机械毕业设计（论文）-基于ADAMS的宽窄行分插机构动力学分析【全套图纸UG三维】

摘 要 宽窄行插秧是由农艺专家提出的一种适合我国水稻种植要求的种植方式， 该种植方式的目标是增加通风，减少病虫害，增加水稻产量。目前国内插秧机 用分插机构都是等行距(30cm)形式，延吉插秧机制造有限公司和黑龙江农业机 械研究所研制了一种宽窄行插机，采用等行距插秧用的曲柄摇杆式分插机构， 只是在分插机构和秧箱的布置上做了一定的改进。实现了 20cm-40cm 的插秧行 距，但秧箱未能有效利用，尤其是采用 20cm 秧盘，与现有 30cm 秧盘不通用， 机器不成熟，限制了机器的推广。另外，浙江理工大学赵匀等提出了多种行星 轮系宽窄行分插机构，并进行了机构运动学的分析和参数优化。 全套图纸，三维，加全套图纸，三维，加 153893706153893706 宽窄行分插机构是宽窄行水稻插秧机的关键工作部件，其性能的优劣将直 接影响水稻插秧质量、插秧机工作可靠性、使用寿命和插秧效率，直接决定插 秧机的整体工作性能和品牌竞争力。因此，对宽窄行水稻插秧机分插机构进行 运动学、动力学、强度方面的分析、研究，具有重大的现实意义和经济效益， 对高速插秧机的发展，宽窄行分插机构的研制以及我国水稻种植机械化水平的 提高具有重要的理论意义，同时还给零件的刚柔耦合分析提供了一种实现方法。 本课题以水稻插秧机宽窄行分插机构为研究对象，首先分析了分插机构在 高速和低速运动下机座的受力变化情况，讨论了在多高的转速下需要考虑分插 机构的不平衡现象，并通过在机构上增加配重来优化高速下机座受力变化幅度； 其次将分插机构栽植臂壳体看作柔性体，对其在水稻插秧机分插机构工作过程 中受到的应力、应变、位移进行了分析、研究，主要内容如下： (1)实现 UG 与 ADAMS 的数据转换，实现虚拟样机的仿真； (2)分析不同转速下机座受力； (3)在 ADAMS 中进行动平衡研究； (4)实现 UG 与 ANSYS 的数据转换，在 ANSYS 中生成取苗臂壳体中性文件； (5)实现 ADAMS 与 ANSYS 的数据转换，在 ADAMS 中实现分插机构的刚柔耦 合模型并进行仿真分析； (6)仿真载荷文件的提取及在 ANSYS 环境下的取苗臂壳体强度分析； 关键词：宽窄行分插机构；动平衡；柔性体；ANSYS；ADAMS Abstract Wide-narrow distance planting is put forward by agricultural experts and is a cultivation mode suitable to Chinas rice planting requirements, the goal of this cropping system is to increase ventilation, reduce plant diseases and insect pests, increase the yield of rice. At present, domestic transplanter with mechanism are spaced (30cm), yanji transplanter manufacturing commpany and HeiLongJiang agricultural machinery have developed a wide-narrow distance transplating machine, adopting wide-narrow distance planting with the crank rocker mechanism, just do a certain improvement on the mechanism and the seedling boxs layout. Acheive the planting space of 20cm40cm, but the seedling box fails to use effectively, especially using 20cm seedling box,which is not general using with the existing 30cm seedling box. Because machine is not mature, so it limit the promotion of the machine. In addition, Zhao Yun of ZheJiang Sci_Tech University put forward a variety of transplanting mechanism with planetary gear train spacing, and the analysis of kinematics and parameter optimization. Wide-narrow distance transplating mechanism is the key part to the spacing of rice transplanter working parts, its quality performance will directly affect the quality of rice seedling transplanter, work reliability, service life and planting efficiency, the overall work performance and determine transplanters brand competitiveness. Therefore, the kinematics, dynamics, strength analysis and research for spacing rice transplanter mechanism has the