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ug运动仿真
第一十四章数字样机的机构设计与运动仿真实例
第一节UGNX运动仿真基础知识
1.进入UGNX运动仿真模块
启动UGNX8.0中文版软件系统,打开或创建1个装配部件(装配主模型),接着选择“起点”→“所有应用模块”→“运动仿真”菜单命令,即进入UGNX8.0的运动仿真模块(见图14-1)。
注意,此时的运动仿真工具栏全部命令为浅灰色(即未激活,见图14-2上图)。
选择“工具”→“定制”菜单命令,在“定制”对话框的“工具条”选项卡中,选择“运动”和“运动分析”两个工具栏,并选择“文本在图标下面”,则全部命令(含次级命令)加亮(见图14-2下图)。
单击“关闭”按钮后,全部命令重新为浅灰色。
图14-1 进入运动仿真模块
图14-2“运动”和“运动分析”工具条
2.何谓运动仿真模块
运动仿真模块属于计算机辅助工程分析的1个应用软件,用于建立机构运动学和动力学仿真模型,分析机构运动规律和动力特性。
UGNX运动仿真模块会自动仿真主模型的装配文件,并建立一系列不同的运动仿真,每个运动仿真都可以独立修改,而不影响装配主模型,一旦完成机构优化设计方案,即可直接更新装配主模型,以反映机构优化设计的结果。
3.创建新的运动仿真
在运动导航器中选择装配主模型(如“QBYGJG”)后,右击→单击“新建仿真”按钮→弹出“环境”对话框→默认“分析类型”为“动力学”→默认“仿真名”为“motion_1”→单击“确定”按钮→弹出“机构运动副向导”对话框→单击“确定”按钮(见图14-3和图14-4)。
此时,“运动”工具栏上的大部分命令加亮。
如果运动副不合格,则会出现如图14-5所示的提示框。
单击“是”按钮,则会出现如图14-6所示的画面。
图14-3 新建运动仿真1“motion_1”
图14-4 成功创建运动仿真实例
图14-5“主模型到仿真的配对条件/约束转换”提示框
图14-6 未成功创建运动仿真的实例
4.运动仿真模块支持的运动分析类型(解算方案)
UGNX可以执行的运动分析类型,即解算方案如下。
(1)运动学仿真
机构运动学是研究机构运动的一门科学,其研究对象是连杆(构件)的位移、速度和加速度,及其与时间的关系,而不考虑运动发生的原因。
因此,在机构运动学仿真分析中只考虑运动驱动,其他的因素(如作用力、摩擦力、重力,以及零件的材料、质量)都不用考虑。
机构运动学仿真就是在不考虑力等因素影响的情况下,分析机构运动的变化规律,包括线性位移或角度位移、线性速度或角度速度、线性加速度或角度加速度随着时间变化的规律曲线,以及机构是否发生干涉和自锁,跟踪构件(UGNX称为连杆)的运动轨迹等。
通过运动学仿真,修改和运动有关的机构参数,实现机构运动参数的优化。
(2)动力学仿真
机构动力学远比机构运动学复杂,它不仅涵盖了运动学分析的内容,而且还要考虑机构发生运动的真正原因,如作用力、摩擦力、重力,以及零件的材料、质量和惯性等。
机构动力学仿真就是在考虑力等因素影响的情况下,不仅分析机构运动的变化规律,包括线性位移或角度位移、线性速度或角度速度、线性加速度或角度加速度随着时间变化的规律曲线,以及机构是否发生干涉和自锁,跟踪构件(UGNX称为连杆)的运动轨迹等,而且还可以分析运动副中的作用力(矩)、反作用力(矩)。
通过动力学仿真不仅可以解决运动学方面的问题,而且可以解决机构动力特性方面的问题(如修改材料选择,零件的具体结构)。
(3)静态平衡
在有限元分析中,静态表示的是结构模型被约束而不能进行刚体运动(存在静态平衡),同时也表示假设载荷是“缓慢施加”的,不会造成动力效应。
静态平衡分析类型即进行静力学分析,就是将模型移动到平衡位置,并输出运动副上的反作用力。
选择该分析类型后,时间和步数的输入项将变为灰色而不可选。
当选择运动学/动力学分析类型进行求解,并指定包含作为起点的静态平衡分析时,求解器RecurDyn(Adams不支持此解算方案)首先以静态平衡分析方式运行仿真。
静态平衡分析可以确定影响机构的所有内力和外力达到平衡的位置。
