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      震蕩器的接觸碰撞運(yùn)動(dòng)仿真

      2017-06-03 23:01:55朱維金

      朱維金

      摘 要:以接觸力學(xué)為基礎(chǔ),使用Solid Works Motion仿真軟件,建立8字軌跡震蕩器接觸分析模型。8字軌跡為李薩如曲線的一種特例。分析模型的推銷與滑槽之間的配合一共有兩處,分別采用運(yùn)動(dòng)分析模塊中的曲線接觸模擬,材質(zhì)為鋼材且?guī)櫥?。通過穩(wěn)定收斂周期觀察運(yùn)動(dòng)軌跡的完整性,并獲得推銷與滑面的接觸力幅值與時(shí)間曲線,從而為后續(xù)的壽命設(shè)計(jì)提供可靠依據(jù)。

      關(guān)鍵詞:震蕩器 接觸碰撞 周期運(yùn)動(dòng) 李薩如

      中圖分類號:TP39 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1674-098X(2017)03(a)-0023-02

      該文中的震蕩器是單個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng),通過機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)承載平臺的8字軌跡運(yùn)動(dòng)。承載平臺上裝備且固定托盤和托架,托盤和托架夾持帶密封蓋的器皿。器皿內(nèi)裝有為醫(yī)療或者生物實(shí)驗(yàn)的溶液。該文通過Solid Works建立8字軌跡震蕩器機(jī)構(gòu)三維模型,采用COSMOS Motion對其進(jìn)行仿真模擬,重點(diǎn)模擬接觸碰撞,接觸碰撞的仿真模型為適用于連續(xù)接觸的沖擊模型。為使問題簡化,該文對機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化。

      1 軌跡仿真

      如圖1所示,為8字軌跡震蕩器機(jī)構(gòu)簡圖。下面一層為機(jī)構(gòu)基座。傳動(dòng)比為1∶2的大齒輪上固接推銷,推銷推動(dòng)中層滑板平動(dòng);同時(shí)小齒輪上的推銷推動(dòng)上層滑板平動(dòng),上層滑板相對于中層滑板做垂直運(yùn)動(dòng)。上層滑板相對于機(jī)構(gòu)基座為如圖2中所示的8字軌跡運(yùn)動(dòng)。在仿真模型中基座采用固定約束,運(yùn)動(dòng)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)小齒輪做勻速轉(zhuǎn)動(dòng),小齒輪與大齒輪的傳動(dòng)比設(shè)置為1∶2,且在軟件中設(shè)置為齒輪配合。小齒輪上固接的推銷與上層滑板為曲線接觸碰撞,大齒輪上固接的推銷與中層滑板也為曲線接觸碰撞。中層滑板與基座為平移副,中層滑板與上層滑板也為平移副,且兩個(gè)平移副垂直布置。通過運(yùn)動(dòng)仿真觀察得到如圖2中所示的8字軌跡運(yùn)動(dòng),且連續(xù)觀察,上層滑板的某點(diǎn)兩個(gè)穩(wěn)定周期8字軌跡運(yùn)動(dòng)。

      主要設(shè)計(jì)技巧是用雙周期觀察,首先用軟件的功能模塊捕捉機(jī)構(gòu)構(gòu)件平動(dòng)的某點(diǎn),生成一個(gè)封閉的軌跡之后,讓某點(diǎn)沿已經(jīng)生成的軌跡繼續(xù)在運(yùn)動(dòng)一個(gè)周期內(nèi)運(yùn)行,驗(yàn)證所獲得的運(yùn)動(dòng)為一個(gè)完整的周期,這樣才能保證獲得的數(shù)據(jù)具有周期性和收斂性。

