软件联合建立了减振系统的多柔体动力学模型。以减小镗削过程 中刀刃的径向跳动量为目标对动力减振镗杆虚拟样机进行仿真优化分析，得 出了减振系统的最优参数。 本文的分析方法与结论，尤其是动力减振模型的建立及仿真结果，为内 置式动力减振镗杆的设计和改进提供了可靠的依据，对动力减振的方法，对 各种减振镗杆的研发，有重要指导意义。 关键词减振器；镗孔；虚拟样机；动力学仿真；参数化分析 竺垒兰竺三叁兰：耋竺! 兰竺丝圣 d y n a m i cs i m u l a t i o na n d p a r a m e t r i ca n a l y s i so f d y n a m i c a lv i b r a t i o na b s o r p t i o nb o r i n gb a rf o r d e e p - h o l ep r o c e s s i n g a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e mo fm e t a lm a c h i n i n gi n d u s t r ya n dt h e i n c r e a s i n g l y f i e r c em a r k e tc o m p e t i t i o n ，t h eh i g h e rd e m a n df o rm a c h i n i n gq u a l i t ya n d e f f i c i e n c yi sp u tf o r w a r d t h es i z ea n ds h a p eo ft h eb o r i n gb a ra r er e s t r i c t e d b e c a u s eo ft h es p e c i a lm a c h i n i n gc o n d i t i o ni nt h ed e e p h o l ep r o c e s s i n g t h i s p r o d u c e st h el o ws t i f f n e s so ft h eb o d n g b a rw h i c hw i l lb e c o m el o w e re s p e c i a l l y w i t ht h eb i gl e n g t h d i a m e t e rr a t i oo f t h eb a r t h cm a c h i n i n gq u a l i t yw i l lb eb a d l y a f f e c t e da n dt h em a c h i n i n gc a l ln o tb eo nt h er a i l sd u et ot h el o w e rs t i f f n e s s h o w t or e d u c et h ev i b r a t i o ni nt h eb o r i n gp r o c e s s i n gh a sb e c o m ea nu r g e n tp r o b l e m t h ed y n a m i c a le q u a t i o no fb o r i n gb a rs y s t e mm u s tb eb u i l du pf o rs t u d y i n g t h ec u t t i n gp r o c e s s i n go ft h eb o r i n gb a r b u ta l la c c u r a t ed y n a m i c a le q u a t i o nc a n n o tb eb u i l tw i t ht h et r a d i t i o n a lm e t h o d t h ea p p e a r a n c eo fv i r t u a lp r o t o t y p e t e c h n o l o g yo f f e r saw a yt os o l v et h ep r o b l e m ，t h ec o r eo ft h ev i r t u a lp r o t o t y p e t e c h n o l o g yi so nt h er e a l i z a t i o no fm o d e l i n gt h e o r i e sa n dt e c h n o l o g y , m e c h a n i c a l s y s t e md y n a m i c s ，f i n i t ee l e m e n tt h e o r ya n dc o n t r o lt h e o r y , e t c t h ef i n i t ee l e m e n t a n a l y s i sa n dm e c h a n i c a ls y s t e ms i m u l a t i o n ，w h i c h h a v