基于ADAMS的宽窄行分插机构动力学分析[三维UG]【含CAD高清图纸和说明书】
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三维UG
含CAD高清图纸和说明书
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摘 要宽窄行插秧是由农艺专家提出的一种适合我国水稻种植要求的种植方式，该种植方式的目标是增加通风，减少病虫害，增加水稻产量。目前国内插秧机用分插机构都是等行距(30cm)形式，延吉插秧机制造有限公司和黑龙江农业机械研究所研制了一种宽窄行插机，采用等行距插秧用的曲柄摇杆式分插机构，只是在分插机构和秧箱的布置上做了一定的改进。实现了20cm-40cm的插秧行距，但秧箱未能有效利用，尤其是采用20cm秧盘，与现有30cm秧盘不通用，机器不成熟，限制了机器的推广。另外，浙江理工大学赵匀等提出了多种行星轮系宽窄行分插机构，并进行了机构运动学的分析和参数优化。宽窄行分插机构是宽窄行水稻插秧机的关键工作部件，其性能的优劣将直接影响水稻插秧质量、插秧机工作可靠性、使用寿命和插秧效率，直接决定插秧机的整体工作性能和品牌竞争力。因此，对宽窄行水稻插秧机分插机构进行运动学、动力学、强度方面的分析、研究，具有重大的现实意义和经济效益，对高速插秧机的发展，宽窄行分插机构的研制以及我国水稻种植机械化水平的提高具有重要的理论意义，同时还给零件的刚柔耦合分析提供了一种实现方法。本课题以水稻插秧机宽窄行分插机构为研究对象，首先分析了分插机构在高速和低速运动下机座的受力变化情况，讨论了在多高的转速下需要考虑分插机构的不平衡现象，并通过在机构上增加配重来优化高速下机座受力变化幅度；其次将分插机构栽植臂壳体看作柔性体，对其在水稻插秧机分插机构工作过程中受到的应力、应变、位移进行了分析、研究，主要内容如下：(1)实现UG与ADAMS的数据转换，实现虚拟样机的仿真；(2)分析不同转速下机座受力；(3)在ADAMS中进行动平衡研究；(4)实现UG与ANSYS的数据转换，在ANSYS中生成取苗臂壳体中性文件；(5)实现ADAMS与ANSYS的数据转换，在ADAMS中实现分插机构的刚柔耦合模型并进行仿真分析；(6)仿真载荷文件的提取及在ANSYS环境下的取苗臂壳体强度分析；关键词：宽窄行分插机构；动平衡；柔性体；ANSYS；ADAMSAbstractWide-narrow distance planting is put forward by agricultural experts and is a cultivation mode suitable to Chinas rice planting requirements, the goal of this cropping system is to increase ventilation, reduce plant diseases and insect pests, increase the yield of rice. At present, domestic transplanter with mechanism are spaced (30cm), yanji transplanter manufacturing commpany and HeiLongJiang agricultural machinery have developed a wide-narrow distance transplating machine, adopting wide-narrow distance planting with the crank rocker mechanism, just do a certain improvement on the mechanism and the seedling boxs layout. Acheive the planting space of 20cm40cm, but the seedling box fails to use effectively, especially using 20cm seedling box,which is not general using with the existing 30cm seedling box. Because machine is not mature, so it limit the promotion of the machine. In addition, Zhao Yun of ZheJiang Sci_Tech University put forward a variety of transplanting mechanism with planetary gear train spacing, and the analysis of kinematics and parameter optimization.Wide-narrow distance transplating mechanism is the key part to the spacing of rice transplanter working parts, its quality performance will directly affect the quality of rice seedling transplanter, work reliability, service life and planting efficiency, the overall work performance and determine transplanters brand competitiveness. Therefore, the kinematics, dynamics, strength analysis and research for spacing rice transplanter mechanism has the significant practical significance and economic benefits, for the development of high-speed rice transplanter and that the development and the improvement of rice planting mechanization wide-narrow distance transplating mechanism in our country has important theoretical significance, it also provides an implementation method about the coupled analysis of part.This reaserch object is about the rice transplanter wide-narrow distance transplating mechanism, firstly analyzes the stress of mechanism on high-speed and low-speed movement changes, discusses in how high speed we need to consider the mechanism imbalance, and optimization the variations in force through to add weight to the mechanism; Second regard the planting arm shell as flexible body, analysis