      2 沖擊模型

      持續(xù)撞擊情況下,在含有碰撞接觸的仿真中應(yīng)該使用沖擊模型。建立類似于含有接觸和分離兩狀態(tài)的含間隙運(yùn)動(dòng)副動(dòng)力學(xué)模型,該文在齒輪上的推銷,由于機(jī)械結(jié)構(gòu)限制,合理設(shè)計(jì)為懸臂結(jié)構(gòu)。推銷與滑槽的接觸運(yùn)行大部分是接觸碰撞貼合狀態(tài),但是在轉(zhuǎn)變方向的拐點(diǎn)上,是含有一定的分離狀態(tài)。由于摩擦和磨損,滑槽在實(shí)際使用中不可能絕對貼合,且還能保持順暢運(yùn)動(dòng)。懸臂推銷具有一定柔性,且所產(chǎn)生類似于正弦激勵(lì)的作用力,不可避免將會(huì)對機(jī)械結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的振幅跳躍。這種激勵(lì)所產(chǎn)生的瞬態(tài)響應(yīng),系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生各種頻率的顫振。此類可以用數(shù)值分析的方法進(jìn)行分析,也可采用動(dòng)力學(xué)軟件進(jìn)行模擬。該文的碰撞接觸,沖擊模型(沖擊屬性)采用Solid Works Simulation中的沖擊屬性允許使用下面的表達(dá)式來計(jì)算接觸力

      式中:k為接觸剛度;e為彈力指數(shù);c為阻尼系數(shù),為阻尼系數(shù)的最大值。

      3 接觸力分析

      該文機(jī)構(gòu)實(shí)質(zhì)是物理學(xué)上的李薩如圖形在機(jī)構(gòu)學(xué)的應(yīng)用。原理為一個(gè)剛體上的任意一點(diǎn)同時(shí)在兩個(gè)垂直方向軸上做簡諧運(yùn)動(dòng),形成的軌跡圖形就是李薩如圖形。李薩如圖形實(shí)際上是剛體上一點(diǎn),同時(shí)在垂直的兩個(gè)方向軸上做簡諧運(yùn)動(dòng)形成的。如果這兩個(gè)相互垂直振動(dòng)的激發(fā)頻率為隨機(jī)值,那么它們的合成運(yùn)動(dòng)就會(huì)比較復(fù)雜,而且軌跡基本上是不穩(wěn)定的。然而,如果兩個(gè)振動(dòng)的激發(fā)頻率成簡單的整數(shù)比,這樣就能合成一個(gè)穩(wěn)定、封閉、平面的曲線圖形,這就是李薩如圖形。兩個(gè)振動(dòng)的頻率成簡單的整數(shù)比,即為該文機(jī)構(gòu)中齒輪機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比。所以該文接觸力圖形,類似于正弦或者余弦曲線。如圖3所示,小齒輪推銷與上層滑板的接觸力幅值與時(shí)間曲線,圖形為類似正弦曲線,且含有穩(wěn)定的收斂周期,且與其運(yùn)動(dòng)規(guī)律相符。如圖4所示,大齒輪推銷與中層滑板的接觸力幅值與時(shí)間曲線,圖形為類似于余弦曲線,且含有穩(wěn)定的收斂周期。因含有上層滑板的慣性影響,所顯示出峰值比較陡峭,波谷比較平緩的趨勢與其運(yùn)動(dòng)規(guī)律相符。

      4 結(jié)語

      采用SolidWorks及插件COSMOS Motion實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)三維實(shí)體造型、運(yùn)動(dòng)仿真無縫連接。建立模型,模擬機(jī)構(gòu)的工作過程。通過運(yùn)動(dòng)位置軌跡跟蹤,顯示運(yùn)行軌跡。觀察運(yùn)行狀況,確定運(yùn)動(dòng)特性的正確性,通過模擬機(jī)構(gòu)的曲線接觸碰撞,可得到機(jī)構(gòu)中接觸碰撞部位的接觸力幅值與運(yùn)動(dòng)時(shí)間的全周期曲線。此工作后續(xù)還可以結(jié)合材料學(xué)、接觸力學(xué)與潤滑油膜的分析,估算壽命及維護(hù)保養(yǎng)周期。

      參考文獻(xiàn)

      [1] 吳少培,李國芳,丁旺才.含間隙運(yùn)動(dòng)副模型的機(jī)械動(dòng)力學(xué)分析[J].蘭州交通大學(xué)學(xué)報(bào),2016,35(4):111-116.

      [2] 陳超祥,胡其登.SolidWorks Motion運(yùn)動(dòng)仿真教程[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2014.

      [3] 李樹軍.機(jī)械原理[M].沈陽:東北大學(xué)出版社,2000.

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