et h es a m es o l u t i o n f o u n d a t i o no fs y s t e m a t i cd y n a m i c s ，c o m b i n et oa c h i e v ea c c u r a t es i m u l a t i n g a n a l y s i so fc o u p l i n gm o t i v eb e t w e e nt h er i g i d a n df l e x i b l e b yu s i n gv i r t u a l p r o t o t y p et e c h n o l o g y , w ec a r lr e a l i z et h ea u t o m a t i c a l l yb u i l d i n ga n da c c u r a t e l y s o l v i n go ft h em e c h a n i s ms y s t e md y n a m i c a le q u a t i o n ，p r e d i c ta n do p t i m i z et h e s y s t e md y n a m i c sp e r f o r m a n c ei nt h ec o u r s eo fs t u d y i n g 1 1 l ei m p r o v e m e n to f p r o d u c tp r o p e r t i e s ，c o n s t r u c t i o np e r i o da n de x p e n s er e d u c t i o na r ea c h i e v e d r e f e r e n c eo ft h ef o r e i g na d v a n c e dm a n u f a c t u r et e c h n o l o g yo fb o r i n gb a ri s u s e di nt h i sa r t i c l e w ea d o p tab o r i n gb a rw i t hd y n a m i c a lv i b r a t i o na b s o r p t i o n s y s t e mi ni tt oi n c r e a s et h es t i f f n e s so f t h eb o r i n gb a r , d e s i g ni t ss t r u c t u r e ，s e tu p n 一 竺篓堡矍：奎茎二兰竺三茎竺丝兰 t h em a t h e m a t i c a im o d e lo ft h ev i b r a t i o na b s o r p t i o ns y s t e m i nt h em o v e m e n t c h a r a c t e r i s t i ca n a l y s i sa n ds t r u c t u r eo p t i m i z a t i o nv i r t u a lp r o t o t y p et e c h n o l o g yi s a d o p t e d ，a n dm u l t if l e x i b l eb o d yd y n a m i c a lm o d e lo ft h ev i b r a t i o na b s o r p t i o n s y s t e ma r eb u i l du pb yu s i n gt h es o , w a r eo fa d a m sa n da n s y s a i m i n ga t r e d u c i n gt h er a d i a lv i b r a t i o n a lv a l u eo ft h ee d g eo fk n i f ei nt h eb o r i n gp r o c e s s i n g ， t h ev i r t u a lp r o t o t y p eo fv i b r a t i o na b s o r p t i o nb o r i n gb a rh a v eb e e ns i m u l a t e d ， o p t i m i z e da n da n a l y z e d ，a n do p t i m i z e dp a r a m e t e ra r eo b t a i n e df i n a l l y t h ea n a l y s i ss k i l la n dt h ec o n c l u s i o n ，e s p e c i a l l yt h eb u i l d i n ga n ds i m u l a t i o n r e s u l to ft h ev i b r a t i o na b s o r p t i o nm o d e l ，p r o v i d i n gr e l i a b l ee v i d e n c ef o r t h e b o r i n gb a rw i t hd y n a m i c a lv i b r a t i o na b s o r p t i o ns y s t e mi ni t ，a r ei m p o r t a n t r e f e r e n c ef o rt h em e t h o do fd y n a m i c a lv i b r a t i o na b s o r p t i o na n dt h ed e v e l o p m e n t a n dr e s e a r c ho fs e v e r a io fv i b r a t i o na b s o r p t i o nb o r i n gb a r k e y w o r d s v i b r a t i o na b s o r b e r ；b o r i n go p e r a t i o n ；v i r t u a lp r o t o t y p e ； d y n a m i cs i m u l a t i o n ；p a r a m e t r i ca n a l y s i s i l l - 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文深孔加工动力减振镗杆的动力 学仿真与参数化分析，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学位 期i 日j 独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包 含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名： 廉柄 日期：伽f 年3 月7 1 3 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 深孔加工动力减振镗杆的动力学仿真与参数化分析系本人在哈尔滨理工 大学攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归 哈尔滨理工大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全 了解哈尔滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部 门提交论文和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨理工大学可以 采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用授权书。 不保密囱。 ( 请在以上相应方框内打) 作者签名： 摩柏 导师签名仰缎吻 1 日期：z 喇年3 月je t 日期：和年3 月7 日 哈尔滨理t 大学 学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的学术背景 任何一个强大的国家都必须具有包括金属切削加工在内的强大制造业基 础。在整个2 l 世纪中，金属切削加工仍是机械制造业的主导方法。切削加工 技术广泛地应用于各个领域，并且要求越来越高，特别是对加工精度的要求也 越来越严格。在很多情况下，为了满足对加工的要求，对刀具的性能提出了更 高的要求，这种情况在轿车工业中体现得最为明显。从8 0 年代起，我国相继 从德国、美国、法国、日本等国引进了较先进的轿车车型和数控自动生产线， 这使我国轿车的制造工业得到了空前地发展。在轿车制造工业中，决定轿车性 能和技术水平的大多数关键零、部件是通过刀具切削加工最终完成的。并且， 切削刀具的性能已成了提高轿车零、部件自动生产线加工工艺技术水平、生产 效率、制造精度和降低成本的重要保证。同样在加工航空航天等军品工件时。 为了提高工件的综合性能来达到某些特殊的要求，需要一次成型，所利用的刀 具必须实现特殊功能。 在机械加工中内孔加工是所占比例较大的一种重要的加工方法，约占整个 加工工作量的1 4 ，而深孔加工又在内孔加工中占有很大的比例，所以深孔加 工问题是否解决好，将会直接影响机器产品的生产进度和产品质量。特别是在 重型机器制造业中，能否掌握它，运用自如，将会对生产有着决定性的影响， 也影响到机器产品的质量。而深孔加工中最常见的疑难问题就是细长车刀和镗 杆的长径比不够或动刚度不够，从而不能满足被加工工件的要求 通常，长径比小于4 的镗杆在加工工件时不会产生振动。但是在许多应用 中，例如在车内螺纹和内表面开槽时，振动有可能在长径比为2 3 之间时就开 始了“。当镗杆受到一个持续的切削力时，秆长从杆直径的4 倍增加到1 0 倍时偏 差将增加1 6 倍。在同样的切削力作用下，杆长迸一步增加到杆直径的1 2 倍时， 将增加另外的7 0 的偏差。对于同样的切削力，保持镗杆的直径不变的情况下 杆直径由2 5 m m 增加雪 3 2 m m 会减少6 2 的偏差。