significant practical significance and economic benefits, for the development of high-speed rice transplanter and that the development and the improvement of rice planting mechanization wide-narrow distance transplating mechanism in our country has important theoretical significance, it also provides an implementation method about the coupled analysis of part. This reaserch object is about the rice transplanter wide-narrow distance transplating mechanism, firstly analyzes the stress of mechanism on high-speed and low-speed movement changes, discusses in how high speed we need to consider the mechanism imbalance, and optimization the variations in force through to add weight to the mechanism; Second regard the planting arm shell as flexible body, analysis and reaserch the stress, strain and displacement of rice transplanter mechanism in the process of working, the main content list as follows: 1) Realize the UG and ADAMS data conversion, and the simulation of virtual prototype; 2）Analysis of the chassis force in different speed; 3) Reaserch dynamic balancing in ADAMS; 4) Realize the UG and ANSYS data conversion, and generate the .mnf file; 5) To achieve data conversion of ADAMS and ANSYS, and realization the coupled model of the mechanism and the simulation analysis in ADAMS; 6) Extraction the load file of Simulation and take planting arm shell strength analysis in ANSYS; Keywords: wide-narrow distance transplating mechanism；dynamic balance；flexible body；ANSYS；ADAMS 目 录 摘 要 Abstract 第一章 绪论.1 1.1 课题研究的背景和意义1 1.1.1 研究背景1 1.1.2 研究意义1 1.2 行星系分插机构的研究现状.2 1.2.1 传统行星系分插机构2 1.2.2宽窄行行星系分插机构.4 1.3 研究内容5 1.4 课题的研究思路6 1.4.1 联合仿真分析6 第二章 UG 三维建模及虚拟样机装配.8 2.1 虚拟样机技术8 2.2 栽植臂装配图8 2.3 UG 建立分插机构虚拟样机的三维模型9 2.4 ADAMS 仿真步骤.11 2.4.1 创建几何模型.11 2.4.2 创建约束和运动11 2.4.3 施加力.12 2.4.4 添加驱动12 2.4.5 仿真分析与结果后处理13 2.5 建立分插机构虚拟样机13 2.5.1 分插机构三维模型导入 ADAMS.13 2.5.2 定义分插机构构件属性14 2.5.3 添加运动副15 2.5.4 施加载何及驱动16 2.5.5 分插机构虚拟样机仿真17 2.6 本章小结.19 第三章 基于 ADAMS 的配重研究.20 3.1 不同转速下支座力的研究20 3.2 确定配重块位置21 3.2 添加配重块.21 3.3 参数化配重块半径21 3.4 设计研究.22 3.5 最优化求解.23 3.6 结果分析.23 3.7 本章小结.24 第四章 基于 ANSYS 和 ADAMS 的栽植臂壳体强度分析25 4.1 ADAMS 建立柔性体.25 4.1.1 离散柔性连接25 4.1.2 利用有限元程序建立柔性体.25 4.1.3 利用 ADAMS/AutoFlex 创建柔性体25 4.2 UG、ANSYS、ADAMS 之间的数据转换26 4.2.1 UG 与 ANSYS 之间的数据转换.26 4.2.2 UG 与 ADAMS 之间的数据转换.26 4.2.3 ANSYS 与 ADAMS 之间的数据转换.26 4.3 ANSYS 生成模态中性文件.27 4.3.1 设置单位制27 4.3.2 设定单元类型27 4.3.3 定义材料属性27 4.3.4 设置实常数27 4.3.5 定义单元截面28 4.3.6 划分网格28 4.3.7 建立蜘蛛网模型29 4.3.8 ANSYS 生成柔性体中性文件31 4.4 ADAMS 生成载荷文件.31 4.4.1 替换刚性栽植臂壳体31 4.4.2 定义外部载荷.32 4.4.3 刚柔耦合模型运动仿真分析.32 4.4.4 输出载荷文件33 4.5 栽植臂壳体强度分析37 4.6 本章小结.39 第五章 总结与展望.40 5.1 总结.40 5.2 展望.40 参考文献参考文献42 致谢致谢.44 第一章 绪论 1.1 课题研究的背景和意义 1.1.1 研究背景 宽窄行插秧是由农艺专家提出的一种适合我国水稻种植要求的种植方式， 该种植方式的目标是增加通风，减少病虫害，增加水稻产量。