搜索LMS Virtual.Lab在含沖擊多體動(dòng)力學(xué)研究中的應(yīng)用
2013-06-06 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來(lái)源:仿真在線
本文在LMS Visual.Lab Motion平臺(tái)上建立了含沖擊試驗(yàn)臺(tái)的虛擬樣機(jī),在前期虛擬樣機(jī)仿真分析的指導(dǎo)下,確定了試驗(yàn)臺(tái)的工作原理和傳感器的選擇。通過(guò)試驗(yàn)臺(tái)物理樣機(jī)細(xì)化和修改虛擬樣機(jī),對(duì)比實(shí)測(cè)結(jié)果和虛擬樣機(jī)仿真結(jié)果,修正虛擬樣機(jī)的一些參數(shù),使它們的動(dòng)態(tài)性能趨近一致。修正后的虛擬樣機(jī)能夠在一定程度上代替物理樣機(jī),減少試驗(yàn)的次數(shù),降低成本。
張偉 來(lái)源:LMS
關(guān)鍵字:LMS 虛擬樣機(jī) 物理樣機(jī) 參數(shù)修正 散布度
1. 前言
虛擬樣機(jī)技術(shù)是在計(jì)算機(jī)硬件和軟件技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種機(jī)械產(chǎn)品研發(fā)技術(shù),極大地提高了機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)和分析水平。研發(fā)工程師在計(jì)算機(jī)里建立機(jī)械系統(tǒng)的虛擬模型,分析和評(píng)估其動(dòng)態(tài)性能,為機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)及改進(jìn)提供指導(dǎo)。這種技術(shù)能夠降低設(shè)計(jì)和生產(chǎn)成本,提高設(shè)計(jì)效率,縮短研發(fā)周期。目前這個(gè)技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于航空航天業(yè)、國(guó)防工業(yè)、工程機(jī)械、車輛工程、機(jī)械制造業(yè)等領(lǐng)域。
考慮到復(fù)雜系統(tǒng)多體虛擬樣機(jī)仿真的可行性,在建立虛擬樣機(jī)時(shí)必須作一些適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化,例如忽略溫度、裝配間隙以及對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能影響較小的一些零件等等。另外虛擬樣機(jī)中材料的密度、結(jié)構(gòu)剛度、粘性阻尼系數(shù)、摩擦阻尼系數(shù)等都不一定與物理樣機(jī)系統(tǒng)一致。由于虛擬樣機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)和邊界條件的差異可能會(huì)導(dǎo)致仿真結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果不一致,甚至差別很大。因此必須根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)虛擬樣機(jī)進(jìn)行修正,使它的仿真結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果盡可能的一致,提高虛擬樣機(jī)的真實(shí)度。
本文中設(shè)計(jì)了一個(gè)含沖擊的多體動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)臺(tái),并結(jié)合多體動(dòng)力學(xué)軟件Virtual Lab建立它的虛擬樣機(jī)模型。通過(guò)對(duì)試驗(yàn)平臺(tái)的虛擬樣機(jī)仿真結(jié)果和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比,判斷仿真模型的準(zhǔn)確性。假定實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)是真值,修正仿真模型的一些參數(shù),例如阻尼、摩擦系數(shù)、剛度和碰撞系數(shù)等相關(guān)參數(shù),使仿真和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相吻合。
2. 試驗(yàn)臺(tái)工作原理