也就是说，在镗杆的长径比大 于4 倍时，镗杆本身的刚度已经明显达不到加工的要求。减少镗杆悬伸长度和 增加镗杆杆体的直径对于减少镗杆的变形量是有利的。但是，由于受加工工件 尺寸的限制，改变这两个参数是不现实的另外，通过减少切削用量来降低切 哈尔滨理 大学t 学硕士学位论文 削力也可以达到减少镗杆变形量的目的，但这样势必会导致生产效率下降，而 且在某些情况下，即使减小切削力也不能达到加工要求，所以这也不是最好的 解决方法。 为解决此类问题，本文采用内置式动力减振结构的防振镗杆，它可以在造 价相对比较低的情况下，实现较大长径比。在机械加工中，利用减振镗杆，可 以提高表面加工质量，大大提高工作效率，特别是在深孔加工中运用此减振镗 杆，对提高内表面质量以及加快切削速度都会有很大的帮助。 1 2 减振镗杆的国内外研究水平和发展趋势 镗杆对孔进行加工的方式在传统上称为镗孔加工。镗孔加工可以在镗床上 进行，也可以在普通车床或者在数控车削加工中心进行加工。 镗孔加工与一般的轴类加工有所区别。一般车床车削轴类零件时，为了使 刀具的刚度达到要求，并保证加工的质量，刀具形状可以选择得比较租、比较 短。但在进行镗孔加工的时候，镗杆是在被加工的工件内，镗杆的尺寸和形状 都要受到一定的限制，造成了刀具的刚度较低，特别是在孔径较小、孔深值比 较大的情况下，镗杆的刚度将会更小由于，在切削时，刚度较低的情况下很 容易引起切削振动，因此为了减少振动应尽量增大镗杆的动剐度嘲。 减振镗杆在机械行业的研究中，已经有很长的历史了，但减振镗杆的研究 和发展是比较缓慢的。到目前为止，世界上只有为数不多的几家厂商能生产出 性价比较好的产品。 在国外，日本三菱公司和东芝公司已经有系列化的产品。如图1 1 所示， 三菱公司的设计思想是减轻镗杆的头部重量，从而使镗杆的动刚度在很大程度 上得到改良旧。从材料力学的角度进行分析可以知道，这种刀具利用了细长杠 杆的端部应力的边缘效应，即杠杆端部受垂直于杠杆的作用力时，杠杆端部靠 上的那部分的内应力比较小，因此可以忽略不计。当镗杆头部所受的作用力偏 离中心时，头部远离作用力的部分内应力比较小。所以当镗杆受到偏心力时， 刀头的那两部分可以切掉一些，这样不仅镗杆头部的重量减少了很多，而且静 刚度的减少量也较小，同时镗杆的动刚度在很大程度上的得到了改良。但是应 当指出这种处理办法还存在很多的问题，其主要问题是采用头部切除法有很大 的局限性，即其长径比不能达到太大。 。 东芝公司的减振镗杆是在刀具的两边平行的切掉一部分，再用刚度和强度 大的材料嵌在两边，从而提高镗杆的静刚度。如图1 2 所示，这种镗杆的原 哈尔滨理工大学工学硕十学位论文 图l - l 三菱公司产品图 f i g 1 1t h ep r o d u c t i o np i c t u r eo f m i t s u b i s h ic o r p o r a t i o n 理简单，其镶嵌在杆两侧的硬质材料和刀体粘结程度是影响镗杆质量的关键因 素。同时由于受到两条加固材料的刚度、厚度和它与杆体粘结的紧密程度的影 响，因此长径比的值也受一定的局限。 图l 也东芝公司产品图 f i g 1 - 2t h ep r o d u c t i o np i c t u r eo f t o s h i b ac o r p o r a t i o n 美国k e n a m e t a l 公司生产的减振镗杆( 最大长径比l f d = 8 ) 主要是采用特 殊的材料制成，也属于提高镗杆静刚度的一种”1 。 瑞典s a n d v i k 公司的减振镗杆( 最大长径比u d = 1 6 ) 是目前最先进的镗杆， 它所采取的方法是给镗杆加内置减振器，如图1 3 所示。这虽然提高了镗杆的 动刚度，但也有它的局限性，例如减振块的密度不可能太大，阻尼器的寿命严 重地影响这种镗杆的使用寿命 国内的一些减振镗杆很多都处于研究阶段，采用的大多是增加镗杆静刚 度的方法，例如在杆体的芯部镶入硬质合金的镗杆嗍嘲。但是大部分的减振措 施都是在工艺上进行改良或是在加工过程中采用一些技巧“o 】 到目前为止，国内的工具厂商还没有在减振镗杆的制造方面有大的进 展，特别是在制造长径比比较大的镗杆方面，而且对内置式减振镗杆的开发工 作也还很少。 哈尔滨理工大学1 = 学硕七学位论丈 1 3 课题来源 图i - 3s a u d v i k 公司产品图 f i g 1 - 3 t h e p r o d u c t i o n p i c t u r e o f s a n d v i k c o r p o r a t i o n 本课题来源于齐齐哈尔第一机床厂实际应用项目，解决的问题是如何减小 切削过程中镗杆的径向弯曲振劫增加镗杆的动刚度，减小刀刃在切削时的径 向跳动量是提高深孔加工表面质量的关键。 1 4 主要研究内容、设计方法 1 4 1 主要研究内容 本课题针对实心镗杆在深孔加工中存在的难题，采用内置式动力减振技 术，解决加工中存在的精度低、表面粗糙度差及加工效率不高等问题。 