搜索LMS Virtual.Lab在含沖擊多體動力學研究中的應用
2013-06-06 by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM 來源:仿真在線
本文在LMS Visual.Lab Motion平臺上建立了含沖擊試驗臺的虛擬樣機,在前期虛擬樣機仿真分析的指導下,確定了試驗臺的工作原理和傳感器的選擇。通過試驗臺物理樣機細化和修改虛擬樣機,對比實測結果和虛擬樣機仿真結果,修正虛擬樣機的一些參數,使它們的動態性能趨近一致。修正后的虛擬樣機能夠在一定程度上代替物理樣機,減少試驗的次數,降低成本。
張偉 來源:LMS
關鍵字:LMS 虛擬樣機 物理樣機 參數修正 散布度
1. 前言
虛擬樣機技術是在計算機硬件和軟件技術基礎上發展起來的一種機械產品研發技術,極大地提高了機械系統設計和分析水平。研發工程師在計算機里建立機械系統的虛擬模型,分析和評估其動態性能,為機械產品的設計及改進提供指導。這種技術能夠降低設計和生產成本,提高設計效率,縮短研發周期。目前這個技術已經被廣泛應用于航空航天業、國防工業、工程機械、車輛工程、機械制造業等領域。
考慮到復雜系統多體虛擬樣機仿真的可行性,在建立虛擬樣機時必須作一些適當的簡化,例如忽略溫度、裝配間隙以及對系統動態性能影響較小的一些零件等等。另外虛擬樣機中材料的密度、結構剛度、粘性阻尼系數、摩擦阻尼系數等都不一定與物理樣機系統一致。由于虛擬樣機結構參數和邊界條件的差異可能會導致仿真結果和實測結果不一致,甚至差別很大。因此必須根據實測結果對虛擬樣機進行修正,使它的仿真結果和實測結果盡可能的一致,提高虛擬樣機的真實度。
本文中設計了一個含沖擊的多體動力學試驗臺,并結合多體動力學軟件Virtual Lab建立它的虛擬樣機模型。通過對試驗平臺的虛擬樣機仿真結果和實測數據的對比,判斷仿真模型的準確性。假定實測數據是真值,修正仿真模型的一些參數,例如阻尼、摩擦系數、剛度和碰撞系數等相關參數,使仿真和實測數據相吻合。
2. 試驗臺工作原理
在前期簡單的試驗臺虛擬樣機仿真分析的指導下,確定了試驗臺的工作原理和傳感器、彈簧、氣缸的選擇,初步預測了試驗臺的動態響應,例如傳感器在實際的測試過程中并沒有超過其量程,彈簧的剛度和氣缸的大小都比較合適,使試驗臺的設計幾乎一次成功,同時也驗證里虛擬樣機技術在機械產品前期設計中的重要性。
試驗臺的工作原理如圖1.1,試驗臺的主體部分安裝在支撐立板上,并且可以轉動,其后端采用一個緩沖器支撐。主氣缸和主緩沖器連接,可以在導軌上滑動,活塞在高壓氣體的作用下前后運動,撞擊撞擊座和連接筒,使主氣缸前后運動和安裝板轉動。干擾氣缸在高壓氣體的作用下產生水平方向上的力,靠支撐立板的變形使安裝板擺動。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有感光二極管的激光靶上。由于安裝板可以轉動和擺動,激光斑在激光靶在兩個方向上都具有一定的散布度。
3. 試驗臺虛擬樣機的建立
為了保證虛擬樣機的真實度,虛擬樣機的所有零件模型均按實際零件1:1建模,包括測試系統所需的安裝件,因為它們的質量會影響到整個系統的動態響應。
虛擬樣機中對氣缸的模擬非常重要,氣缸是實驗臺的驅動部件,對系統響應非常大。本文中,首先建立氣缸(包括活塞)的零件虛擬模型,保證它們的質量和實際的氣缸相同,活塞和氣缸之間添加一個移動副,在氣缸兩端和活塞之間添加兩個受后臺子程序控制的彈簧力,這兩個力模擬氣體對活塞的作用力,不考慮氣體阻尼及磨擦的影響。由于實際的氣體作用力很難測得,不能給虛擬樣機直接提供邊界條件,只能首先給定一個參考值,這個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。其實作用在活塞上的氣體力不是固定值,是時間的函數,而在虛擬樣機中用一個定值來模擬。
對兩個緩沖器的模擬也都是采用后臺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、預壓力等。另外,在氣缸兩端和活塞之間添加兩個碰撞副,主氣缸活塞和撞擊座之間添加一個碰撞副。