and reaserch the stress, strain and displacement of rice transplanter mechanism in the process of working, the main content list as follows:1) Realize the UG and ADAMS data conversion, and the simulation of virtual prototype;2）Analysis of the chassis force in different speed;3) Reaserch dynamic balancing in ADAMS;4) Realize the UG and ANSYS data conversion, and generate the .mnf file;5) To achieve data conversion of ADAMS and ANSYS, and realization the coupled model of the mechanism and the simulation analysis in ADAMS;6) Extraction the load file of Simulation and take planting arm shell strength analysis in ANSYS;Keywords: wide-narrow distance transplating mechanism；dynamic balance；flexible body；ANSYS；ADAMS目 录摘 要Abstract第一章 绪论11.1 课题研究的背景和意义11.1.1 研究背景11.1.2 研究意义11.2 行星系分插机构的研究现状21.2.1 传统行星系分插机构21.2.2宽窄行行星系分插机构41.3研究内容51.4 课题的研究思路61.4.1 联合仿真分析6第二章 UG三维建模及虚拟样机装配82.1 虚拟样机技术82.2 栽植臂装配图82.3 UG建立分插机构虚拟样机的三维模型92.4 ADAMS仿真步骤112.4.1创建几何模型112.4.2 创建约束和运动112.4.3 施加力122.4.4 添加驱动122.4.5 仿真分析与结果后处理132.5 建立分插机构虚拟样机132.5.1 分插机构三维模型导入ADAMS132.5.2 定义分插机构构件属性142.5.3 添加运动副152.5.4 施加载何及驱动162.5.5 分插机构虚拟样机仿真172.6 本章小结19第三章 基于ADAMS的配重研究203.1 不同转速下支座力的研究203.2 确定配重块位置213.2 添加配重块213.3 参数化配重块半径213.4 设计研究223.5 最优化求解233.6 结果分析233.7 本章小结24第四章 基于ANSYS和ADAMS的栽植臂壳体强度分析254.1 ADAMS建立柔性体254.1.1 离散柔性连接254.1.2 利用有限元程序建立柔性体254.1.3 利用ADAMS/AutoFlex创建柔性体254.2 UG、ANSYS、ADAMS之间的数据转换264.2.1 UG 与ANSYS之间的数据转换264.2.2 UG与ADAMS之间的数据转换264.2.3 ANSYS与ADAMS之间的数据转换264.3 ANSYS生成模态中性文件274.3.1 设置单位制274.3.2 设定单元类型274.3.3 定义材料属性274.3.4 设置实常数274.3.5 定义单元截面284.3.6 划分网格284.3.7 建立蜘蛛网模型294.3.8 ANSYS生成柔性体中性文件314.4 ADAMS生成载荷文件314.4.1 替换刚性栽植臂壳体314.4.2定义外部载荷324.4.3 刚柔耦合模型运动仿真分析324.4.4 输出载荷文件334.5 栽植臂壳体强度分析374.6 本章小结39第五章 总结与展望405.1 总结405.2 展望40参考文献42致谢44浙江理工大学本科毕业设计（论文） 第一章 绪论1.1 课题研究的背景和意义1.1.1 研究背景 宽窄行插秧是由农艺专家提出的一种适合我国水稻种植要求的种植方式，该种植方式的目标是增加通风，减少病虫害，增加水稻产量。全中国水稻年产量达2000亿公斤，占世界产量的一半以上，平均单产是世界水平的1.6倍。水稻是我国主要粮食作物,在粮食安全中占有极其重要的地位。水稻常年种植面积约3000万公顷，占全国谷物种植面积的30，世界水稻种植面积的20；稻谷总产量近20000万吨，占全国粮食总产的40，世界稻谷总产的35；稻谷平均单产6.212吨公顷，是单产最高的粮食作物。 但是我国水稻种植基本采用人工育秧、插秧、收获的“三弯腰”方式, 劳动强度大, 工作效率较低。我国虽在五六十年代就提出了水稻栽植机械化，但行动慢，步子小，进展不大。据有关数据表明，水稻种植、收获两个环节实现机械化作业可分别减少劳动用工量40%和76%，大幅度提高工效；机械栽插比人工手插平均节约成本450元/公顷左右，提高单产375公斤/公顷以上；机械收获较人工收获节省成本300元/公顷。因此，提高水稻插秧机械化水平对我国只拥有7%的世界耕地却要养活22%世界人口的国家来说，具有重大的意义。2013年农业部落实农业机械化发展目标任务，农业部要求，要积极争取各方支持，落实完善农机化发展扶持政策；加强农机与农艺、农机化与信息化融合，促进技术创新推广；大力推进农机社会化服务，加快发展农业生产全程和全面机械化。水稻插秧机是比较复杂的田间水稻种植作业机械，分插机构是水稻插秧机的核心工作部件，由取苗臂和秧针轨迹控制机构组成，在其他工作部件配合下完成分秧和插秧的动作，其性能直接影响插秧质量、工作可靠性和插秧效率，决定插秧机的整体水平和竞争力，因此对水稻插秧机分插机构运动运动学、动力学、强度方面的分析、研究，具有重大的现实意义和经济效益1。1.1.2 研究意义 由于机械向轻型化、高速化方向发展的趋势，导致构件的柔度、惯性力矩急剧增大，在这种情况下，构件的弹性变形将会给机械的运动输出带来误差，尤其是对于一些挠度比较大的构和一些会产生大变形的构建。对于一些高精密机械，必须计入这种弹性变形对精度的影响，机械系统的柔度加大，系统固有频率下降；机械运转速度提高，激振频率上升。激振频率和固有频率靠近，可能会发生较强的振动现象，既破坏机械的运动精度，又影响构件的疲劳强度，并引发噪声。现代机械系统朝着高速、重载、高精度方向发展的要求也使设计者越来越重视构件的动应力和产品的寿命预估，使得系统刚性运动与其自身变形之间相耦合而产生的弹性动力学问题已成为该领域急需解决的普遍问题和关键技术。宽窄行分插机构也是高速插秧机的部件，由于速度高，而且其取秧与插秧运动是空间运动，所以不能不考虑机座的受力不平衡量，通过在壳体上增加配重块，ADAMS可以对整个部件进行分析求解。在机械系统中，柔性体会对整个系统的运动产生重要影响，在进行运动学分析时如果不考虑柔性体的影响将会造成很大的误差，同样整个系统的运动情况也反过来决定了每个构件的受力状况和运动状态，从而决定了构件内部的应力应变分布。采用ANSYS和ADAMS软件的联合仿真它不但可以精确的模拟整个系统的运动，而且可以基于运动仿真的结果对运动系统中的柔性体进行应力应变的分析2。为了提高宽窄行水稻插秧机的工作效率和工作质量，分插机构不断朝着高速、高精度方向发展，为了更加精确地模拟整个系统的运动，反映分插机构的应力、应变问题，必须将薄壁铝制的分插机构栽植臂壳体看作柔性体来进行运动仿真分析，可以将ANSYS与ADAMS两个软件结合使用。通常，ANSYS不适合进行机构的动力学分析，而ADAMS不适合进行有限元分析，将二者结合，有利于取长补短。ADAMS软件是著名的机械系统动力学仿真分析软件，分析对象主要是刚体，但与ANSYS软件结合使用可以考虑分析零部件的弹性，同样ADAMS的分析结果可为ANSYS分析提供相应的边界条件3-8。