将所有速度和加速度均设置为零。
然后,求解器从机构的平衡位置开始运行动态分析。
(4)控制/动力学(协同仿真)
用户要在“环境”对话框中选择“协同仿真”复选框,“解算方案”对话框中的“控制/动力学”分析类型才会被激活,即可以从MATLAB®Simulink®中直接启动协同仿真。
然后,可以在运动仿真或MATLABSimulink中查看动画结果。
协同仿真支持MATLABSimulink版本R2007a、R2007b、R2008a和R2008b。
(5)柔体动力学
典型的运动仿真对象是使用刚体的机构,其中的刚体根据约束以规定的自由度进行移动。
这些刚体运动仿真无法表示某些动力学特性,尤其是那些由于某些条件(如尖锐影响、运动中的突然变化,或元件非常柔软而导致影响机构的运动)而引起的特性。
对于这些情况,UGNX可以使用柔性体分析来组合弹性变形与刚体运动。
此类分析需要选择带RecurDyn求解器的NX运动仿真和带NXNastran求解器的NX高级仿真。
5.“运动仿真”工具栏
如图14-2所示的“运动仿真”工具栏,只是运动仿真工具的一部分。
在下拉菜单中选择“工具”/“定制”菜单命令→在弹出的“定制”对话框的“命令”选项卡中选择“运动”命令,即可看到用于运动仿真的全部命令(见图14-7)。
用户可以根据需要将某个命令拖动到运动工具条中。
此外,如图14-8~图14-12所示的工具栏也是用于运动仿真的。
图14-7 运动仿真全部命令
图14-8“连杆及运动副”工具栏
图14-9“连接器和载荷”工具栏
图14-10“模型准备”工具栏
图14-11“运动控制”工具栏
图14-12“动画控制”工具栏
下面对运动主工具栏中的命令(工具)进行简要说明。
(1)环境:
用于设置解算方案类型,如运动学、动力学或控制。
(2)连杆:
用于定义机构中为刚性体的构件。
UGNX的连杆和机械原理教材中所说的连杆是有区别的。
UGNX的连杆实质上就是作为运动单元的构件,应该看成是个刚体。
用户定义连杆时,必须选择装配主模型中所有一起运动的模型几何体(零件)。
在某些情况下,需要将装配主模型中所有不运动的几何体(零件)也定义为1个连杆(机架)。
这样,连杆(构件)就可分为运动的和固定的两种类型其中固定的连杆称为机架。
注意,同1个对象不能属于两个连杆(构件);在创建固定连杆时,要先选择连杆对话框中的“固定连杆”复选框。
(3)运动副:
由于定义机构中连杆(构件)间的受约束运动,有些地方又翻译为连接(Joint),这一说法和机械原理教材讲的完全一致。
实际上它就是既添加了约束,又仍然保持一定自由度的可动连接。
(4)齿轮副:
用于定义两个运动副间的相对旋转运动。
单击齿轮右边的黑色三角形,可以展开其级联菜单(见前面图14-2)。
用户还可以定义齿轮齿条副、线缆副和2-3传动副:
齿轮齿条副用于定义滑动副和旋转副之间的相对运动;线缆副用于定义两个滑动副间的相对运动;2-3传动副用于定义两个或三个旋转副、滑动副和柱面副之间的相对运动。
(5)弹簧:
用于创建1个柔性单元,以在两个连杆(活动构件)之间,1个连杆(活动构件)和框架(机架)之间,在1个移动副或旋转副上施加作用力或力矩。
单击弹簧右边的黑色三角形,可以展开其级联菜单,还可以定义阻尼器、衬套、3D接触和2D接触。
阻尼器用于在两个连杆(活动构件)之间或1个连杆(活动构件)和框架(机架)之间,在1个移动副或旋转副上施加反作用力或力矩。
衬套创建1个常规或圆柱形弹性衬套,以在两连杆(构件)之间定义1个柔性关系。
3D接触用于在1个体和1个静止对象之间,或在两个移动体之间,或为针对1个体支撑另外1个体定义接触。
2D接触用于在两个共面的曲线之间创建接触,以使附着到这些曲线上的连杆(构件)产生与材料有关的影响。
(6)点在曲线上:
用于约束连杆(构件)上的1个点,以保持与曲线的接触。
单击点在曲线上右边的黑色三角形,可以展开其级联菜单,还可以定义“线在线上副”和“点在曲面上”:
线在线上副用于约束连杆(构件)上的1条,以保持与另外1条曲线的接触;点在曲面上用于约束连杆(构件)上的1个点,以保持与曲面的接触。
