摘 要：本文利用CAXA繪圖軟件和ADAMS機(jī)械系統(tǒng)仿真分析軟件對一六桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行動力學(xué)分析。與傳統(tǒng)的圖解法及解析法相比，兩種計(jì)算機(jī)輔助法均具有較高的計(jì)算速度和精度。通過比較兩種軟件的分析結(jié)果，指出了兩種計(jì)算機(jī)輔助法在進(jìn)行機(jī)構(gòu)動力學(xué)分析時(shí)各自的利弊。但ADAMS軟件更顯示了其高效，高精度的強(qiáng)大優(yōu)勢，尤其對于復(fù)雜機(jī)構(gòu)的分析。 關(guān)鍵詞：動力學(xué)分析;計(jì)算機(jī)輔助法;CAXA;ADAMS 前言： 　　在機(jī)械設(shè)計(jì)中，機(jī)構(gòu)的動力學(xué)分析對機(jī)械的設(shè)計(jì)有著重要作用，分析是設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。通常的分析方法有圖解法和解析法，其理論基礎(chǔ)是理論力學(xué)中運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)的相關(guān)理論。 　　圖解法的特點(diǎn)是形象直觀，易于理解，一直作為分析和解決問題的一種重要方法，得到廣泛應(yīng)用。但在以前用手工圖解法進(jìn)行機(jī)構(gòu)的分析時(shí)，其二階累積誤差非常大，這部分的誤差與作圖工具、圖形的尺度、圖形的繪制順序以及設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)有關(guān)，存在著精度不高，效率低等問題，而且對機(jī)構(gòu)的一系列位置進(jìn)行分析時(shí)需要反復(fù)作圖，相當(dāng)繁瑣，使圖解法的應(yīng)用受到較大的限制。而解析法的特點(diǎn)是把機(jī)構(gòu)中的已知參數(shù)和運(yùn)動變量與未知的運(yùn)動變量之間用數(shù)學(xué)式表達(dá)出來，建立機(jī)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型，然后求解，因此解析式一旦列出，則機(jī)構(gòu)在各個(gè)位置的運(yùn)動變量的計(jì)算就很便捷了，而且可以獲得較高的計(jì)算精度，其缺點(diǎn)是不像圖解法那樣形象直觀，問題的數(shù)學(xué)模型較難建立，公式推導(dǎo)過程繁瑣，模型的方程組有時(shí)較難求解等問題。 　　對于這兩種基本的方法，本文應(yīng)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行輔助分析，用CAXA繪圖軟件和ADAMS機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)仿真分析軟件很好地解決了兩種方法各自的缺陷，下面以某六桿機(jī)構(gòu)為例對其進(jìn)行動力學(xué)分析。 1 計(jì)算機(jī)輔助圖解法 　　計(jì)算機(jī)輔助圖解法充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)高速精確的計(jì)算能力和強(qiáng)大的圖形顯示能力，利用通用的二維或三維CAD圖形軟件，完成幾何圖形的繪制和少量的分析計(jì)算，即可得到精確程度較高的分析結(jié)果。 　　以圖1所示的六桿機(jī)構(gòu)為例，說明用CAXA繪圖軟件進(jìn)行運(yùn)動學(xué)分析及動力學(xué)分析的作法和主要步驟。其中構(gòu)件1即曲柄OA以n=200轉(zhuǎn)/分的轉(zhuǎn)速逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，在滑塊底部作用有500N的載荷P，P的方向始終與滑塊的運(yùn)動方向相反，機(jī)構(gòu)基本的結(jié)構(gòu)參數(shù)及性能參數(shù)如表1、表2所示。 　　1） 確定滑塊的速度與加速度; 　　2） 確定曲柄的驅(qū)動力矩。 [align=center] 圖1 機(jī)構(gòu)示意圖[/align] 　　作法和主要步驟如下： 　?。?）分析機(jī)構(gòu)的組成、運(yùn)動情況，繪制機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖。設(shè)定合適的長度比例尺，確定各運(yùn)動副的相對位置, 取六個(gè)位置進(jìn)行分析，分別繪制六個(gè)位置的機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖。 　?。?）首先對六個(gè)位置進(jìn)行運(yùn)動學(xué)分析。