1.2 行星系分插机构的研究现状1.2.1 传统行星系分插机构 传统行星系分插机构主要是等行距的，这种机构插秧的缺点是不利于秧苗内部通风。主要有如下五种形式。(1) 偏心齿轮行星系分插机构偏心齿轮行星系分插机构由日本率先发明，并在中国申报专利。该机构如图1.1所示，共有9个半径相同的偏心齿轮，太阳轮10固定不动，两边对称布置2对齿轮，栽植臂4固定在行星轮8上，行星架7与太阳轮共轴。工作时，行星架转动，2个惰轮9(也称中间轮)绕太阳轮转动，带动2个行星轮在周期内摆动，栽植臂随行星架的圆周运动和随行星轮作相对于行星轮轴的摆动，构成了特殊的运动轨迹，可满足秧爪轨迹和姿态的要求。偏心齿轮行星系分插机构与非圆齿轮行星系分插机构相比较有加工简单的优点，但齿隙变化引起振动，需增加防振装置，结构较复杂。中国学者也对该机构进行了研究和改进，在对该机构进行运动分析的基础上，用解析法建立了该分插机构的运动学模型9。(2) 偏心链轮式分插机构偏心链轮式分插机构采用5个偏心链轮，利用传动比变化实现分插机构的传动要求。偏心链轮分插机构的传动部分产生效果，与偏心齿轮、椭圆齿轮分插机构相同。不同之处在于偏心链轮分插机构没有中间轮，取而代之的是两个等径偏心链轮的传动比变化来实现要求。两偏心链轮轮心在工作周期中，靠近和分离造成链条松紧变化可由偏心张紧轮消除10。1.中心椭圆齿轮 2、3.中间椭圆齿轮4、5.中间圆齿轮 6、7.行星圆齿轮图1.2 正齿行星轮系分插机构1.推秧凸轮 2.拨叉 3.推秧弹簧 4.载植臂 5.推秧杆 6.秧爪7.行星架 8.行星轮 9.惰轮 10.太阳轮图1.1 偏心齿轮行星系分插机构(3) 椭圆差速分插机构椭圆差速分插机构在一个回转的壳体里(相当于轮系机构的行星架)安装3个全等的椭圆齿轮，3个椭圆齿轮的回转中心均在椭圆齿轮的交点上且相位相同，并支撑在壳体上，栽植臂上秧爪输出的绝对运动为随壳体的平动和绕行星轮轴心的不等速转动的合成，从而使秧爪获得适于分秧、插秧的运动轨迹。另外，在栽植臂上附加推秧机构，其作用是插秧时将秧苗准确推入土壤中。(4) 正齿行星轮系分插机构正齿行星轮系分插机构如图1.2所示，它由正圆齿轮和椭圆齿轮组成。通过键、行星轮轴与行星圆齿轮固结的一对栽植臂，一方面随着行星架作圆周运动，另一方面随着行星圆齿轮相对行星架作非匀速转动，在这两种运动的复合下，秧爪按要求的姿态(角位移和轨迹)运动，通过选择合适的结构参数，就可以找到满足插秧要求的工作轨迹、取秧角和插秧角11。(5) 椭圆齿轮行星系分插机构图1.3 椭圆齿轮行星系分插机构椭圆齿轮行星系分插机构如图1.3所示。其传动部分由5个全等的椭圆齿轮、行星架和2个栽植臂组成。中央椭圆齿轮I(也称太阳轮)与机架固定，在起始位置，5个椭圆齿轮长轴在一条直线上，行星架转动，转速为，2个中间齿轮(也称惰轮)绕太阳轮转动，带动2个行星轮(齿轮III)在周期内摆动，行星轮与栽植臂一体，栽植臂上各点(包括秧爪尖)作复合运动：行星轮轴随行星架的圆周运动(牵连运动)和随行星轮作相对于行星轮轴的摆动(相对运动)，构成了特殊的运动轨迹。秧爪的角速度为行星架角位移和行星轮角位移的代数和。在VB6.0平台上开发出人机交互参数优化软件，分析了各结构参数对运动轨迹和优化目标的影响，优化出满足插秧要求的结构参数12-13。1.2.2 宽窄行行星系分插机构(1) 非匀速空间行星轮系宽窄行分插机构非圆锥齿轮行星轮系分插机构结构如图1.4所示，主要由太阳轮4,中间斜齿轮2、中间非圆锥齿轮3、和行星轮1组成。其中行星轮也是非圆锥齿轮，与非圆锥齿轮3配合，太阳轮固定不动，随着壳体的转动将带动中间轮和行星轮转动，从而完成取秧和插秧过程，由于非圆锥齿轮的存在，秧爪尖点的运动轨迹为空间轨迹。1.右行星齿轮 2.右中间斜齿轮 3.右中间非圆锥齿轮 4.右太阳轮图 1.4非匀速空间行星轮系分插机构(2) 圆柱凸轮滑移式宽窄行分插机构1.中心轴 2.太阳轮 3.行星架 4.中间轮 5.中间轴 6.行星轮 7.凸轮 8.行星轴 9.圆柱凸轮 10.滑块 11.栽植臂壳体 12.弹簧 13.推秧杆 14.秧针 15.拨叉图1.5 圆柱凸轮滑移式宽窄行分插机构圆柱凸轮滑移式宽窄行分插机构原理如图1.5所示，机构由变速传动部件和栽植臂组成，其变速传动部件有5个全等的变性椭圆齿轮，太阳轮2与机架固结，中心轴1带动行星架3及两个中间轮4和两个行星轮6转动，两个中间轮4和太阳轮2啮合产生自转，并分别带动对应的行星轮6相对行星架3转动；栽植臂11通过行星轴8与行星轮6固结，圆柱凸轮9以栽植臂11相对行星架3转动作为动力，驱动栽植臂11在旋转的同时相对行星架3横向移动，形成一空间轨迹，推秧杆13在凸轮7、拨叉15和弹簧12组成的凸轮机构的控制下，依靠弹簧12弹力在指定位置完成推秧，并通过凸轮7挤压弹簧12收回，准备取秧和下次推秧。1.3研究内容目前对于分插机构的研究都集中于，秧针尖点轨迹、姿态角、取秧角度、插秧角度、秧针尖点的运动速度等上面，缺乏对动力学的研究；缺乏对机构平衡的考虑，基于此种情况，尤其是在高速运动情况下，不平衡量的大小对机构的可靠性和使用寿命起着至关重要的作用，利用多刚体动力学分析软件ADAMS对宽窄行分插机构的平衡情况进行研究。分插机构栽植臂壳体是薄壁硬铝合金壳体，当分插机构取秧时，按在栽植臂壳体上的秧针撕取秧箱上的秧苗，此过程是分插机构整个周期中受力最大，也是容易产生破坏的过程。本论文利用ADAMS分析纯刚体分插机构在高速运动时机座的受力变化情况，还采用了ADAMS和ANSYS两个软件的联合仿真技术来研究分插机构栽植臂在取秧时刻或者出现意外（如取秧时秧针与秧门发生碰撞、插秧时碰到石子）时栽植臂的变形和应力分布，通过结构的改进设计以提高栽植臂工作时的可靠性。主要的研究内容如下：(1)实现UG与ADAMS的数据转换，实现虚拟样机的仿真；(2)分析不同转速下机座受力； (3)在ADAMS中进行配重研究；(4)实现UG与ANSYS的数据转换，在ANSYS中生成取苗臂壳体中性文件；(5) 实现ADAMS与ANSYS的数据转换，在ADAMS中实现分插机构的刚柔耦合模型并进行仿真分析；(6) 仿真载荷文件的提取及在ANSYS环境下的取苗臂壳体强度分析；1.4 课题的研究思路本课题利用UG、ADAMS、ANSYS实现对分插机构视为刚柔耦合机构进行联合仿真分析，其流程如图1.6所示：图1.6 刚柔耦合分插机构运动仿真分析流程图1.4.1 联合仿真分析1.5 本章小结1.提出了本课题研究的背景及意义；2.综述了水稻插秧机分插机构的研究现状及关键技术；3.阐述了本课题的研究内容及研究思路。第二章 UG三维建模及虚拟样机装配2.1 虚拟样机技术虚拟样机技术(VPT，virtual prototyping technology)是一种基于虚拟样机的数字化设计方法，是各领域CAX/DFX技术的发展和延伸。虚拟样机技术进一步融合了先进建模/仿真技术，现代信息技术，先进设计制造技术和现代管理技术，将这些技术应用于复杂产品全生命周期和全系统的设计，并对他们进行综合管理。与传统产品设计技术相比，虚拟样机技术强调系统的观点，涉及产品全生命周期，支持对产品的全方位测试，分析与评估，强调不同领域的虚拟化的协同设计。多刚体动力学分析软件ADAMS就是一种虚拟样机技术，它通过计算机软件建立机械系统的三维实体模型和力学模型，分析和评估系统的性能，从而为物理样机的设计和制造提供合理的参数依据。虚拟样机技术的核心是机械系统动态仿真，还包括三维CAD建模方法、有限元分析方法、机电液控制技术和最优化方法等相关技术并取得了很好的应用效果。同传统的基于物理样机的设计方法相比，虚拟样机的设计方法具有很多特点16，包括全新的开发模式、降低开发成本、实现动态联盟等。