(7)标量力:
用于在两个连杆(构件)之间或1个连杆(活动构件)与1个框架(机架)之间创建1个标量力。
单击标量力右边的黑色三角形,可以展开其级联菜单(见图14-13),还可以定义“标量扭矩”和“矢量力”、“矢量扭矩”:
标量扭矩用于围绕旋转副的轴创建1个标量扭矩;矢量力用于以既定的Z轴或以绝对CSYS的轴为中心,在两个连杆(构件)之间或1个连杆(活动构件)与1个框架(机架)之间创建1个力;矢量扭矩用于在两个连杆(构件)之间或1个连杆(活动构件)与1个框架(机架)之间创建1个扭矩,作用于定义的Z轴或绝对坐标系的轴。
(8)智能点:
用于创建1个与选定几何体关联的点(但是不在使用相同几何体的连杆中自动包含它)。
单击智能点右边的黑色三角形,可以展开其级联菜单(见图14-13),还可以定义“标记”和“传感器”:
标记用于在需要分析结果的连杆(构件)上创建1个标记;传感器用于创建传感器对象,以监控运动对象相对于仿真对象的位置。
(9)驾驶员:
在机构的运动副中创建1个独立的驱动。
图14-13 部分级联菜单
(10)干涉:
用于检查机构是否与选定的几何体在运动的每一步存在碰撞。
单击干涉右边的黑色三角形,可以展开其级联菜单(见图14-13),还可以定义“测量”和“追踪”:
测量用于计算运动中每一步两组几何体之间的最小距离或最小夹角;追踪用于在运动的每一步创建选定几何对象的副本。
(11)解算方案:
用于创建新解算方案。
其中定义了分析类型、解算方案类型以及特定于解算方案的载荷和运动驱动。
(12)求解:
用于解算运动解算方案并生成结果集。
(13)动画:
用于根据机构在指定时间内的仿真步数,执行基于时间的运动仿真。
单击动画右边的黑色三角形,可以展开其级联菜单,还可以定义“作图”、“填充电子表格”、“创建序列”和“载荷传递”:
作图用于为选定的运动副和标记,创建指定可观察的图表;填充电子表格用于将仿真中每一步的位移数据填充到1个电子表格文件;创建序列用于为所有被定义为机构连杆(构件)的组件定义运动副装配序列;载荷传递用于计算反作用载荷以进行结构分析。
其余与运动仿真相关工具栏中的命令(工具)在后面用到时再作说明。
6.UGNX运动仿真阶段
UGNX软件将机构看成是一组连接在一起运动的连杆(构件)的集合。
在有了装配主模型以后,用UGNX软件进行机构运动仿真需要经历前处理、求解和后处理3个阶段。
(1)创建运动仿真模型是整个分析过程的前处理阶段,有如下3个步骤。
1)创建连杆,即在运动机构中创建代表运动构件的连杆。
2)创建运动副,即创建约束连杆运动的运动副。
在某些情况下,可以同时创建其他的运动约束特征,如弹簧、阻尼、弹性衬套和接触单元等。
3)定义运动驱动。
运动驱动使机构产生运动。
每个运动副可以包含6种可能的运动驱动中的一种。
完成这样3个步骤,实际上就是为运动仿真创建了1个机构模型,由此得到的信息会生成内部的求解器输入数据文件,再传送到解算器。
(2)求解
在求解阶段,解算器处理输入数据(确定递交的运动仿真的求解方案),并生成内部的输出数据文件,再传送到运动仿真模块中。
UGNX运动仿真模块提供了RecurDyn解算器和Adams解算器。
这两种解算器都是嵌入于UGNX运动仿真模块中的。
用户可以选择其中一种解算器进行运动仿真求解。
用户设置默认求解器的方法是:
1)选择“文件”/“实用工具”/“用户默认设置”菜单命令→弹出“用户默认设置”对话框,如图14-14所示。
图14-14 用户默认设置
2)在“用户默认设置”对话框中选择“PreProcessor(预处理器)”菜单命令→展开如图14-15所示的“SolverandEnvironment(求解器和环境)”选项卡→进行“SolverandEnvironment(求解器和环境)”设置。
3)在“用户默认设置”对话框中选择“Analysis(分析)”菜单命令→出现如图14-16所示的画面→对RecurDyn或Adams的参数进行设置。
图14-15 设置求解器和环境
图14-16 设置RecurDyn或Adams的参数
4)设置完后,单击“用户默认设置”对话框下部的“确定”按钮。