通過零件模型的導入、邊界條件和運動副的添加,形成了一個完整的試驗臺多剛體虛擬樣機(如圖3.1)。
由于沒有考慮支撐立板的柔性,多剛體虛擬樣機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,不能真實反映試驗臺的動態性能。在多剛體虛擬樣機的基礎上,考慮支撐立板的柔性,包括傳力點的設置、有限元網格劃分、計算模態和替換剛體等,形成剛柔混合虛擬樣機,如圖3.2。
4. 試驗臺虛擬樣機的修正
初始仿真模型的動態特性不一定會和實際的試驗系統的動態特性一樣,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,材料參數均存在著誤差,這些參數有些是測試很困難,有些是無法得到的。為了使仿真的結果與試驗結果趨近一致,就要根據試驗結果對這些不是很確定的參數進行修正。
3.1 虛擬樣機參數修改前后與實測結果對比
圖3.1是主位移(主氣缸在導軌上的位移)在虛擬樣機修正前后和實測結果的對比,圖3.2是激光斑效果在虛擬樣機修正前后和實測結果的對比。
從圖 3.1 可以看出,與實測結果對比,修正后的虛擬樣機仿真結果比修正前的結果有很大的提高。修正后的主位移和實測位移擬合程度較好,幅值基本一致,相關系數由 0.5321 提高到 0.9073,相關系數表示兩個結果在時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 %。從散布度和修正結果的息義上看,修正后的誤差控制在10%以內,實現了修正的基木目的。
3.2虛擬樣機參數修正
初始的虛擬樣機與試驗臺的差距較大,必須參照試驗臺的測試結果對虛擬樣機進行修正,而修正的對象就是虛擬樣機中一些無法確定或很難獲得的參數。有些參數是比較容易獲得的,例如卞緩沖器和支撐緩沖器的剛度,就是通過實測直接添加到虛擬樣機里的,得到一個虛實混合的虛擬樣機。但是修正那些參數和如何修正是一個值得研究的問題,木課題在對曲柄滑塊機構模型修正等研究的基礎上,結合試驗臺的特點,對一些關鍵參數作了一些修正。修正的參數和修正前后的對比見表3.2
表3.2中的參數都不同程度上影響到虛擬樣機的動態響應,碰撞系數卞要影響到碰撞過程中能量的損失和碰撞力的大小,對十卞氣缸還影響到其行程。卞氣缸和擾動氣缸氣體模擬力的初始定值200N是由實際的氣體壓力和活塞截ICI積乘積,其實這個力比較復雜,修正后這個力分別為100N和120N。
修正前兩個緩沖器均沒有考慮預壓力,其實在裝配時一就存在一定的預壓力,修正后分別為79.2N和44N, 它們主要影響到系統的固有頗率,關鍵是這個頗率要和激勵頗率匹配,伸系統響應認到一個態平衡,不能發散。卞行程的阻尼系數由初始的0.01修正為350,變化很大,因為’已卞要影響到卞氣缸的行程和系統的固有頻率。
激光斑水平方向上的散布度卞要靠支撐立板的變形產生,立板的材料為剛,其彈性模量的初始值為2.1E+O11Pa,經過修正后’已的值幾乎減小了一信,失去了’已的物理息義,原因在十虛擬樣機沒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補償間隙對系統響應的影響。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一也降低了。另外,立板的結構阻尼系數由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
在虛擬樣機仿真分析的指導下,設不l一的試驗臺測試結果基木符合設不l一要求,根據實際的試驗臺細化虛擬樣機得到多剛體虛擬樣機,將試驗臺的薄弱構件支撐立板柔性化,建立試驗臺的剛柔混合虛擬樣機。在實測數據的基礎上,確定需要修改的虛擬樣機參數,采用攝動法進行參數修正,得到一組較優的參數組合,使虛擬樣機的仿真結果和實測結果有較好的一致性,提高了虛擬樣機的真實度,達到了修正的基木目的,使虛擬樣機的應用在一定程度上可以減少物理實驗的次數。
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