【《某农业机器人车辆底盘的运动仿真分析案例》3100字】

某农业机器人车辆底盘的运动仿真分析案例1.1solidworks软件介绍Solidworks软件是由美国Solidworks公司推出的一款具有十分强大的功能的三维建模设计软件，自1995年它的初代软件推出以来，由于其性能稳定且强大，上手简单，极具创新性，大大提高了机械学习者的工作效率，成为机械行业不可或缺的一款软件，在同类软件中处于顶端位置，成为了三维建模设计软件的标杆。该软件还配备了丰富的VBA接口，也可以满足一部分的编程需求[15-16]。1.1.1运动分析所需功能及插件Solidworks软件具有极为丰富的功能，是一个综合性软件，具有许多功能各异的模块，每一个模块都有着各自独立的功能，能够满足各方面的需求。使用者可以根据自身需要任意调用其中的一个模快。本次运动分析时主要用到的模块为：草图绘制模块、零件设计模块、装配模块、运动仿真分析模块。(1)草图绘制模块草图绘制就是利用各种曲线绘制出符合需要的二维图形[17]。(2)零件设计模块零件模块用于创建和编辑三维模型，就是将利用草图模块绘制完成的二维图经过拉伸、切除、旋转、倒角、镜像等处理，得到一个三维零件图。(3)装配模块装配就是将各个设计出的零件通过确定各个零件的相对位置以及各个零件之间所需的配合来形成一个大的装配体，装配模块为零件之间的定位提供了便捷的方法，可以很简单地确定各个零件之间的位置关系。(4)运动仿真分析模块及solidworksmotion运动分析插件Solidworks中的motion插件可以对机构的运动状态做机构的运动和运动学分析，装配体建成后需要对其进行运动分析，在solidworksmotion中，所有零件都可以视为刚体，即在运动分析过程中，这些零件都不会发生变形，于是可以利用solidworks的运动算例功能对其进分析，选择其中的motion分析插件，拖动装配体键码，添加马达、转速等参数进行计算，最终得到角位移图和反作用力图，并由此进行结构的优化[18-21]。(5)强度校核模块及solidworkssimulation有限元分析插件Solidworkssimulation是基于有限元技术的强度分析软件，易学易用、简洁直观，可以很好地对装配体进行应力分析、频率分析、屈曲分析、热分析和优化分析等，可以根据计算后的校核云图得到装配体中最容易出现失效的部位，以便对此部位进行强度优化，可以分为以下几个关键步骤：三维模型的简化、参数的设置、模型的离散化、算例运算求解以及结果分析，实验总会存在误差，simulation也不例外，这些关键步骤每一步都会或多或少地引起误差，这些误差会不断累积，从而对结果产生一些影响[22-23]。1.1.2Solidworks运动分析本设计运用Solidworks对三维模型进行运动分析，可以分为设置各零件之间配合、设置仿真条件（设定平板在驱动马达作用下做匀角速度旋转，旋转速度为1RPM。设置轮胎与试验平台为实体接触配合。让试验平台逆时针旋转）、求解得到倾覆一侧轮胎的反作用力情况、平板的角速度图像。（1）设置配合配合是指各个零件之间的相对运动关系，配合完成后，当拖动整体机构中的一个零件时，其余零件会随之运动，形成一个相互关联的运动。（2）设置仿真条件仿真条件就是对机构添加一些必要的受力，对于本次设计的农业机器人车辆底盘，需要建立一个可旋转平台，来实现车辆底盘在不同坡度的情况下，得到平台对底盘的支持力变化和平台自身角位移的变化的情况。所以需要对平台设置旋转马达，并在平台和底盘之间设置实体接触，将底盘后轮与平台设置最大摩擦系数，使底盘尽量不产生滑动。（3）求解运动规律对运动算例进行求解，检测在该过程中平板的角位移情况和平面对将倾覆一侧轮胎的反作用力情况，得到反作用力和角位移的分析图像。1.2系统稳定性分析该农业机器人车辆底盘由于平台与地面距离高达900mm左右，属于高地隙作业车类型，这种作业车在田间高低起伏的路面上行驶，有发生倾覆的危险。