一種翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的仿真及優(yōu)化設(shè)計(jì)

李奉順 陸榮鑑 張建紅

摘 要：通常在航空航天平臺(tái)中，平臺(tái)的整體結(jié)構(gòu)與各種部件的連接通過翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，其中最重要的是外艙板的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。本文將外艙板翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)力作為設(shè)計(jì)與研究對(duì)象，在該研究對(duì)象的基礎(chǔ)上加載不同的負(fù)載，通過仿真分析和理論分析，得出了驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)安裝位置和驅(qū)動(dòng)力的最佳解決方案。為得到最優(yōu)解，通過Adams的優(yōu)化分析功能，將驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的安裝位置作為一個(gè)獨(dú)立變量，并將翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)所需驅(qū)動(dòng)力的最小值作為目標(biāo)函數(shù)，在此基礎(chǔ)上，對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化仿真分析。

關(guān)鍵詞：翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu);優(yōu)化設(shè)計(jì);仿真設(shè)計(jì);Adams

0 引言

翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)是一種典型的機(jī)械結(jié)構(gòu)，廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、工程機(jī)械等場(chǎng)合。[1]然而，傳統(tǒng)的翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的研究和設(shè)計(jì)一般注重翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)在各種場(chǎng)合的實(shí)際應(yīng)用及其機(jī)械結(jié)構(gòu)。本文將重點(diǎn)研究翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)輸出驅(qū)動(dòng)力的最優(yōu)解?；诜D(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的實(shí)際應(yīng)用，對(duì)翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)系統(tǒng)中的各種數(shù)值及對(duì)應(yīng)方向進(jìn)行了理論分析，并與軟件模擬的理論分析結(jié)果進(jìn)行了比較。研究過程中出現(xiàn)了許多變量，在這種情況下，本文所使用的方法是分析實(shí)際系統(tǒng)并取出所需要的變量，建立數(shù)學(xué)模型并求解相應(yīng)的二元函數(shù)。在分析結(jié)果的基礎(chǔ)上，以翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)力作為因變量，研究了不同相關(guān)變量對(duì)驅(qū)動(dòng)力的影響，得到了二元函數(shù)的最優(yōu)解，并在實(shí)際應(yīng)用中得到了驅(qū)動(dòng)力的最優(yōu)配置，為翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的研究和設(shè)計(jì)提供了新的思路。

所用軟件為Adams軟件，即機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)自動(dòng)分析軟件，是一款專門應(yīng)用于機(jī)械產(chǎn)品虛擬樣機(jī)開發(fā)方面的分析軟件，主要功能是分析虛擬機(jī)械系統(tǒng)的靜態(tài)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)。[2]

1 本課題研究的問題

1.1 研究問題

優(yōu)化設(shè)計(jì)某型翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，以外艙板翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)模型為例。為表述清楚，可將翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)用運(yùn)動(dòng)簡圖表示，對(duì)外艙板翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析。

1.2 問題分析

在本次研究中，設(shè)計(jì)變量是翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的安裝位置，目標(biāo)函數(shù)是外門轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)所需的最小驅(qū)動(dòng)力。針對(duì)實(shí)際翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)力及其在空間機(jī)械系統(tǒng)中的運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)問題，通過Adams仿真研究了設(shè)計(jì)方案的準(zhǔn)確性和可行性。通過仿真得到翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)力變換情況，并在此基礎(chǔ)上得出設(shè)計(jì)變量與設(shè)計(jì)目標(biāo)的數(shù)學(xué)關(guān)系，優(yōu)化設(shè)計(jì)，找出最優(yōu)解。[3]

2 翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型建立

2.1 模型建立的基本要求

在建立模型之前首先要把模型參數(shù)化，即把實(shí)際問題抽象轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)問題。本題根據(jù)以上分析，可由翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)簡圖和題目要求把翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)抽象為一個(gè)保持架，一對(duì)滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)桿，三個(gè)固定鉸鏈A、B、C，一個(gè)滑動(dòng)副T。設(shè)計(jì)變量分別為DV_LAB，DV_Xc，DV_Yc。

2.2 翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)參數(shù)化建模

首先設(shè)置模型名稱、重力、單位及工作路徑;創(chuàng)建設(shè)計(jì)變量，根據(jù)設(shè)計(jì)的初始值創(chuàng)建設(shè)計(jì)變量DV_LAB，DV_Xc，DV_Yc;創(chuàng)建保持架;創(chuàng)建B、C點(diǎn)分別位于ground和保持架上，并將其坐標(biāo)關(guān)聯(lián)到設(shè)計(jì)變量;創(chuàng)建構(gòu)件1和構(gòu)件2。