5)退出UGNX系统后,重新启动UGNX系统,“用户默认设置”方可生效,如图14-17所示。
图14-17“用户默认设置”提示框
(3)后处理
在后处理阶段,运动仿真模块解释解算器输出数据文件,并转换成动画、图表或报表文件,其用户默认设置如图14-18所示。
图14-18 后处理的默认设置
7.运动驱动
运动驱动是赋给旋转副、滑动副和柱面副等运动副上控制运动的运动副参数。
因此,运动驱动总是与运动副相关。
用户既可以定义一个默认的运动驱动,也可以创建一个仅与指定求解方案中的运动副相关的独立驱动。
对任何运动副,在一个求解方案中只能包含一个独立驱动。
但是,允许对某一特定运动设置多个不同特性的运动驱动,并将其中一个设为正常驱动,再将其他几个驱动作为替代驱动加到不同的求解方案中,然后分别求解比较结果。
例如,对于1个铰链四杆机构,在“运动“工具栏上选择“驾驶员”命令,出现如图14-19a所示的“驱动”对话框,在运动导航器中选择1个旋转副(如J001)后,再单击“无”右边的黑色三角形,可见共有4种运动驱动可供选择。
又例如,对于1个铰链四杆机构,在“运动“工具栏上选择“运动副”命令,在出现的“运动副”对话框中展开“驱动”选项卡,再单击“无”右边的黑色三角形,可见共有5种运动驱动可供选择(见图14-19b)。
再比如,当用户在“环境”对话框中选择了“动力学”和“电动机驱动”复选项时,便会在“驱动”对话框中添加“电动机驱动”类型,如图14-19c所示。
因此,UGNX8的运动驱动共有如下6种类型。
(1)无
“无”驱动即没有外加的运动赋在运动副上。
在1个机构中除了连接原动件(如曲柄)的运动副应该施加后面介绍的某种运动驱动外,其余的运动副都应该选择“无”驱动。
(2)常数(以前版本翻译为“恒定”)
“常数”运动驱动设运动副为恒定运动(旋转或平移)。
这类运动驱动要设置需要的初始位移或初始速度或初始加速度。
一般设定初始速度为大于零的某个常数,如图14-20所示。
(3)简谐
“简谐”运动驱动生成一个光滑的向前或向后的正弦运动。
这类运动驱动需要设置的运动参数为振幅、频率、相位角和位移,如图14-21所示。
(4)功能(以前版本翻译为“函数”或“运动函数”)
“功能”运动驱动是用位移或速度或加速度的某种函数关系式驱动的,可以用于定义由开环或闭环系统控制的动力学求解方案(见图14-22),这是一种复杂运动驱动。
图14-19 旋转驱动类型
a)“驱动”对话框中的驱动类型 b)“运动副”对话框中的驱动类型 c)添加“电动机”驱动类型
图14-20 常数运动驱动
图14-21 简谐运动驱动
(5)铰链运动驱动(以前版本翻译为“关节运动驱动”)
铰链运动驱动要在“运动副”对话框中设置。
铰链运动驱动就是设某一个运动副以特定的步长和特定的步数运动,所需要的输入参数为步长和步数。
(6)电动机驱动(以前版本翻译为“马达驱动”)
如前所述,只有当用户在“环境”对话框中选择了“动力学”和“电动机驱动”复选框时,才会在“驱动”对话框中添加“电动机驱动”类型(注意,在“运动副”对话框中并不添加),如图14-23所示。
电动机驱动需要分配一个电动机和信号图驱动运动副。
图14-22 功能(函数)运动驱动
图14-23 电动机驱动
a)添加“电动机”驱动类型 b)新建电动机和信号图
8.运动副类型及其说明
UGNX运动仿真模块将运动副类型分为常规运动副、基本运动副,以及约束与连接副三大类型。
其中常规运动副有旋转副、滑动副、万向节、恒速副、固定副、球面副、柱面副、平面副和螺旋副等;基本运动副有在点上、在线上、在面上、方位、平行和正交等;约束与连接副有点在线上约束、线在线上约束、点在面上约束、线缆副、齿轮副和齿轮/齿条副等。
常规运动副的说明如表14-1所示,基本运动副的说明如表14-2所示,约束与连接副的说明如表14-3所示。
表14-1 常规运动副的说明
表14-2 基本运动副的说明
表14-3 约束与连接副的说明
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