根據(jù)運(yùn)動合成原理，建立速度矢量方程，設(shè)定合適的速度比例尺，做出速度多邊形，求解從動件角速度及構(gòu)件上點(diǎn)的速度;再建立加速度矢量方程，設(shè)定合適的加速度比例尺，做出加速度多邊形，求解從動件角加速度及構(gòu)件上點(diǎn)的加速度。 　　（3） 再對六個(gè)位置進(jìn)行動力學(xué)分析。根據(jù)達(dá)朗伯原理，將慣性力視為一般外力加于產(chǎn)生慣性力的構(gòu)件上就可將機(jī)構(gòu)視為平衡狀態(tài)，再采用靜力學(xué)的方法進(jìn)行受力分析。在計(jì)算慣性力及慣性力偶矩時(shí)，要用到運(yùn)動分析的結(jié)果，即各構(gòu)件的質(zhì)心加速度及角加速度，再根據(jù)慣性力系的簡化方法，合成為一個(gè)慣性主矢，其作用點(diǎn)不通過質(zhì)心。作力多邊形時(shí)，利用速度多邊形杠桿法，將速度多邊形整個(gè)轉(zhuǎn)過 （順時(shí)針或逆時(shí)針 ），再根據(jù)速度影像法原理，把機(jī)構(gòu)所有外力及慣性力加在速度多邊形圖的對應(yīng)位置上，設(shè)定合適的力比例尺，將經(jīng)過轉(zhuǎn)向的速度多邊形當(dāng)作一剛性杠桿，以極點(diǎn)為支點(diǎn)，按杠桿的平衡條件，各力對速度極點(diǎn)取矩，求出作用在曲柄上的平衡力及力矩。 　　在用CAXA軟件作圖時(shí)，要充分利用圖形的復(fù)制、平移、旋轉(zhuǎn)、縮放、尺寸測量及精確取點(diǎn)等功能，以達(dá)到高效、準(zhǔn)確作圖的目的，確保求解精度。 　　最后通過測量和計(jì)算，得出滑塊的速度、加速度及作用在曲柄上的平衡力矩，把這些數(shù)據(jù)記錄在EXCEL中，注意保存成.csv格式，再調(diào)到ADAMS軟件中生成曲線圖，和ADAMS軟件的仿真分析結(jié)果進(jìn)行比較。 2 計(jì)算機(jī)輔助解析法 　　對于上面的六桿機(jī)構(gòu)以下用ADAMS 機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)仿真分析軟件進(jìn)行分析。ADAMS是采用世界上廣泛流行的多剛體系統(tǒng)動力學(xué)理論中的拉格朗日方程方法,建立系統(tǒng)的動力學(xué)方程。它以剛體的質(zhì)心笛卡爾坐標(biāo)和反映剛體位移的歐拉角或廣義歐拉角作為廣義坐標(biāo)，用帶乘子的拉格朗日方程處理具有多余坐標(biāo)的完整約束系統(tǒng)或非完整約束系統(tǒng)，導(dǎo)出以笛卡爾廣義坐標(biāo)為變量的運(yùn)動學(xué)方程。ADAMS的計(jì)算程序應(yīng)用了Gear的剛性積分算法以及稀疏矩陣算法，大大提高了計(jì)算效率[3]。 　　ADAMS軟件的核心是多體系統(tǒng)運(yùn)動學(xué)及動力學(xué)建模理論及其技術(shù)實(shí)現(xiàn)。通過幾何建模把機(jī)構(gòu)具體化為具有質(zhì)量和轉(zhuǎn)動慣量的物理特性的實(shí)體模型，然后施加載荷和約束確定物體之間的連接情況及物體之間是如何相對運(yùn)動，再通過模擬仿真，仿真整個(gè)運(yùn)動過程，檢查運(yùn)動是否干涉，機(jī)構(gòu)是否具有確定運(yùn)動。仿真后，通過測量，得出各構(gòu)件的速度、加速度及作用力，再通過調(diào)用后處理模塊ADAMS/PostProcessor，分析測量結(jié)果。圖2是用ADAMS軟件進(jìn)行仿真分析的結(jié)果，分別是六桿機(jī)構(gòu)的幾何模型，滑塊的速度、加速度曲線及作用在曲柄上的驅(qū)動力矩曲線。 　　在建模過程中，特別注意各構(gòu)件連接處運(yùn)動副的位置是否重合，要通過檢查坐標(biāo)值來判斷，否則運(yùn)動出現(xiàn)干涉或運(yùn)行結(jié)果出現(xiàn)誤差。在滑塊上施加作用力時(shí)，因?yàn)槭巧a(chǎn)阻力，力的方向始終和滑塊運(yùn)動方向相反，所以要通過函數(shù)表達(dá)式SIGN（ 500 , -vy（slider.cm, MARKER_32, slider.cm） ） 來定義，其中slider.cm 是力作用的構(gòu)件，MARKER_32為力作用點(diǎn)的標(biāo)記點(diǎn)。圖3是作用在滑塊上的生產(chǎn)阻力隨時(shí)間變化的曲線圖。 　　通過分析整個(gè)過程，ADAMS軟件的關(guān)鍵是要正確的進(jìn)行幾何建模，施加載荷和約束，一旦模型建立，各個(gè)構(gòu)件的運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)數(shù)據(jù)即可很方便的通過測量獲得，而無需再經(jīng)過復(fù)雜的數(shù)學(xué)建模和計(jì)算。 3 結(jié)果分析比較 　　在ADAMS/PostProcessor界面，調(diào)入圖解法分析的數(shù)據(jù)，在仿真分析結(jié)果對應(yīng)的曲線上生成相應(yīng)的圖解法速度、加速度及作用在曲柄上的驅(qū)動力矩隨曲柄轉(zhuǎn)角變化的曲線圖，如圖4、圖5。