2.2 栽植臂装配图由CAD建立各个零件的二维工程图，分插机构栽植臂装配图和栽植臂壳体主视图如图2.1、2.2所示。1.秧针 2.推秧爪 3.推秧杆 4.密封塞 5.衬套2 6.栽植臂壳体 7.衬套1 8.缓冲橡胶垫 9.拨叉 10.顶盖橡胶垫 11.顶盖 12.栽植臂弹簧 13.螺钉 14.弹簧垫圈 15.固定销 16.弹簧座 17.螺钉 18.弹簧垫圈图2.1 栽植臂剖视图19.拨叉轴 20.六角螺母 21.M6平垫圈 22.定位板图2.2 栽植臂后盖法向视图2.3 UG建立分插机构虚拟样机的三维模型UG(Unigraphics NX)是Siemens PLM Software公司出品的一个产品工程解决方案，它为用户的产品设计及加工过程提供了数字化造型和验证手段。Unigraphics NX针对用户的虚拟产品设计和工艺设计的需求，提供了经过实践验证的解决方案。本实验中采用UG软件建立虚拟样机的三维模型，实现装配仿真分析，图2.3到图2.9为宽窄行分插机构的部分构件的三维模型：图2.3 拨叉图2.4 定位板图2.5 后端盖图2.6 推秧杆图2.7 凸轮图2.8 秧针图2.9 栽植臂壳体图2.10 分插机构装配图由于细小零件较多，此处就不一一列出，将装好的装配图列举如下，图2.10为整个分插机构的虚拟样机装配图，图2.11为栽植臂装配图。图2.11 栽植臂子装配2.4 ADAMS仿真步骤图2.12 ADAMS系统仿真一般步骤应用ADAMS软件进行机械系统仿真分析的一般步骤如图2.12所示17-19。为使仿真分析能够顺利地进行，应遵循以下原则:2.4.1创建几何模型 对于较简单的几何模型，可以直接在ADAMS/View中建立。而对于复杂的模型，其三维建模一般是在专业的三维建模软件(如UG、Proe、SolidWorks等)中完成，完成零件的组装，然后通过专用接口或通用数据格式转换导入ADAMS环境。2.4.2 创建约束和运动约束是用来限制和定义ADAMS中各零件的位置和运动，模拟机械的实际运行状况，组装完整的机械系统，为后续分析做准备。ADAMS中提供的约束包括时变约束、时不变约束、完整约束、不完整约束、高副约束和低副约束等，用户也能通过自定义子程序来定义约束。在ADAMS/View中提供了4中约束类型如下18：(1) 运动副约束：运动副约束包括11种，通过运动副来实现约束，运动副在现实中都能找到对应的物理模型，如铰链副、移动副等。每施加一个运动副可以把两个零件联系起来，被连接的零件可以是刚体、柔性体、点质量，这11种运动副中齿轮副和关联副又称为复杂运动副；(2) 基本约束：基本约束总共包含5种，基本约束对零件的相对运动进行了限定，如限定两个零件必须平行运动，或者是限定他们的运动路线相互垂直等。基本约束在现实中没有物理原型，通过基本约束的组合可以产生定义与运动副约束相同的约束，也可实现运动副约束无法实现的复杂约束；(3) 运动约束：运动约束通过对模型施加运动来实现对模型的约束，一旦定义好运动后，模型就会按照所定义的运动规律进行运动，而不考虑实现这种运动需要多大的力或力矩，ADAMS/View定义了两种类型的运动约束包括运动副运动和点运动。(4) 高副约束：两个构建通过点或线的接触组成的运动副成为高副，在ADAMS/View中指的是凸轮机构，包括点线凸轮机构和线线凸轮机构。 2.4.3 施加力ADAMS/View定义了4种类型的力：主动力、柔性连接(如无质量梁、套筒、弹簧阻尼器和扭簧)、特殊力(如重力、轮胎力)和接触力18。定义力的大小，可以直接定义力或力矩的模或3个方向的分量，当力的大小与运动量(位移。速度)有线性关系时，定义其比例系数。如弹簧刚度。粘性阻尼系数；也可以使用Function builder或子程序定义力与位置、运动之间更复杂的关系，甚至力与力的关系；接触力可以看成只能压缩的弹簧力。定义力的方向，力包括固定于物体(力与物体的相对位置始终保持不变)和固定于空间的力(力在空间中的位置始终不变)；也可指定沿某标记的一坐标轴方向，或多个轴方向，或指定方向；也可选择沿两个标记的连线方向或者垂直于网格平面，或者可以用鼠标左键选力的方向。2.4.4 添加驱动在ADAMS/View中添加驱动，驱动也作为约束的一种，可以减少系统的一个自由度，如果是单纯做在重力作用下的系统仿真，则可以不加任何驱动；在需要一个原动机作为动力输入进行有输入的运动学或动力学仿真时，可以在运动副上添加驱动，驱动作为一种再约束需要加在已有运动副上，从而确定运动副所约束的两个构件之间保持某种确定的运动规律，驱动包括旋转驱动和直线驱动，又可以叫转动马达和直线马达，其中转动马达需要加在转动副上，直线马达需要加在移动副上；添加时设置好转动马达的转动角速度或者直线马达的移动线速度即可。2.4.5 仿真分析与结果后处理 ADAMS/View仿真分析过程中会自动地调用ADAMS/Solver求解程序。再由ADAMS/Solver完成以下4种类型的仿真分析。 (1) 运动学分析(Kinematic)，通过求解一系列代数方程，仿真分析自由度等于零的系统运动参数。 (2) 动力学分析(Dynamic)，通过多个微分代数方程求解，仿真分析自由度大于零的复杂系统的动力学响应和受力的大小。 (3) 静态分析(static)，通过受力平衡，求解各构件在静态下的受力情况。 (4) 装配分析(Assemble)，用于发现和纠正在装配过程中的错误连接以及不正确的初始条件。 在ADAMS仿真分析完成之后即可进入结果后处理，结果后处理是通过调用独立的后处理模块ADAMS/PostProcessor来完成的。ADAMS/PostProcessor模块主要包含两大功能：仿真结果回放功能和测量曲线的编辑处理。通过对仿真结果进行后处理，可以完成以下工作:(1) 可以将仿真结果与实物样机结果测量结果进行对比验证分析；(2) 可以绘制各种测量曲线并进行一些曲线的数学计算和统计分析；(3) 可以对不同条件的测量结果进行比较；(4) 提供对虚拟样机系统的更改指导；(5) 可以对测量结果进行不同的编辑。2.5 建立分插机构虚拟样机2.5.1 分插机构三维模型导入ADAMS在UG中建立、组装的三维模型导入ADAMS一般采用以下方法：通过中间数据格式Parasolid进行转换，具体步骤如下：(1)在UG环境中建立各构件的三维实体模型并装配；(2)将装配好的模型另存为实体(.X_T)格式；(3)在ADAMSView工作环境中选择File-Import，在导入文件类型中选择Parasolid，指定装配体的(.X_T)格式文件， 即可导入ADAMS20。2.5.2 定义分插机构构件属性为了不同的零件在设置和选择的时候容易辨认，首先将导入分插机构的各个零件重命名为对应的名称，为了区分不同零件，最好将不同零件更改为容易区分的颜色，然后对每个零件设置它们所对应材料的密度属性，系统会自动根据零件的体积计算出各个零件的质量以及沿每个轴的转动惯量，并在质心出自动创建质心marker点，具体各零件所对应的材料属性如表2.1所示：表2.1 材料属性说明构件名称 材料名称栽植臂壳体顶后端盖箱体密封塞顶盖密封垫橡胶缓冲垫衬套2衬套1 推秧杆 秧针推秧爪拨叉定位板凸轮弹簧座中心轴中间轴行星轴中心圆齿轮中间非圆锥齿轮行星非圆锥齿轮 法兰硬铝合金硬铝合金硬铝合金橡胶橡胶橡胶黄铜黄铜45钢45钢45钢45钢45钢45钢45钢45钢45钢45钢45钢45钢45钢45钢2.5.3 添加运动副在定义完了质量属性后，零件之间并没有形成运动关系，所以还需要施加运动副，使其形成具有确定运动关系的分插机构。