由于在深孔加工中镗秆的弯曲振动对孔的加工质量及对孔的二次加工的影 响尤为重要，因此本课题的主要目的是降低镗杆在镗削过程中的弯曲振动，即 减小刀刃的径向跳动量，从而提高深孔的加工质量。 1 4 2 设计方法 课题针对用传统方法无法精确建立动力减振镗杆的数学模型的难题，采用 一4 哈尔滨理工大学t 学硕士学位论文 虚拟样机技术，对动力减振镗杆系统进行了动力学特性分析及参数优化。 本课题具体的设计方法为： 1 先进行减振器的结构设计，分析镗杆系统动力减振的作用原理，建立镗 杆系统的数学模型，推导出减振系统参数的计算公式，确定减振系统的主要参 数，奠定动力减振技术的研究基础。 2 利用软件a d a m s 和a n s y s 联合构建的系统平台进行虚拟样机建模， 借助仿真软件a d a m s 求出镗杆系统数学模型所需的参数。 3 确定样机的初始参数，使用a d a m s 软件对样机进行动力学仿真，对影 响减振系统的各个参数进行分析、优化，从而确定系统的各个最优参数。 1 4 3 系统总体设计描述 1 4 3 1 动力减振镗杆结构设计 1 ) 选择镗杆杆体的材料； 2 ) 对杆体进行结构设计； 3 ) 阻尼器的设计： 4 ) 弹簧的选择； 5 ) 减振块的设计； 6 ) 刀头的设计。 1 4 3 2 建立减振系统的数学模型 1 ) 简化模型； 2 ) 建立动力学方程； 3 ) 解方程，得到各参数之间的关系 1 4 3 3 建立动力减振镗杆系统的虚拟样机 1 ) 在a d a m s 中建立系统的多刚体动力学模型； 2 ) 在a n s y s 中建立模态中性文件； 3 ) 在a d a m s 中建立系统的多柔体动力学模型； 1 4 3 4 对样机进行仿真优化分析 1 ) 确定样机的初始参数； 2 ) 对样机进行频域内的仿真； 3 ) 对样机进行设计研究； 4 ) 对样机进行参数优化。 哈尔滨理t 大学工学硕士学位论文 1 5 课题完成后的意义 随着我国制造业的蓬勃发展，国内的机床行业走热。然而关键技术的落 后制约着机床行业向集约化方向发展的步伐。齐齐哈尔第一机床厂为了满足 客户对深孔加工精度越来越高的要求，不得已长期依靠从外国进口昂贵的减振 镗杆。据厂家介绍一个进口减振镗杆就价值5 万元，这使得机床的整个成本提 高，产品的竞争力下降。因此减振镗杆的研制已经成为我国机床行业急需解决 的重大问题。本课题成功地将虚拟样机的技术应用到动力减振镗杆动力特性 的分析和结构参数的优化设计当中。利用软件a d a m s 和a n s y s 联合构成的 系统平台建立起减振系统的动力学模型利用a d a m s 的优化分析功能，得到 了减振系统的最优化参数，解决了用传统方法无法精确建立动力减振镗杆的 数学模型的难题。如果将该技术应用到动力减振镗杆的实际设计当中，可在 研究阶段预测镗杆的动力学性能，对这些性能进行优化，以达到提高产品性 能、缩短开发时间、减少开发费用的目的。 哈尔滨理工大学 学硕七学位论文 第2 章减振系统虚拟样机的建模环境 2 1 虚拟样机技术简介 机械工程中的虚拟样机技术又称为机械系统动态仿真技术，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。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，提高产品的系统级性能，获得 最优化和创新的设计产品。因此，该技术一出现，立即受到了工业发达国家、 有关科研机构和大学、公司的极大重视，许多著名制造厂商纷纷将虚拟样机技 术引入各自的产品开发中，取得了很好的经济效益“”。 本课题利用虚拟样机技术，在a d a m s 和a n s y s 的联合开发平台上建立 了样机模型，对虚拟样机进行了动态仿真及优化，提高了设计的精确度。 2 1 1 虚拟样机技术的研究及应用范围 虚拟样机技术的研究范围主要是机械系统运动学和动力学分析，其核心理 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 力学组成的。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。多柔体系统动力学可以看作是多刚体系统动力学的 自然延伸。根据多柔体系统组成特点，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。 虚拟样机技术已经广泛地应用到：汽车制造业、工程机械、航天航空业、 哈尔滨理丁大学t 学硕十学位论文 国防工业及通用机械制造业等领域。所涉及的产品从庞大的卡车到照相机的快 门，上天的火箭到轮船的锚链。在各个领域里，针对各种产品，虚拟样机技术 都为用户节省了开支、时间并提供了满意的设计方案。 虚拟样机技术在工程中的应用是通过界面友好、功能强大、性能稳定的商 品化虚拟样机软件实现的。国外虚拟样机技术软件的商品化过程早已完成。目 前有二十多家公司在这个日益增长的市场上竞争。比较有影响的产品包括美国 机械动力学公司( m e c h a n i c a ld y n a m i c si n c ) 的a d a m s ，比利时l m s 公司的 d a d s 以及德国航天局的s i m p a c k 。