其中實(shí)線是仿真結(jié)果曲線，虛線是圖解法結(jié)果曲線，兩種曲線重疊在一張圖中可以清楚地進(jìn)行分析比較。 　　從圖4，5中可以看出，用兩種方法進(jìn)行速度和加速度分析時(shí)結(jié)果很接近，說明圖解法用CAXA繪圖軟件也可以達(dá)到解析法的精度，但在動力學(xué)分析時(shí)，兩種方法結(jié)果差距很大，分析主要原因有： [align=center] 圖5 作用于曲柄上的驅(qū)動力矩對比圖[/align] 　　1）用圖解法進(jìn)行受力分析時(shí)，用到運(yùn)動分析的結(jié)果，在繪圖及計(jì)算過程中因?yàn)槎啻握`差累計(jì)，所以差距變大。 　　2）用圖解法分析時(shí)，為了簡化作圖，常常對一些構(gòu)件的質(zhì)量和轉(zhuǎn)動慣量忽略不計(jì)，本例中忽略了構(gòu)件1、構(gòu)件4的質(zhì)量，而用ADAMS軟件分析時(shí)，每個(gè)構(gòu)件必須有質(zhì)量和轉(zhuǎn)動慣量，否則會彈出錯(cuò)誤信息，這是引起兩種結(jié)果差距的一個(gè)重要原因。 　　3）圖解法只能針對有限的幾個(gè)位置作圖分析，本例共用了六個(gè)點(diǎn)，這樣得出的曲線勢必誤差很大，而用ADAMS軟件，在曲柄轉(zhuǎn)一周中，本例共用了五百個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)得出曲線圖，所以兩種方法的曲線有差距。顯而易見，用ADAMS軟件的分析結(jié)果要精確的多。 4 結(jié)論 　　在對機(jī)構(gòu)進(jìn)行速度和加速度分析時(shí)，兩種方法的結(jié)果很接近，精度均較高，而在進(jìn)行力分析時(shí)，兩種方法的結(jié)果相差很大。分析主要原因，ADAMS軟件考慮的因素更全面，所以精度相對要高。但用ADAMS仿真軟件，對建模、施加約束、運(yùn)動和載荷要求較高，數(shù)學(xué)建模和計(jì)算過程不太清楚，如果處理不當(dāng)，出現(xiàn)問題不易發(fā)現(xiàn)。兩種方法，各有優(yōu)勢，圖解法易于理解，所以可以利用這種方法定性的針對ADAMS的運(yùn)行結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)，而用ADAMS軟件計(jì)算效率和精度更高，而且可以進(jìn)行參數(shù)化建模及對柔性體進(jìn)行動力學(xué)分析等許多圖解法無法實(shí)現(xiàn)的功能。 　　本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：對于機(jī)構(gòu)動力學(xué)計(jì)算機(jī)輔助分析的兩種方法進(jìn)行了對比，指出了兩種方法各自的優(yōu)缺點(diǎn)。隨著現(xiàn)代機(jī)械的發(fā)展，對機(jī)器的轉(zhuǎn)速和精度提出了更高的要求，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)也變得更加復(fù)雜， 用ADAMS 軟件進(jìn)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動分析和動力學(xué)分析顯示出強(qiáng)大的優(yōu)勢，但計(jì)算機(jī)輔助圖解法對于簡單平面機(jī)構(gòu)的運(yùn)動分析，仍不失為一種有用的方法。 參考文獻(xiàn) 　　[1] 哈爾濱工業(yè)大學(xué)理論力學(xué)教研組編.理論力學(xué).北京:高等教育出版社,2001 　　[2] 王國強(qiáng), 張進(jìn)平, 馬若丁編. 虛擬樣機(jī)技術(shù)及其在ADAMS上的實(shí)踐[M ]. 西安: 西北工業(yè)大學(xué)出版社,2002 　　[3] 李軍，刑俊文，覃文潔編.ADAMS實(shí)例教程[M].北京：理工大學(xué)出版社， 2002 　　[4] 朱友民，江裕金編.機(jī)械原理.重慶：重慶大學(xué)出版社，1986 　　[5] 杜玉明，崔向群. 虛擬樣機(jī)技術(shù)及在機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].邢臺職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2003，10（5）：33-36. 　　[6] 丁壽濱，常宗瑜.ADAMS與常用CAD軟件之間的接口[J].微計(jì)算機(jī)信息，2005，10X：202-204。 　　作者簡介：孫紅霞（1970-），女（漢族），陜西渭南人，中國農(nóng)業(yè)大學(xué)博士在讀，寧夏大學(xué)副教授，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械CAD。