在前期簡(jiǎn)單的試驗(yàn)臺(tái)虛擬樣機(jī)仿真分析的指導(dǎo)下,確定了試驗(yàn)臺(tái)的工作原理和傳感器、彈簧、氣缸的選擇,初步預(yù)測(cè)了試驗(yàn)臺(tái)的動(dòng)態(tài)響應(yīng),例如傳感器在實(shí)際的測(cè)試過(guò)程中并沒(méi)有超過(guò)其量程,彈簧的剛度和氣缸的大小都比較合適,使試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)幾乎一次成功,同時(shí)也驗(yàn)證里虛擬樣機(jī)技術(shù)在機(jī)械產(chǎn)品前期設(shè)計(jì)中的重要性。
試驗(yàn)臺(tái)的工作原理如圖1.1,試驗(yàn)臺(tái)的主體部分安裝在支撐立板上,并且可以轉(zhuǎn)動(dòng),其后端采用一個(gè)緩沖器支撐。主氣缸和主緩沖器連接,可以在導(dǎo)軌上滑動(dòng),活塞在高壓氣體的作用下前后運(yùn)動(dòng),撞擊撞擊座和連接筒,使主氣缸前后運(yùn)動(dòng)和安裝板轉(zhuǎn)動(dòng)。干擾氣缸在高壓氣體的作用下產(chǎn)生水平方向上的力,靠支撐立板的變形使安裝板擺動(dòng)。激光器安裝在氣缸外壁上,激光束模擬炮彈的彈道射在一個(gè)有感光二極管的激光靶上。由于安裝板可以轉(zhuǎn)動(dòng)和擺動(dòng),激光斑在激光靶在兩個(gè)方向上都具有一定的散布度。
3. 試驗(yàn)臺(tái)虛擬樣機(jī)的建立
為了保證虛擬樣機(jī)的真實(shí)度,虛擬樣機(jī)的所有零件模型均按實(shí)際零件1:1建模,包括測(cè)試系統(tǒng)所需的安裝件,因?yàn)樗鼈兊馁|(zhì)量會(huì)影響到整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。
虛擬樣機(jī)中對(duì)氣缸的模擬非常重要,氣缸是實(shí)驗(yàn)臺(tái)的驅(qū)動(dòng)部件,對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)非常大。本文中,首先建立氣缸(包括活塞)的零件虛擬模型,保證它們的質(zhì)量和實(shí)際的氣缸相同,活塞和氣缸之間添加一個(gè)移動(dòng)副,在氣缸兩端和活塞之間添加兩個(gè)受后臺(tái)子程序控制的彈簧力,這兩個(gè)力模擬氣體對(duì)活塞的作用力,不考慮氣體阻尼及磨擦的影響。由于實(shí)際的氣體作用力很難測(cè)得,不能給虛擬樣機(jī)直接提供邊界條件,只能首先給定一個(gè)參考值,這個(gè)值是由氣體壓力乘以活塞面積初步確定,也是可以修改的參數(shù)。其實(shí)作用在活塞上的氣體力不是固定值,是時(shí)間的函數(shù),而在虛擬樣機(jī)中用一個(gè)定值來(lái)模擬。
對(duì)兩個(gè)緩沖器的模擬也都是采用后臺(tái)子程序控制的彈簧力模擬,在子程序里可以定義它的剛度、阻尼、預(yù)壓力等。另外,在氣缸兩端和活塞之間添加兩個(gè)碰撞副,主氣缸活塞和撞擊座之間添加一個(gè)碰撞副。
通過(guò)零件模型的導(dǎo)入、邊界條件和運(yùn)動(dòng)副的添加,形成了一個(gè)完整的試驗(yàn)臺(tái)多剛體虛擬樣機(jī)(如圖3.1)。
由于沒(méi)有考慮支撐立板的柔性,多剛體虛擬樣機(jī)仿真只能得到激光斑在垂直方向的散布度,水平方向上的散布度為0,不能真實(shí)反映試驗(yàn)臺(tái)的動(dòng)態(tài)性能。在多剛體虛擬樣機(jī)的基礎(chǔ)上,考慮支撐立板的柔性,包括傳力點(diǎn)的設(shè)置、有限元網(wǎng)格劃分、計(jì)算模態(tài)和替換剛體等,形成剛?cè)峄旌咸摂M樣機(jī),如圖3.2。
4. 試驗(yàn)臺(tái)虛擬樣機(jī)的修正
初始仿真模型的動(dòng)態(tài)特性不一定會(huì)和實(shí)際的試驗(yàn)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性一樣,總有或多或少的偏差,這是由于雖然幾何模型一樣,但是仿真和試驗(yàn)的邊界條件不一樣,例如裝配的間隙,緩沖器的剛度和阻尼,氣體作用力,碰撞系數(shù),材料參數(shù)均存在著誤差,這些參數(shù)有些是測(cè)試很困難,有些是無(wú)法得到的。為了使仿真的結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果趨近一致,就要根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)這些不是很確定的參數(shù)進(jìn)行修正。
3.1 虛擬樣機(jī)參數(shù)修改前后與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比
圖3.1是主位移(主氣缸在導(dǎo)軌上的位移)在虛擬樣機(jī)修正前后和實(shí)測(cè)結(jié)果的對(duì)比,圖3.2是激光斑效果在虛擬樣機(jī)修正前后和實(shí)測(cè)結(jié)果的對(duì)比。