其中美国机械动力学公司的a d a m s 占 据了市场的5 0 以上。 2 1 2 虚拟样机技术的相关技术 机械系统的种类繁多，虚拟样机分析软件在进行机械系统运动学和动力学 分析时，还需要融合其他相关技术。为了能够充分发挥不同分析软件的特长， 有时可能希望虚拟样机软件可以支持其他机械系统计算机辅助工程( m c a e ) 软 件，或者反过来，虚拟样机软件的输入数据可以由其他的专用软件产生。 一个优秀的虚拟样机分析软件除了可以进行机械系统运动学和动力学分 析，还应该包含以下技术： 1 几何形体的计算机辅助设计( c a d ) 软件和技术。用于机械系统的几何建 模，或者用来展现机械系统的仿真分析结果。 2 有限元分析f l e a ) 软件和技术可以利用机械系统的运动学和动力学分 析结果，确定进行机械系统有限元分析( f e a ) 所需的外力和边界条件。或者利 用有限元分析对构件应力、应变和强度进行进一步的分析。 3 模拟各种各样作用力的软件编程技术。虚拟样机软件运用开放式的软件 编程技术来模拟各种力和动力，例如：电动力、液压气动力、风力等等，以适 应各种机械系统的要求。 4 利用实验装置的实验结果进行某些构件的建模。实验结果经过线性化处 理输入机械系统，成为机械系统模型的一个组成部分。 5 控制系统设计与分析软件和技术。虚拟样机软件可以运用传统的和现代 的控制理论，进行机械系统的运动仿真分析。或者，可以应用其他专用的控制 系统分析软件，进行机械系统和控制系统的联合分析。 6 优化分析软件和技术。运用虚拟样机分析技术进行机械系统的优化设计 和分析，是一个重要应用领域，通过优化分析，确定最佳设计结构和参数值， 哈尔滨理工大学 学硕士学位论文 使机械系统获得最佳的综合性能。 图2 1 给出了虚拟样机技术的相关技术。 图2 - 1 虚拟样机及其相关技术 f i g 2 - 1v l m m lp r o t o t y p ea n di t sc o n c e r n e dt e c h n o l o g y 2 2 动力学仿真软件a d a m s 简介 机械系统动力学自动分析软件a d a m s ，是美国m d i 公司( m e c h a n i c a l d y n a m i c si n c ) 开发的非常著名的虚拟样机分析软件。 a d a m s 一方面是虚拟样机分析的应用软件，用户可以运用该软件非常方 便地对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析。另一方面，又是虚拟 样机分析开发工具，其开放性的程序结构和多种接口，可以成为特殊行业用户 进行特殊类型虚拟样机分析的二次开发工具平台“4 。 2 2 ia d a m s 软件的特点及应用 a d a m s 软件能够帮助工程师更好地理解系统的运动、解释其子系统或整 个系统即产品的设计特性，比较多个设计方案之间的工作性能、预测精确的载 荷变化过程，计算其运动路径，以及速度和加速度分布图等。 a d a m s 将强大的分析求解功能与使用方便的用户界面相结合，使该软件 使用起来即直观又方便，还可用户专门化。 a d a m s 软件的特点如下： 1 利用交互式图形环境和零件，约束、力库建立机械系统三维参数化模 型。 2 分析类型包括运动学、静力学和准静力学分析，以及线性和非线性动力 学分析，包含刚体和柔性体分析。 哈尔滨理工大学t 学硕+ 学位论文 3 具有先进的数值分析技术和强有力的求解器，使求解快速、准确。 4 。具有组装、分析和动态显示不同模型或同一个模型在某一个过程变化的 能力，提供多种“虚拟样机”方案。 5 具有一个强大的函数库供用户自定义力和运动发生器。 6 具有开放式结构，允许用户集成自己的子程序。 7 自动输出位移、速度、加速度和反作用力，仿真结果显示为动画和曲线 图形。 8 可预测机械系统的性能、运动范围、碰撞、包装、峰值载荷和计算有限 元的输入载荷。 9 支持同大多数c a d 、f e a 和控制设计软件包之间的双向通讯。 a d a m s 软件可以在航空航天、汽车工程、铁路车辆及装备、工业机械、 工程机械等多个领域内应用。a d a m s 软件可以帮助改进各种机械系统设计， 从简单的连杆机构到车辆、飞机、卫星甚至复杂的人体。 2 2 2a d a m s 模块介绍 a d a m s 软件由若干模块组成，分为核心模块、功能扩展模块、专业模 块、工具箱和接口模块5 类，。其中最主要的模块为a d 刖s ，v i e 、v 一用户界 面模块和a d a m s s o l v e 广一求解器。通过这两个模块可以对大部分的机械系 统进行仿真。 2 2 。2 i 用户界面模块( a d a m s n i e w ) a d a m s v i e w 是a d a m s 系列产品的核 心模块之一，是以用户为中心的交互式图形环境。它将简单的图标、菜单、鼠 标点取操作与交互式图形建模、仿真计算、动画显示、x - y 曲线图处理、结果 分析和数据打印等功能完美地集成在一起。 