ADAMS软件提供了丰富的约束库，可以方便的实现约束的施加，对分插机构施加的运动副如表2.2所示：表2.2 运动副说明运动副名称 连接构件固定副固定副固定副固定副固定副固定副固定副 固定副 固定副 固定副 旋转副 旋转副 旋转副 旋转副 碰撞 碰撞 碰撞 碰撞弹簧箱体与箱体之间；箱体与凸轮之间；行星轮与定位板之间；定位板与栽植臂之间；后盖与栽植臂之间；箱体与凸轮之间；盖与栽植臂之间；轴套与栽植臂之间；推秧杆与弹簧座之间；橡胶软垫圈与栽植臂；中间轴与箱体之间；行星轴与箱体之间；中间轴与箱体之间；拨叉与栽植臂；中心圆齿轮与中间圆齿轮；中间非圆锥齿轮与行星非圆锥齿轮；拨叉与弹簧座；弹簧座与橡胶软垫圈；后端盖与弹簧座；定义完运动副的分插机构如图2.13所示。图2.13 ADAMS中分插机构图2.5.4 施加载何及驱动 分插机构所受的载荷有:中心圆齿轮与中间圆齿轮之间的接触力、中间非圆锥齿轮与行星非圆锥齿轮之间的接触力、凸轮与拨叉之间的接触力、拨叉与弹簧座之间的接触力、弹簧座与橡胶缓冲垫之间的接触力、弹簧座与顶盖之间的弹簧力。各个刚体的变速运动或者刚体回转运动所产生的惯性力由ADAMS/solver求解器自动计算。各刚体的重力在定义重力加速度的大小、方向和材料属性(如密度)等后，在仿真中自动给各刚体施加重力。在弹簧座中心与顶盖中心的连线设置一弹簧，其刚度为2N/mm，预载荷为48N，预载荷工作长度为76mm，参数设置如图2.14所示。图2.15 电机参数图2.14 弹簧参数 假定中心轴匀速转动，可以在箱体和中心轴之间施加的旋转副处添加一旋转驱动电机，为使在开始仿真时不发生刚性冲击将旋转速度设置为step(time,0,0,0.1,1080d)*time，如图2.15所示。2.5.5 分插机构虚拟样机仿真对于分插机构在完成模型导入、重命名颜色修改、质量属性定义、运动副定义、载荷添加、驱动添加之后前处理部分基本完成，可以进行运动仿真分析。图2.16 纯刚性体分插机构静轨迹曲线仿真计算之前必须设置相应的仿真参数，仿真时间即系统的实际运行时间，仿真步数的多少对计算时间影响不大，但过多的仿真步数会浪费大量的存储空间。本次刚性分插机构的仿真参数设定为：时间:1s，步数:200步。(1) 秧针尖点运动轨迹分析分插机构秧针轨迹能否满足插秧要求，将直接影响插秧机的工作性能和插秧质量，如果轨迹不合理就不能很好地取秧、运秧、插秧，严重时甚至会使所插秧苗倒伏或漂秧。图2.16为纯刚性体分插机构秧针尖点运动轨迹曲线，图中显示分插机构静轨迹为猪腰子形。(2) 秧针尖点速度分析图2.17 秧针X方向速度伤秧率是评价插秧机工作性能的重要指标之一，伤秧一般发生在取秧和插秧阶段，在取秧和插秧阶段秧针相对于秧苗的速度越小伤秧率越小。图2.17为秧针尖点X方向速度曲线，图2.18为秧针尖点Y方向速度曲线，图2.19为秧针尖点合速度曲线。图2.18 秧针Y方向速度图2.19 秧针合速度(3) 秧针尖点加速度分析机构运动的加速度特性可以反应出机构动力学特性的好坏，加速度小则特性好，加速度大则特性坏。图2.20为秧针尖点X方向加速度曲线，图2.21为秧针尖点Y方向加速度曲线，图2.22为秧针尖点合加速度曲线。图2.20 秧针X方向加速度图2.21 秧针Y方向加速度图2.22 秧针合加速度2.6 本章小结根据分插机构二维图纸利用UG软件建立三维模型，并进行虚拟装配，将模型通过中间数据格式.X_T导入ADAMS，在ADAMS/View环境中，对分插机构模型施加运动副、添加载荷及驱动，进行运动仿真,得出了分插机构秧针尖点的运动轨迹曲线、速度曲线、加速度曲线。第三章 基于ADAMS的配重研究3.1 不同转速下支座力的研究为了研究高速和低速下支座力的变化情况，分别将电机的转速设置为150R/min，200R/min，250R/min,300R/min,350R/min,400R/min。其支座力变化情况如图3.1所示。图3.1 支座力变化图从图中可以看出，随着转速的提高，支座力的波动幅度也越来越大，250R/min的时候幅值250N，300R/min的时候幅值为300N，在经验设计上一般转速超过250R/min就需要考虑平衡问题，低于250R/min则不需要。接下来对转速为250R/min的情况进行配重平衡研究。3.2 确定配重块位置在UG软件中将整个分插机构三维装配图中的栽植臂单独导出，然后在UG菜单栏中选择分析、测量体、选择整个栽植臂，然后在结果显示中勾选显示信息窗口，就会出现栽植臂的体积、面积、质量、回转半径和质心。由于栽植臂是复合运动，既包括随箱体的转动，又有绕行星轴的转动，所以栽植臂的重心是时变的，但是也有一定规律，那就是也绕行星轴转动，所以我们首先在UG中将栽植臂质心点投影到行星轴转动中心线上，投影方向是过质心与中心线相交且垂直的垂线方向，然后在此点上建立基准坐标系，此时可显示改点在全局左边系下的坐标位置，通过该位置和转动中心位置计算出行星轴中心线上的点关于转动中心的对称位置，然后在对称位置上加配重块，配重块坐标如表3.1所示。表3.1 配重坐标X(mm)Y(mm)Z(mm)第一点0.65017846568836-90.049232854351171.24962874509第二点-0.5897537367855789.971997954518171.641959106463.2 添加配重块确定好配重块之后就可以增加配重块了，为了方便设置，选择球体作为增加配重，在工具面板中选择球体建模，设置初始半径为10mm，在工作区右击鼠标即弹出坐标设置对话框，将计算好配重位置的坐标输入之后选择Apply即可，在添加完配重块之后需要设置其材料属性，选择配重块材料也为硬铝合金，但材料库里没有此种材料，这时只能通过输入材料密度的方法设置，输入密度为7830.64Kg/m3。3.3 参数化配重块半径首先建立变量，选择BuildDesign VariableNew，进入创建设计变量对话框，变量名称为R1，初始值为10，最大值为32，最小值为1，设置好的结果如图3.1所示，然后将设置变量与配重块半径关联起来，用鼠标右键配重块选择Modify，进入参数修改对话框，在半径处用应经建立好的参数替换掉实数即可，具体可参看图3.2。图 3.1建立设计变量图3.2 关联设计变量3.4 设计研究图3.3 变量研究 在设置变量的范围内进行最优化求解，由于变量范围太大，ADAMS只能根据初始值求解出初始值附近的局部收敛解，不能达到全局最优解，为此，先进行设计研究，即将变量的范围等分为多少段进行计算，看每一点的设计目标值是多少，然后再找出其中的较小值进行最优化求解，将变量R1的1到32分为32段，即可在1到32的每个整数点上进行研究计算，具体设置如图3.3所示。3.5 最优化求解在优化求解前先建立支座的测量，选择分插机构中心铰链副，右键选择Measure，测量名为JOINT_8_FORCE_Y，测量特性选择Force，然后单击OK。至此模型优化的前期准备已经完成，可以进行优化求解，菜单栏上选择SimulateDesign Evaluation，即进入优化求解器，求解对象为测量求解，选择Measure，测量对象为RMS of JOINT_8_FORCE_Y，即是机架Y方向受力的均值，求解方法选择最优化求解，设计变量为R1、R2，优化目标为测量目标的最小值21，具体设置可参照图3.4。3.6 结果分析 根据变量设计研究结果可以得出在32点上，支座力的方差值随配重块半径增加的变化情况，从图3.4中数据可以发现半径为4mm、14mm两点的方差值较小，选取这几点作为3.5最优化求解的初始点进行最优化求解，求解结果发现局部收敛点就在初始点，将半径为4mm、14mm两点的支座力变化情况与不加平衡块时的支座力在进行完20Hz低通滤波相比较，曲线如图3.5所示，从图中可以发现，两种配重对于支座力幅值的优化并没有明显的变化，这说明双栽植臂的宽窄行分插机构本身已经比较平衡，其次说明在250R/min的转速下不需要进行配重优化。图3.3 最优化求解图3.4 设计研究结果图3.5 滤波曲线3.7 本章小结 本章通过ADAMS的优化求解计算，研究了宽窄行分插机构的动平衡问题，利用UG里的坐标计算方法，获得了配重位置，通过ADAMS的设计研究和最优化方法比较了有配重和无配重时机架的支座力的变化情况，发现双栽植臂的分插机构本身已经比较平衡，优化的效果并不明显。