從圖 3.1 可以看出,與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比,修正后的虛擬樣機(jī)仿真結(jié)果比修正前的結(jié)果有很大的提高。修正后的主位移和實(shí)測(cè)位移擬合程度較好,幅值基本一致,相關(guān)系數(shù)由 0.5321 提高到 0.9073,相關(guān)系數(shù)表示兩個(gè)結(jié)果在時(shí)間歷程上的近似程度。圖 3.2 中,修正的效果更為明顯,利用散布度量化修正的效果更為合適,如下表 3.1。
從表3.1可以看出,在水平方向上修正前的誤差為30.93%,修正后為3.64%;在垂直方向上修正前的誤差是274.3 %,修正后為7.53 %。從散布度和修正結(jié)果的息義上看,修正后的誤差控制在10%以內(nèi),實(shí)現(xiàn)了修正的基木目的。
3.2虛擬樣機(jī)參數(shù)修正
初始的虛擬樣機(jī)與試驗(yàn)臺(tái)的差距較大,必須參照試驗(yàn)臺(tái)的測(cè)試結(jié)果對(duì)虛擬樣機(jī)進(jìn)行修正,而修正的對(duì)象就是虛擬樣機(jī)中一些無(wú)法確定或很難獲得的參數(shù)。有些參數(shù)是比較容易獲得的,例如卞緩沖器和支撐緩沖器的剛度,就是通過(guò)實(shí)測(cè)直接添加到虛擬樣機(jī)里的,得到一個(gè)虛實(shí)混合的虛擬樣機(jī)。但是修正那些參數(shù)和如何修正是一個(gè)值得研究的問(wèn)題,木課題在對(duì)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)模型修正等研究的基礎(chǔ)上,結(jié)合試驗(yàn)臺(tái)的特點(diǎn),對(duì)一些關(guān)鍵參數(shù)作了一些修正。修正的參數(shù)和修正前后的對(duì)比見(jiàn)表3.2
表3.2中的參數(shù)都不同程度上影響到虛擬樣機(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng),碰撞系數(shù)卞要影響到碰撞過(guò)程中能量的損失和碰撞力的大小,對(duì)十卞氣缸還影響到其行程。卞氣缸和擾動(dòng)氣缸氣體模擬力的初始定值200N是由實(shí)際的氣體壓力和活塞截ICI積乘積,其實(shí)這個(gè)力比較復(fù)雜,修正后這個(gè)力分別為100N和120N。
修正前兩個(gè)緩沖器均沒(méi)有考慮預(yù)壓力,其實(shí)在裝配時(shí)一就存在一定的預(yù)壓力,修正后分別為79.2N和44N, 它們主要影響到系統(tǒng)的固有頗率,關(guān)鍵是這個(gè)頗率要和激勵(lì)頗率匹配,伸系統(tǒng)響應(yīng)認(rèn)到一個(gè)態(tài)平衡,不能發(fā)散。卞行程的阻尼系數(shù)由初始的0.01修正為350,變化很大,因?yàn)椤驯逡绊懙奖鍤飧椎男谐毯拖到y(tǒng)的固有頻率。
激光斑水平方向上的散布度卞要靠支撐立板的變形產(chǎn)生,立板的材料為剛,其彈性模量的初始值為2.1E+O11Pa,經(jīng)過(guò)修正后’已的值幾乎減小了一信,失去了’已的物理息義,原因在十虛擬樣機(jī)沒(méi)有考慮到支撐立板和安裝底板的間隙,而是利用立板柔性的增加來(lái)補(bǔ)償間隙對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)的影響。立板的剛度降低了,反而激光斑的散布度降低了,這是由十干擾氣缸氣體模擬力同時(shí)一也降低了。另外,立板的結(jié)構(gòu)阻尼系數(shù)由0修正到0.8,也在一定程度上降低了激光斑的散布度。
5.總結(jié)
在虛擬樣機(jī)仿真分析的指導(dǎo)下,設(shè)不l一的試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試結(jié)果基木符合設(shè)不l一要求,根據(jù)實(shí)際的試驗(yàn)臺(tái)細(xì)化虛擬樣機(jī)得到多剛體虛擬樣機(jī),將試驗(yàn)臺(tái)的薄弱構(gòu)件支撐立板柔性化,建立試驗(yàn)臺(tái)的剛?cè)峄旌咸摂M樣機(jī)。在實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,確定需要修改的虛擬樣機(jī)參數(shù),采用攝動(dòng)法進(jìn)行參數(shù)修正,得到一組較優(yōu)的參數(shù)組合,使虛擬樣機(jī)的仿真結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果有較好的一致性,提高了虛擬樣機(jī)的真實(shí)度,達(dá)到了修正的基木目的,使虛擬樣機(jī)的應(yīng)用在一定程度上可以減少物理實(shí)驗(yàn)的次數(shù)。
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