a d a m s v i e w 采用简单的分层方式完成建模工作，它提供了丰富的零件几 何图形库、约束库和力力矩库，并且支持布尔运算，采用p a m s o l i d 作为实体 建模的核，支持f o r t r a n 7 7 和f o r t r a n 9 0 中所有函数。除此之外， a d a m s v i e w 还提供1 3 个位移函数、9 个速度函数、8 个加速度函数、2 个接 触函数、3 个样条函数、1 4 个力力矩函数、8 个合力力矩函数、6 个数据元函 数、若干用户子程序函数以及6 个常量和变量。 2 2 2 2 求解器( a d a m s s o i v e r ) a d a m s n i e w 是a d a m s 系列产品的核心模 块之一，是a d a m s 产品系列中处于心脏地位的仿真“发动机”。该软件自动 形成机械系统模型的动力学方程，提供静力学、运动学和动力学的解算结果。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 a d a m s v i e w 有各种建模和求解选项，以便精确有效地解决各种工程应用问 题。 a d a m s v i e w 可以对刚体和弹性体进行仿真研究。为了进行有限元分析和 控制系统研究，除满足用户输出位移、速度、加速度和力等的要求外，还可输 出用户自己定义的数据。用户可以通过运动副、运动激励，高副接触、用户定 义的子程序等添加不同的约束，同时可求解运动副之间的作用力和反作用力， 或施加单点外力。 2 2 3a d a m s 的设计过程 高级a d a m s v i e w 的设计流程如图2 2 所示。它主要解决机械复合系 统的设计问题，并能减少研制时间和降低研制费用，从而提高质量、增加效益 和改善产品。主要有以下过程： l 。创建模型在创建机械系统模型时，首先要创建构成模型的物体，他们 具有质量、转动惯量等物理特性。创建物体的方法有两种：一种是使用 a d a m s v i e w 中的零件库创建形状简单的物体；另一种是使用 a d a m s e x c h a n g e 模块从其他c a d 软件( 如p r o e ) 输入形状复杂的物体。 使用a d a m s v i e w 创建的物体一般有三类：刚体、点质量和弹性体。其 中；刚体拥有质量和转动惯量，但是不能变形；点质量是只有质量和位置的物 体，它没有方向；使用a d a m s v i e w 还可以创建分离式的弹性连杆，并且可 以向有限元分析软件( 如a n s y s ) 输出载荷。 创建完物体后，需要使用a d a m s ，e w 中的约束库创建两个物体之间的 约束副，这些约束副确定物体之间的连接情况以及物体之间是如何相对运动 的。 最后，通过施加力和力矩，使模型按照设计要求进行运动仿真。 2 测试和验证模型创建完模型后，或者在创建模型的过程中，都可以对 模型进行运动仿真，通过测试整个模型的一部分，以验证模型的正确性。 在对模型进行仿真的过程中，a d a m s v i e w 会自动计算模型的运动特征，如： 距离、速度信息等。使用a d a m s ，v i e w 可以测量这些信息以及模型中物体的 其他信息，例如：施加弹簧上的力、两个物体之间的角度等。在进行仿真时， a d a m s v i e w 可以通过测量曲线直观地显示仿真的结果。 将机械系统的物理试验数据输入到a d a m s v i o w 中，并且以曲线的形式 叠加在a d a m s v i e w 的仿真曲线中，通过比较这些曲线，就可以验证创建的 哈尔滨理了大学- 学硕士学位论文 图2 - 2 虚拟样机设计过程 f 培2 - 2t h ep r o c e s so f v i r t u a lp r o t o t y p ed e s i g n 模型的精确程度。 3 完善模型和迭代仿真通过初步地仿真分析，确定了模型的基本运动 后，就可以在模型中增加更复杂的因素，以细化、完善模型。例如：增加两个 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 物体之间的摩擦力、刚性体改变为弹性体、将刚性约束副替换为弹性连接等。 为了便于比较不同的设计方案，可以定义设计点和设计变量，将模型进行 参数化，这样就可以通过修改参数自动地修改整个模型。 4 优化设计a d a m s v i e w 可以自动进行多次仿真，每次仿真改变模型的 一个或多个设计变量，帮助找到机械系统设计的最优方案。 5 用户化设计为了使a d a m s v i e w 符合设计环境，可以制定 a d a m s v i e w 的界面，将经常需要改动的设计参数制定成菜单和便捷的对话 窗，还可以使用宏命令执行复杂和重复的工作，提高工作速度。 2 3 有限元分析软件a n s y s 简介 a n s y s 软件诞生于上世纪7 0 年代，在有限元的发展史上，一直作为一个 重要成员存在，在激烈的市场竞争中，生存下来并不断发展壮大，目前是世界 上最有影响的有限元软件之一。 