由于农业机器人车辆底盘的运动速度不需要很快，将底盘的最大速度设置为20km/h,行驶速度很慢,可以忽略惯性阻力、空气阻力和滚动阻力，利用静力学方程对纵向和横向的倾覆进行分析。如图1.1所示，当小车即将发生纵向倾覆时，高侧的车轮不受地面所给的力，即法线作用力（支持力）和切向作用力（摩擦力）都为零（N2=0，f2=0），小车将沿着低侧车轮发生旋转，即倾覆。它的临界方程为：其中G为小车重力；N1，N2分别为后侧和前侧轮支持力；f1，f2分别为后侧和前侧轮摩擦力;h为重心到地面的垂直高度；L1,L2为后轴心和前轴心到重心的距离；θ为坡度角。图1.1纵向倾覆受力分析由上述公式可知：不发生纵向倾覆的条件是θ<arctan(L1/h)，它与L1和h相关。（1）当L1一定时，h越小,θ越大，小车越稳定。（2）当h一定时，L1越大，θ越大，小车越稳定。因此，设计时需要尽量降低重心和增大轴心到重心的距离；前者可以通过设计轮胎成为外翻式，增大底盘的占地面积来实现；或者通过增大两侧支座配重实现，即增加配重板。如图1.2所示，当小车即将发生横向倾覆时，同样的，高侧的车轮不受地面所给的力,（N2=0，f2=0），小车将沿着低侧车轮发生旋转，即倾覆。它的计算与纵向倾覆相同，所得出的结论也相同。图1.2横向倾覆受力分析将推杆电机的高度调到最高，此时稳性最差。利用Solidworks软件给小车的各部分机构和材料附上相应的质量或密度参数，随后计算出小车的重心位置，如图1.3所示。图1.3设计方案一质量重心图图1.3设计方案二质量重心图将重心位置代入稳定性分析公式，可得到满载时纵向和横向倾覆时坡度角：设计方案一：θH=34.6θV=31.1（H：横向，V：纵向）设计方案二：θH=21.4θV=27.31.3车辆底盘的运动学仿真分析运动学分析利用用户自我设定的各种参数来达到对结构模型的真实模拟，是研究模型或结构模拟在真实环境中的一种行之有效的工程手段，并且这种方式可以利用极低的成本获得真实模拟，不需要实际生产后去检验其可靠性，大大地缩短了生产时间和生产成本。上节提到了小车的稳定性计算，利用计算求解出农业机器人车辆底盘在纵倾和横倾的临界坡度角。对于该设计而言，在其设计中稳定性是很重要的指标，故为了检验公式计算是否与真实情况相符，故做运动学仿真来检验其计算的正确性。图1.4和图1.5是运动学仿真的建模情况。其思想是让原先平行的平面绕中心轴逆时针旋转，轮胎约束避免滑动，检测其小车在该过程中平板的角位移情况和平面对要倾覆时离开该平面的一个轮胎的反作用力的情况。如果小车倾覆了，那么反作用力就会变为零，再利用两表的对照便可得出小车纵倾和横倾时的坡度角。在这个运动学仿真中，为了避免平板旋转太快导致结果不准确，便设定平板旋转速度为等速1RPM。图1.4纵向倾覆建模图1.5横向倾覆建模图1.6是设计方案一中小车纵向倾覆时的角位移图像和反作用力图像，可以看到前期图像在不断振动，这是因为在利用Solidworks做运动仿真时没有办法让小车轮胎完全贴合平板表面，所以小车会先落在平板上做微小的振动，但这对最终分析结果的影响不大。在红线位置，大约是1.8s左右，反作用图线数值变为零且不再发生波动，利用两表对照，从角位移图像上可以看到其数值大致为31.0度，与计算出的31.1度吻合的很好。图1.6方案一纵倾坐标图图1.7是设计方案一中小车横向倾覆时的角位移图像和反作用力图像。在红线位置，大约是1.4s左右，反作用图线数值变为零且不再发生波动，利用两表对照，从角位移图像上可以看到其数值大致为32.4度，与计算出的34.6度吻合的不是很好。其原因可能是因为小车在即将达到临界倾覆角不断振动，发生提前倾覆。但是，数据还是比较符合。图1.7方案一横倾坐标图图1.8是设计方案二中小车纵向倾覆时的角位移图像和反作用力图像。在红线位置，大约是4.3s左右，反作用图线数值变为零且不再发生波动，利用两表对照，从角位移图像上可以看到其