第四章 基于ANSYS和ADAMS的栽植臂壳体强度分析4.1 ADAMS建立柔性体ADAMS中建立柔性体的方法大致有3种：离散柔性连接、利用其他有限元分析软件、利用ADAMS/AutoFlex模块。4.1.1 离散柔性连接把一个刚性构件离散为几个小刚性构件，小刚性构件之间通过柔性梁连接，离散柔性连接件的变形是柔性梁连接的变形，并不是小刚性构件的变形，小刚性构件的任意两点不能产生相对位移，所以离散柔性连接件本质是刚性构件的范畴内。每段离散件有自己的质心坐标系、名称、颜色和质量信息等属性，每段离散件是一个独立的刚性构件，可以像编辑其他刚性构件一样来编辑每段离散件。柔性连接件的优点是这种柔性体可以模拟物体的非线性变形，但只适用于简单结构，可以直接帮助用户计算截面的属性，比直接适用柔性粱将两构件连接起来方便。4.1.2 利用有限元程序建立柔性体利用其他有限元分析软件将构件离散成细小的网格，进行模态计算，将计算的模态保存为模态中性文件MNF(Modal Neutral File)，直接读取到ADAMS中建立柔性体；由于采用的是模态线性叠加来模拟物体变形,因此模态式柔性体仅适用于线性结构的受力行为。利用有限元技术，通过计算构件的自然频率和对应的模态，按照模态理论，将构件产生的变形看作是由构件模态通过线性计算得到的。在计算构件模态时，按照有限元理论，首先要将构件离散成一定数量的单元，单元数越多，计算精度越高，单元之间通过共用一个节点来传递力的作用，在一个单元上的两个点之间可以产生相对位移，再通过单元的材料属性，进一步计算出构件的内应力和内应变。4.1.3 利用ADAMS/AutoFlex创建柔性体利用ADAMS/AutoFlex模块，直接在ADAMS/View中建立柔性体的MNF文件，然后用柔性体替换原来的刚性体。利用ADAMS/AutoFlex，可以使用3种方法来创建柔性体，第一种是拉伸法，(1)定义拉伸路径：一定要从Z轴的负方向向正方向拉伸，最好先定义好Point点和Marker点；(2)定义横截面积：中心对称的图形；(3)定义单元属性和材料属性：二维壳单元和三维实体单元；(4)定义外部Marker点。第二种方法是利用刚体构件的几何外形来创建柔性体，选择Solid Tetra单元。第三种方法是导入有限元模型的网格文件（Import Mesh）创建柔性体19。4.2 UG、ANSYS、ADAMS之间的数据转换4.2.1 UG 与ANSYS之间的数据转换目前这两个软件之间的数据转换是通过中间数据格式进行转换，主要包括两种，一种是曲面格式(.IGES格式)，另一种是实体格式(.X_T格式) 22。在UG中将建立的PRT文件导出为IGES文件，通过IGES格式进行这两个软件之间的数据转换。但是如果在UG中建立的模型特征过多或结构过于复杂，那么生成的IGES文件会不完整，在输入ANSYS以后由于可能存在一些小面或残破面而无法生成实体， 因此这种格式的应用受到了限制。还有一种是运用实体格式X_T格式，这种格式也需要对模型进行简单修改，尽量避免使用倒圆角，这样即使存在一些小面也能顺利生成实体。由于此次柔性体联合仿真分析中，只需生成栽植臂壳体的中性文件，对于这一单一零件采用通过中间数据格式X_T进行转换，具体过程如下：为了模型零件的位置能够匹配最好是在装配图中将单个零件导出，这样能在用柔性体替代刚性体时位置不出错，用UG打开分插机构装配图文件，点击“文件导出”，选择Parasolid格式，在弹出的对话框中要求点选需要导出的零部件，点选分插机构上栽植臂壳体，选择确定，在弹出的保存文件对话框中输入文件名，确定为X_T格式，单击OK按钮就行了。4.2.2 UG与ADAMS之间的数据转换UG与ADAMS之间的数据转换如2.4.1所述采用中间通用数据格式.X_T格式。4.2.3 ANSYS与ADAMS之间的数据转换ANSYS进行模态分析时，可生成ADAMS使用的柔性体模态中性文件(即mnf文件)；然后利用ADAMS的Flex模块将此文件调入，以生成模型中的柔性体，利用模态叠加法计算其在动力学仿真过程中的变形以及连接节点上的受力情况。这样在机械系统的动力学模型中就可以考虑零部件的弹性特征，提高系统仿真的精度3。ADAMS进行动力学分析时，可生成ANSYS软件使用的载荷文件(即1od文件)，此文件可向ANSYS软件输出动力学仿真后的载荷谱和位移谱信息。ANSYS直接调用此文件生成有限元分析中力的边界条件，进行应力、应变以及疲劳寿命的评估分析和研究，这样便可得到基于精确动力学仿真结果的应力、应变分析结果，提高计算精度。4.3 ANSYS生成模态中性文件模态中性文件.MNF中包含了柔性体的质量，质心，转动惯量，频率，振型以及对载荷的参与因子等信息 ，ADAMS可以根据模态中性文件生成相应的柔性体构件24-26。4.3.1 设置单位制在ANSYS命令栏中输入命令流：/UNITS,SI，设定的单位为M(米)、KG(千克)、N(牛顿)、S(秒)。4.3.2 设定单元类型生成栽植臂壳体的中性文件中选用的单元类型是：Solid45和Beam4。Solid45单元用来创建3D实体模型，它是8节点单元，拥有3个自由度，分别为X、Y、Z轴的方向的移动。Beam4是两节点单元，用来连接梁节点与实体单元节点，建立蛛网模型，是受单向拉伸、压缩、扭转、弯曲的单元，每个节点拥有6个自由度。4.3.3 定义材料属性定义材料为线性弹性模型，指定用于实体的材料的弹性模量、密度、泊松比分别为7e10Pa、0.3、2700kg/m3;指定用于连接梁的材料的弹性模量、密度、泊松比分别为2.1e11Pa、0.3、7800kg/m3。4.3.4 设置实常数 45号单元没有实常数，Beam4单元需要设置实常数，不需要手动去计算，只需要在设置截面形状和半径时查看实常数，然后将其写入实常数参数设置中即可，还有一点值得注意的是实常数的设置要在45号单元划分完之后，设置参数如图4.1所示：图4.1 实常数设置4.3.5 定义单元截面45号单元不需要实常数也不需要截面设置，Beam4单元不仅需要实常数，而且梁单元需要设置截面，截面的设置也要在45号体单元划分完之后，截面设置过程如下所示：ANSYS Main MenuPreferencesSectionsBeamCommon Sections，选择圆截面，输入半径为1mm。4.3.6 划分网格选择手动划分的方式进行划分，这样有一个不好的地方，就是在应力集中和不集中的地方划分单元粗细相同，使得应力集中地方的计算精度不是很高，但是如果手动划分时将边长设置很小时则计算结果相差无几，但是这样就使得整个模型的单元数增加，导致计算减慢。手动划分的特点就是网格单元外观好看，具体划分过程如下所示：ANSYS Main MenuPreferencesMeshMeshtool，设置全局单元结果如图4.2所示。划分结果如图4.3所示：图4.2 单元长度设置图4.3 网格模型4.3.7 建立蜘蛛网模型在ADAMS中，柔性体被设置载荷和运动副的地方在ANSYS中必须设 置节点，且因为作用于构件上的力应该被分散到一个平面而不应该是一个单一点上，所以若连接处柔性体是空洞，则必须使中心节点与其周围节点相连接，其主要方法有如下两种：(1) 使用梁单元连接采用梁单元连接时，应该采用高刚度、轻质量的梁单元，应首选此种方法，因为：作用于节点处的力通过梁单元被分散到一个平面区域；使用梁单元连接不需要使用Mass21点单元，因为梁单元已经提供了六个自由度；通过梁单元可以传递瞬间力。(2) 使用21号单元加刚性区域使用21号单元加刚性区域同样可以连接节点与其周围的结构，可以将作用于节点处的力分散到一个平面区域，可以传递瞬间力，和使用梁单元连接相比较而言，使用刚性区域法过程中需要使用Mass21点单元，而且刚性区域并没有梁单元仿真精度高，所以一般优先选用梁单元连接。