a n s y s 软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用 有限元分析软件。由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国a n s y s 开 发，它能与多数c a d 软件接i ：1 ，实现数据的共享和交换，如p r o e n g i n e e r , n a s t r a n ，p a t r a n ，s o l i d e d g e ，i - - d e a s ，a u t o c a d 等，是现代产品设计 中的高级c a d 工具之一 本课题充分利用a n s y s 强大的建模功能，生成了虚拟样机的弹性部件， 并通过与a d a m s 的接口命令输出了模态中性文件，为振动系统模型的建立奠 定了基础。 2 3 1a n s y s 软件的组成 a n s y s 软件主要包括三个部分：前处理模块、分析计算模块和后处理模 块。 1 前处理模块它为用户提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用 户可以方便地构造有限元模型，软件提供了1 0 0 种以上的单元类型，用来模拟 工程中的各种结构和材料 2 分析计算模块包括结构分析( 可进行线性分析、非线性分析和高度非 线性分析) 、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理 场的祸合分析，可模拟多物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能 力。 哈尔滨理工大学t 学硕士学位论文 3 后处理模块可将计算结果以色彩等值线显示、梯度显示、矢量显示、 粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示( 可看到结构内部) 等图形 方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。 2 3 2a n s y s 软件主要特点 a n s y s 软件有如下技术特点： 1 唯一能实现多场及多场耦合分析的软件。 2 唯一实现前后处理、求解及多场分析统一数据库的一体化大型f e a 软 件。 3 唯一具有多物理场优化功能的f e a 软件。 4 强大的非线性分析功能。 、 5 多种求解器分别适用于不同的问题及不同的硬件配置。 6 支持异种、异构平台的网格浮动，在异种、异构平台上用户界面统一、 数据文件兼容。 7 强大的并行计算功能，支持分步式并行及共享内存式并行。 8 丰富的网络划分工具，支持自由网格、映射网格、智能网格、自适应网 格等，以确保单元形态及求解精度。 9 完全交互式的前后处理和图形软件，大大减轻了用户创建工程模型、生 成有限元模型以及分析和评价计算结果的工作量。 1 0 a n s y s 系列的各种产品和适应于各种计算机系统平台的版本，为用户 提供了各种可能的选择“”。 2 4 本章小结 本章阐述了动力减振镗杆虚拟样机的建模环境，介绍了虚拟样机技术的研 究和应用范围及其相关技术。由于a d a m s 和a n s y s 软件是进行本课题研究 的重要工具，因此本章着重介绍了a d a m s 特点及应用、各主要模块的功能和 a d a m s 的设计过程以及a n s y s 软件的组成和主要特点。 哈尔滨理工大学t 学硕士学位论文 第3 章减振系统结构设计与数学模型的建立 3 1 镗杆杆体材料的选择 这里我们所研究的主要是镗杆的振动特性，而在模型中我们所关心的是决 定镗杆杆体所用材料的特性参数密度和弹性模量的值。为了使模型适合对 不同材料的镗杆的研究，我们将在模态中性文件的建立中对杆体的材料采用参 数化的描述。在系统中选用4 5 钢来做杆体的材料，如选用其他的材料可通过 直接修改相应的变量值来实现。 3 2 镗杆的结构设计 这里我们将选用长度为4 5 0 m m 、直径为6 0 m m 的杆体进行设计。对于给 定减振块的减振系统的减振效果由减振块所在点的振动幅值来确定。因此，减 振块通常被安装在杆的最远端。另一个决定减振效果的因素是减振系统内部减 振块的质量值。在减振系统中减振块必须放在杆的内部。这就限制了减振器沿 杆轴向的位置和内部减振块的尺寸。减振块必须放在直径比杆直径小许多的内 孔中。为了达到理想的减振效果，减振块必须选用密度值非常大的材料。动力 减振镗杆的基本结构如图3 1 所示。 l 镗杆杆体；2 一橡胶圈；3 垫片；4 一减振块； 卜阻尼液；6 堵；7 刀头； 图3 - i 动力减振镗杆结构示意图 f i g 3 - it h e s 吐r u c t u r es k e t c hm a po f d y n a m i c a lv i b r a t i o na b s o r p t i o nb o r i n gb a r 在图3 - l 所示的动力减振镗杆中，减振块由两个o 型橡胶圈支撑，并且，减 振块被特殊的油状液体所环绕。橡胶