基于CATIA和ADAMS的变胞机构两构态动力学仿真及分析

王 铁，王天舒

（沈阳理工大学汽车与交通学院，辽宁 沈阳 110159）

0 引言

随着变胞机构的不断发展，对变胞机构的研究已经成为了机构学领域的研究热点。同时对变胞机构的动力学分析也越来越重要[1]。

本文根据扩展Assur杆组的变胞机构组成原理[2]，组成2自由度2环路变胞机构，由三维建模软件CATIA建立该机构的三维模型，导入ADAMS中，对其中两个构态进行动力学仿真，对比分析仿真结果，为对该机构的进一步的优化做好准备。

1 组成变胞机构

本文应用扩展Assur杆组的变胞机构组成法。组成由主动件、RRP杆组和扩展II级Assur杆组RPRP（图1a-1c）构成的2自由度2环路变胞源机构如图1 所示[2]。

图12 自由度2环路变胞源机构

在机构中的扩展Assur杆组上选不同构件进行合合并固结变胞。本文所述的2自由度2环路变胞源机构的固结变胞构型如图2所示。其中构态一与构态二固结点相同，但固结构件不同。构态一为构件4与机架固结，主要运动形式为构件2的摆动；构态二为构件3与构件4固结，主要运动方式为构件2的摆动、构件6的平移和构件8的摆动；构态三为构件4与构件5固结，构主要运动形式为件2的摆动、构件6的平移和构件8的摆动；构态四为固件7在固结点固结，主要运动为构件2的摆动和构件6的平移。

图2 变胞机构的固结构型（各构态）简图

2 基于CATIA三维建模软件建立变胞机构的三维模型

对于一般的简单机构模型来说，可以直接利用ADAMS软件的建模模块进行简单的模型建立，但对于构件较多和构件较复杂的模型来说，应该应用三维建模软件（例如CATIA、PRO/E、UG等）进行模型的建立。本文应用CATIA软件，建立变胞机构的三维模型。首先根据变胞源机构的二维图如图1所示，应用零件设计工作台建立变胞源机构各个零件的三维模型并保存。然后进入装配设计工作台，依次插入现有部件（即之前保存过的零件），设置各零件之间的约束并保存，利用PRO/E打开并保存为ADAMS软件所需要的Parasolid格式，完成三维模型的建立如图3所示[3]。

图3 变胞机构的三维模型

3 将三维模型导入ADAMS软件并处理

将Parasolid格式的三维模型文件导入到ADAMS中。进入界面后，首先设置重力为负的Y方向，用Modify命令定义各个构件的质量，按材料选择，adams软件会自动生成所选的材料的密度，弹性模量。本文选择材料均为钢。然后在ADAMS中定义各个构件间的运动副[4]。在ADAMS中有3类运动副，分别是基本副、高副和低副。根据2自由度2环路变胞机构的基本运动情况添加运动副，各部件添加的运动副如表1所示。Adams中有柔性连接力、接触力、特殊力和作用力共四种类型的力供选择，而且可以用函数来描述一个力的大小。在对构件添加作用力时，要确定力产生作用的点、大小和方向。本文在主动件构件1下方的转动中心joint1处添加大小为30 rad/s且逆时针旋转的角速度。完成该机构在ADAMS中的三维模型导入与处理工作。如图4所示。

表1 各部件添加的运动副

图4 ADAMS中添加运动副和驱动力后的结构模型

4 利用ADAMS进行动力学仿真

该变胞机构在c固结变胞构态与d固结变胞构态时三种运动方式都存在但运动的位移、速度、加速度的大小均有不同，所以本文选择对以上两种构态进行仿真，结合仿真结果进行对比分析。仿真时间设为40 s，步长为500.对c固结变胞进行仿真时，在两构件连接点处添加固定副，然后进行仿真。同理对d固结变胞进行仿真时，在两构件连接点处添加固定副，然后进行仿真[5]。

将同一构件在不同构态下的仿真输出曲线放在同一坐标下，仿真后的输出响应曲线如下图：图5为构件2在c和d固结变胞构态时的角速度、角加速度和动能随时间变化曲线，图6为构件6在c和d固结变胞构态时的x方向的位移变化、速度和加速度曲线，图7为构件8在c和d固结变胞构态时的角速度、角加速度和动能随时间变化曲线。

图5 构件2在c固结变胞构态与d固结变胞构态时的角速度、角加速度和动能随时间变化曲线

图6 构件6在c固结变胞构态与d固结变胞构态时的x方向的位移变化、速度和加速度曲线

图7 构件8在c固结变胞构态与d固结变胞构态时的角速度、角加速度和动能随时间变化曲线

通过分析仿真结果，得知：构件2在c和d固结变胞构态时的角速度、角加速度和动能曲线完全重合，所以构件2的摆动在两种构态下没有变化；构件6在c固结变胞构态时的平移范围和平移速度大于d固结变胞构态时，但动能变化曲线没有在d固结变胞构态时平滑，运动稳定性不如d固结变胞构态；构件8在c固结变胞构态时的摆动速度、摆动加速度和动能均大于c固结变胞构态时，但两个构态下的摆动角加速度均不稳定。

5 结论

该变胞机构在c固结变胞构态时相对于d固结变胞构态有更大的位移、速度、加速度和动能，但d固结变胞构态比c固结变胞构态相对来说更加稳定。

通过CATIA建立变胞机构的三维模型，导入ADAMS进行变胞机构的动力学仿真可以更有效的对比分析变胞机构不同构态的运动情况，提高工作效率，从而为进一步的优化奠定基础。