对于栽植臂壳体，在固定秧针的两点处、推秧杆滑动的中心处、拨叉轴转动的中心、与顶盖相连接的三个螺栓孔、与凸轮相连的孔中心、与定位板连接的三个孔中心均需设置节点。设置圆孔中心节点与其周围节点的连接采用beam4梁单元，建立蜘蛛网模型之前设置划分单元类型为Beam4单元，材料属性为2号，1号截面，1号实常数。其命令流如下所示(以定位板右端孔设置的节点为例)：NWPAVE,100000 将工作平面指定到100000号节点WPSTYL,1 将坐标系定义为柱坐标系CSYS,4 激活工作平面NSEL,S,LOC,X,radh 在孔内选取节点NSEL,A,100000 选取100000号节点*GET,nmin,node,num,min 获取序号最小的点*GET,nnum,node,count 计算点的总数*SET,jj,0TYPE,2 选取2号单元MAT,2 选取2号材料属性*DO,jj,1,nnum-2E,100000,nmin 连接100000号节点和nmin点NSEL,u,nmin*GET,nmin,node,num,min*ENDDO设置完圆孔中心节点与其周围节点的梁连接后的栽植臂壳体如图4.4所示。图4.4 蜘蛛网模型4.3.8 ANSYS生成柔性体中性文件在ANSYS命令窗口中输入如下命令流：NSEL,s,100000，100001，100002 选取建立的12个节点ADAMS,13,3 扩展输出13阶模态，同时输出应力、应变，开始计算生成中性文件FINISH 完成栽植臂壳体中性文件的生成4.4 ADAMS生成载荷文件进入ADAMS程序，打开分插机构纯刚性体文件，读入栽植臂壳体模态中性文件.MNF替换刚性栽植臂壳体，建立刚柔耦合分插机构模型，指定柔性体与刚性体的连结方式，按实际情况定义载荷和边界条件进行机械系统的动力学分析。在分析完成后输出ANSYS软件所需要的载荷文件(.lod文件)。此文件包含了对应于仿真过程中不同时刻不同仿真步数时的外部节点的信息(例如力、力矩)。4.4.1 替换刚性栽植臂壳体单击菜单“Build”“Flexible Bodies”“Rigid to Flex”后，弹出用柔性体替换刚性体对话框，为Current Part输入框拾取将要替换的刚性构件，在输入框中单击鼠标右键，选择Pick,单击分插机构三维模型中的栽植臂壳体；在MNF File输入框中右键选择Browse，然后找到ANSYS输出的模态中性文件将其选中，然后点击Ok即可替换掉刚性栽植臂壳体。在用柔性体替换掉刚性体之后，原来与刚性体连接的约束就会被破坏掉，这时需要将破坏掉的约束删除，然后在刚体与柔性体之间重新添加约束，约束点的位置为ANSYS中设置的外部节点，在ADAMS中显示的外部节点号仍然没有改变，和ANSYS中设置的序号一样，重新定义约束如表3.1所示。 表4.1 柔性体与刚性构件的运动副连接运动副名称连接构件及位置节点固定副滑移副固定副固定副转动副固定副固定副固定副固定副栽植臂壳体与秧针、节点100007栽植臂壳体与推秧杆、节点100009栽植臂壳体与后端盖、节点100011栽植臂壳体与盖、节点100004栽植臂壳体与拨叉、节点100002栽植臂壳体与定位板、节点100000、100001、100010栽植臂壳体与后端盖、节点100005、100006栽植臂壳体与盖、节点100003栽植臂壳体与推秧杆、节点1000084.4.2定义外部载荷 分插机构运动仿真过程中主要受到两种外部力，一是机构本身的重力，另一个是在取秧时发生碰撞产生的力，对于重力的加载，可以直接在ADAMS中设置，选择SettingsGravity，勾选Gravity，选择Y轴负方向就可以了。 碰撞力的设置方法是，利用ADAMS中的建模方法在取秧位置建立方块，调整方块的位置使得在取秧的时候秧爪能与方块发生接触，然后设置好方块的材料，将方块与大地之间建立固定副约束，在秧爪与方块之间建立碰撞副约束，这样就可以模拟取秧时刻发生碰撞时的情况。4.4.3 刚柔耦合模型运动仿真分析刚柔耦合仿真分析计算量较大，仿真速度比较慢，而且此处定义的是碰撞副，所以不需要完成一秒钟的仿真，但在设置仿真时间和步数时依然设置时间为1S，仿真步数为200步，由于碰撞副在受力太大之后会穿破表面，所以在秧爪与方块发生碰撞后3到5步即可手动点击停止仿真，只要在输出载荷文件时在仿真步数之内都可以输出，超出现有仿真步数则不行。刚柔耦合模型如图4.5所示，上栽植臂壳体为柔性体。图4.5 刚柔耦合模型4.4.4 输出载荷文件完成刚柔耦合分析之后，即可输出载荷文件，过程如下：选择File Export FEA Loads，将弹出输出载荷文件对话框，如图4.6所示。如图4.7为相关参数和设置的结果，具体步骤如下所示：图4.7设置生成栽植臂载荷文件图4.6 设置输出载荷文件对话框(1) File Type:选择 FEA loads；(2) File Format:选择ANSYS；(3) File Name:随便输入一个文件名即可，为了表示输出时刻，输入adams_33作为文件名；(4) Analysis:选择分析结果，右键选择Flexible_BodyGuesses.Last_Run(5) 选择输出柔性体还是刚性体的载荷：此处选择柔性体，并在虚拟样机中选中栽植臂壳体；(6) 完成上述设置后，点击“Add Load Points to Nodes Table”按钮，系统将会自动为你添加ANSYS中建立的外部节点的ID号和坐标位置；(7) Output at times: 确定运动仿真过程中需要输出载荷的时刻，+/-框确定这一时刻的前后误差时间段。设置完选项的载荷文件对话框如图4.7所示，选择输出时刻为0.33s,前后误差为0.005s；(8) 点击“OK”按钮，系统会问你所设置的单位，确定输出单位为米制单位系统，如果不是则需先在单位制中设置系统为米制单位系统，然后再输出，如果是米制单位系统则单击“continue”即可，系统将生成载荷文件，默认载荷文件位置为当前虚拟样机文件夹下。输出的载荷文件为内容如下所示：(以第一步载荷为例)! * A N S Y S *! * LOADS DATA SET FRAGMENT *! Load File Created From Adams Analysis! TO BE MERGED WITH ANSYS INPUT FILE! Created: Tue Apr 30 16:10:47 2013! Number of Load Cases: 8! Units: Mass = kg! Length = meter! Force = newton! Time = sec! *! ! Load Point Information (Global Reference Frame):! Node ID Adams ID X Y Z Marker Label! - - - - - -! 100000 244 2.46796e-002 7.72492e-002 2.75129e-001 MARKER_244! 100001 246 -1.92002e-002 1.09696e-001 2.61985e-001 MARKER_246! 100010 248 -1.94645e-002 6.85533e-002 2.70560e-001 MARKER_248! 100003 250 -1.94799e-002 9.94669e-002 2.50556e-001 MARKER_250! 100004 252 1.91053e-002 6.99216e-002 2.62314e-001 MARKER_252! 100005 254 3.42163e-003 1.46956e-001 2.37831e-001 MARKER_254! 100011 256 3.34898e-003 1.42528e-001 3.04712e-001 MARKER_256! 