建立運(yùn)動(dòng)副，分別為轉(zhuǎn)動(dòng)副JOINT_A，JOINT_B，JOINT_C，移動(dòng)副JOINT_T，關(guān)聯(lián)移動(dòng)副方向?yàn)锽、C點(diǎn)指向。在質(zhì)心位置添加載荷4970N和運(yùn)動(dòng)速度100mm/s。

3 翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真分析

添加角度測(cè)量和仿真，同時(shí)添加傳感器，設(shè)置傳感器范圍為0°～90°，當(dāng)傳感器運(yùn)動(dòng)到90°時(shí)自動(dòng)停止。設(shè)置步數(shù)為100，終止時(shí)間10s，運(yùn)動(dòng)仿真。根據(jù)仿真報(bào)告，可見翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)正常，結(jié)構(gòu)無干涉，模型建立有效。

4 翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

4.1 設(shè)計(jì)變量研究

分析設(shè)計(jì)變量對(duì)設(shè)計(jì)目標(biāo)的影響，共有三個(gè)設(shè)計(jì)變量DV_LAB，DV_Xc，DV_Yc。它們?nèi)≈捣秶淖兓瘜?duì)運(yùn)動(dòng)作用力的影響有所不同，為了判斷每個(gè)變量對(duì)目標(biāo)的影響程度，進(jìn)而在機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)中依據(jù)影響度大小來選擇優(yōu)化設(shè)置。

首先分別判斷單個(gè)變量對(duì)設(shè)計(jì)目標(biāo)的影響。設(shè)計(jì)變量“DV_LAB”對(duì)設(shè)計(jì)目標(biāo)的影響程度最大，“DV_Xc”的影響程度次之，而“DV_Xc”對(duì)設(shè)計(jì)目標(biāo)值幾乎沒有影響。

然后再判斷三個(gè)變量對(duì)設(shè)計(jì)目標(biāo)的綜合影響程度。根據(jù)對(duì)設(shè)計(jì)目標(biāo)的綜合影響程度分析，可知隨著迭代次數(shù)增長，LAB距離變大，驅(qū)動(dòng)力是迅速變大然后逐漸減小的。驅(qū)動(dòng)力取最優(yōu)值時(shí)B點(diǎn)位置應(yīng)該在保持架中間偏后部位。

4.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)

（1）創(chuàng)建優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)。以外艙板翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)在翻轉(zhuǎn)過程中所需的最大驅(qū)動(dòng)力中的最小值為設(shè)計(jì)目標(biāo)，創(chuàng)建優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)為MOTION_1_MEA_Force的最大值。

（2）設(shè)置約束條件。在保持架上創(chuàng)建一個(gè)標(biāo)記點(diǎn)MAEKER_17，測(cè)量此點(diǎn)至B點(diǎn)的距離變化。約束條件設(shè)置好之后首先要評(píng)估約束條件，只要評(píng)估值大于等于0，則約束條件成立。

（3）優(yōu)化仿真分析。分別輸入研究目標(biāo)、設(shè)計(jì)變量以及約束條件，仿真運(yùn)算。仿真運(yùn)算結(jié)果如圖1所示。

綜合分析報(bào)告的數(shù)據(jù)以及圖表，可見設(shè)計(jì)目標(biāo)“MOTION_1_MEA_Force”的值由21261N逐漸減小，驅(qū)動(dòng)力最優(yōu)值為10667N，對(duì)應(yīng)的LAB最優(yōu)值為1800mm，驅(qū)動(dòng)力降低了49.83%，優(yōu)化效果顯著。

5 結(jié)語

本文以驅(qū)動(dòng)力的最優(yōu)解為研究重點(diǎn)，對(duì)翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)力設(shè)計(jì)進(jìn)行了深入的分析，通過Adams仿真運(yùn)算，得出翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)所需要的外部驅(qū)動(dòng)的各種相關(guān)參數(shù)，根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)要求，以翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的仿真設(shè)計(jì)為重點(diǎn)，并將仿真結(jié)果與實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行了比較，對(duì)翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，使設(shè)計(jì)的翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)更加合理、高效，為其他類似機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供了參考。

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作者簡介：李奉順（1996—），男，研究生在讀，主要從事機(jī)電一體化、工業(yè)控制系統(tǒng)方向的研究。

通信作者：陸榮鑑（1964—），男，研究生，講師，主要從事機(jī)電一體化、工業(yè)控制系統(tǒng)方向的研究。

聯(lián)系人：李奉順