100006 258 -5.11291e-003 1.08566e-001 2.94212e-001 MARKER_258! 100002 260 2.74223e-002 9.59077e-002 2.53325e-001 MARKER_260! 100009 262 7.10436e-002 1.08142e-001 2.86712e-001 MARKER_262! 100007 268 6.00563e-002 1.24019e-001 2.86712e-001 MARKER_268! 100008 270 7.94630e-002 1.19184e-001 2.86712e-001 MARKER_270! ! LOAD CASE = 1!TIME,3.25000e-001FDEL, ALLACEL,-1.56576e+001,7.81698e+000,-2.66055e+000OMEGA,-1.54511e+000,1.46237e+000,-1.03872e+001DOMEGA,6.08237e+001,-1.27156e+001,-2.01492e+002F, 100000, FX,-4.70947e+002F, 100000, FY,-1.14591e+002F, 100000, FZ,-5.38732e+001F, 100000, MX,-8.94689e-002F, 100000, MY,-4.73941e-003F, 100000, MZ,0.00000e+000F, 100001, FX,-5.44746e+001F, 100001, FY,-5.86702e+002F, 100001, FZ,1.19326e+002F, 100001, MX,0.00000e+000F, 100001, MY,8.83085e-001F, 100001, MZ,0.00000e+000F, 100010, FX,4.27057e+002F, 100010, FY,6.90121e+002F, 100010, FZ,-8.02471e+001F, 100010, MX,0.00000e+000F, 100010, MY,0.00000e+000F, 100010, MZ,0.00000e+000F, 100003, FX,1.44789e+001F, 100003, FY,-1.06820e+001F, 100003, FZ,-9.45647e+000F, 100003, MX,4.07344e-001F, 100003, MY,0.00000e+000F, 100003, MZ,0.00000e+000F, 100004, FX,-1.45231e+001F, 100004, FY,1.13617e+001F, 100004, FZ,9.47738e+000F, 100004, MX,0.00000e+000F, 100004, MY,5.36210e-001F, 100004, MZ,0.00000e+000F, 100005, FX,-1.36599e+001F, 100005, FY,-5.00618e+000F, 100005, FZ,3.74874e+000F, 100005, MX,0.00000e+000F, 100005, MY,0.00000e+000F, 100005, MZ,-5.84792e-001F, 100011, FX,-1.83305e+001F, 100011, FY,4.08860e+001F, 100011, FZ,2.05666e+001F, 100011, MX,0.00000e+000F, 100011, MY,0.00000e+000F, 100011, MZ,0.00000e+000F, 100006, FX,-1.60521e+001F, 100006, FY,-2.10945e+001F, 100006, FZ,-2.45336e+001F, 100006, MX,0.00000e+000F, 100006, MY,0.00000e+000F, 100006, MZ,0.00000e+000F, 100002, FX,1.45752e+002F, 100002, FY,-1.01953e+001F, 100002, FZ,1.54805e+001F, 100002, MX,8.10122e-002F, 100002, MY,1.78462e+000F, 100002, MZ,-3.38874e-001F, 100009, FX,6.90634e-001F, 100009, FY,3.67782e+000F, 100009, FZ,-2.97749e-001F, 100009, MX,1.57780e-001F, 100009, MY,6.13295e-001F, 100009, MZ,1.23932e-001F, 100007, FX,-2.03831e+003F, 100007, FY,5.05677e+002F, 100007, FZ,1.98408e-001F, 100007, MX,-9.13067e-004F, 100007, MY,0.00000e+000F, 100007, MZ,0.00000e+000F, 100008, FX,2.03839e+003F, 100008, FY,-5.03956e+002F, 100008, FZ,-3.56375e-001F, 100008, MX,0.00000e+000F, 100008, MY,0.00000e+000F, 100008, MZ,0.00000e+000LSWRITE 4.5 栽植臂壳体强度分析恢复设置完节点连接的栽植臂壳体数据文件，在ANSYS命令窗口中输入如下命令流，完成对柔性栽植臂壳体的强度分析。WSPRINGS !创建自由度约束/SOLU !开始计算/INPUT,adams_33*DO,i,1,8 ! 利用循环计算每一步载荷LSREAD,i ! 读入载荷步数IRLF,1 ! 击活惯性释放SOLVE ! 计算当前这一步载荷*ENDDO ! 循环计算每一步载荷/POST1 ! 进入通用处理模块*DO,i,1,8 ! 循环SET,iPLNSOL,u,sum ! 显示应力图PLNSOL,s,eqv ! 显示应变图*ENDDO ! 循环显示每一步应力、应变图/SHOW,termFINISH通过联合仿真计算得出栽植臂壳体在取苗时刻发生碰撞的应力分布云图，如图4.8所示，从图中可以看出在定位板的连接点处应力较大，栽植臂壳体与秧爪连接的两个螺钉孔处的应力分布较大，最大应力为35.1MPa，小于硬铝合金屈服应力180MPa，所以在取秧时刻和秧门碰撞不会发生应力破坏。图4.8 栽植臂壳体应力云图图4.9 秧针连接孔周边一点处的应力变化情况 图4.9为秧针连接孔周边某一点的应力变化情况，从图中可以发现随着仿真的进行，该点的应力值不断增大，以至于远远超过了硬铝合金的屈服极限，主要原因是此处的取秧不是加载取秧力，而是通过定义碰撞实现的，所以在碰撞未穿透之前，碰撞的力会不断增大，使得其后面的仿真超出实际情况，此处我们是为了了解碰撞时刻的应力变化情况，所以碰撞之后的可以不予考虑。4.6 本章小结1.介绍了ADAMS中生成柔性体的3种方法；2.简述了ANSYS、UG、ADAMS三种软之间的数据转换方法；3.介绍了如何利用ANSYS生成模态中性文件，利用ADAMS和ANSYS进行刚柔耦合运动仿真分析，并输出载荷文件，ANSYS读入载荷文件计算栽植臂壳体的应力、应变；43第五章 总结与展望5.1 总结分插机构是水稻插秧机的核心工作部件，由栽植臂和秧针轨迹控制机构组成，在其他工作部件配合下完成分
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