全中国水稻年产 量达 2000 亿公斤，占世界产量的一半以上，平均单产是世界水平的 1.6 倍。水 稻是我国主要粮食作物,在粮食安全中占有极其重要的地位。水稻常年种植面积 约 3000 万公顷，占全国谷物种植面积的 30，世界水稻种植面积的 20；稻 谷总产量近 20000 万吨，占全国粮食总产的 40，世界稻谷总产的 35；稻谷 平均单产 6.212 吨公顷，是单产最高的粮食作物。 但是我国水稻种植基本采 用人工育秧、插秧、收获的“三弯腰”方式, 劳动强度大, 工作效率较低。我 2 国虽在五六十年代就提出了水稻栽植机械化，但行动慢，步子小，进展不大。 据有关数据表明，水稻种植、收获两个环节实现机械化作业可分别减少劳 动用工量 40%和 76%，大幅度提高工效；机械栽插比人工手插平均节约成本 450 元/公顷左右，提高单产 375 公斤/公顷以上；机械收获较人工收获节省成 本 300 元/公顷。因此，提高水稻插秧机械化水平对我国只拥有 7%的世界耕地 却要养活 22%世界人口的国家来说，具有重大的意义。 2013年农业部落实农业机械化发展目标任务，农业部要求，要积极争取各 方支持，落实完善农机化发展扶持政策；加强农机与农艺、农机化与信息化融 合，促进技术创新推广；大力推进农机社会化服务，加快发展农业生产全程和 全面机械化。 水稻插秧机是比较复杂的田间水稻种植作业机械，分插机构是水稻插秧机 的核心工作部件，由取苗臂和秧针轨迹控制机构组成，在其他工作部件配合下 完成分秧和插秧的动作，其性能直接影响插秧质量、工作可靠性和插秧效率， 决定插秧机的整体水平和竞争力，因此对水稻插秧机分插机构运动运动学、动 力学、强度方面的分析、研究，具有重大的现实意义和经济效益1。 1.1.2 研究意义 由于机械向轻型化、高速化方向发展的趋势，导致构件的柔度、惯性力矩 急剧增大，在这种情况下，构件的弹性变形将会给机械的运动输出带来误差， 尤其是对于一些挠度比较大的构和一些会产生大变形的构建。对于一些高精密 机械，必须计入这种弹性变形对精度的影响，机械系统的柔度加大，系统固有 频率下降；机械运转速度提高，激振频率上升。激振频率和固有频率靠近，可 能会发生较强的振动现象，既破坏机械的运动精度，又影响构件的疲劳强度， 并引发噪声。现代机械系统朝着高速、重载、高精度方向发展的要求也使设计 者越来越重视构件的动应力和产品的寿命预估，使得系统刚性运动与其自身变 形之间相耦合而产生的弹性动力学问题已成为该领域急需解决的普遍问题和关 键技术。 宽窄行分插机构也是高速插秧机的部件，由于速度高，而且其取秧与插秧 运动是空间运动，所以不能不考虑机座的受力不平衡量，通过在壳体上增加配 重块，ADAMS可以对整个部件进行分析求解。在机械系统中，柔性体会对整个 系统的运动产生重要影响，在进行运动学分析时如果不考虑柔性体的影响将会 浙江理工大学本科毕业设计（论文） 3 造成很大的误差，同样整个系统的运动情况也反过来决定了每个构件的受力状 况和运动状态，从而决定了构件内部的应力应变分布。采用ANSYS和ADAMS 软件的联合仿真它不但可以精确的模拟整个系统的运动，而且可以基于运动仿 真的结果对运动系统中的柔性体进行应力应变的分析2。 为了提高宽窄行水稻插秧机的工作效率和工作质量，分插机构不断朝着高 速、高精度方向发展，为了更加精确地模拟整个系统的运动，反映分插机构的 应力、应变问题，必须将薄壁铝制的分插机构栽植臂壳体看作柔性体来进行运 动仿真分析，可以将ANSYS与ADAMS两个软件结合使用。通常，ANSYS不适 合进行机构的动力学分析，而ADAMS不适合进行有限元分析，将二者结合，有 利于取长补短。ADAMS软件是著名的机械系统动力学仿真分析软件，分析对象 主要是刚体，但与ANSYS软件结合使用可以考虑分析零部件的弹性，同样 ADAMS的分析结果可为ANSYS分析提供相应的边界条件3-8。 1.2 行星系分插机构的研究现状 1.2.1 传统行星系分插机构 传统行星系分插机构主要是等行距的，这种机构插秧的缺点是不利于秧苗 内部通风。主要有如下五种形式。 (1) 偏心齿轮行星系分插机构 偏心齿轮行星系分插机构由日本率先发明，并在中国申报专利。该机构如 图 1.1 所示，共有 9 个半径相同的偏心齿轮，太阳轮 10 固定不动，两边对称布 置 2 对齿轮，栽植臂 4 固定在行星轮 8 上，行星架 7 与太阳轮共轴。工作时， 行星架转动，2 个惰轮 9(也称中间轮)绕太阳轮转动，带动 2 个行星轮在周期内 摆动，栽植臂随行星架的圆周运动和随行星轮作相对于行星轮轴的摆动，构成 了特殊的运动轨迹，可满足秧爪轨迹和姿态的要求。偏心齿轮行星系分插机构 与非圆齿轮行星系分插机构相比较有加工简单的优点，但齿隙变化引起振动， 需增加防振装置，结构较复杂。中国学者也对该机构进行了研究和改进，在对 该机构进行运动分析的基础上，用解析法建立了该分插机构的运动学模型9。 (2) 偏心链轮式分插机构 偏心链轮式分插机构采用 5 个偏心链轮，利用传动比变化实现分插机构的 传动要求。偏心链轮分插机构的传动部分产生效果，与偏心齿轮、椭圆齿轮分 插机构相同。不同之处在于偏心链轮分插机构没有中间轮，取而代之的是两个 4 等径偏心链轮的传动比变化来实现要求。两偏心链轮轮心在工作周期中，靠近 和分离造成链条松紧变化可由偏心张紧轮消除10。 (3) 椭圆差速分插机构 椭圆差速分插机构在一个回转的壳体里(相当于轮系机构的行星架)安装 3 个全等的椭圆齿轮，3 个椭圆齿轮的回转中心均在椭圆齿轮的交点上且相位相 同，并支撑在壳体上，栽植臂上秧爪输出的绝对运动为随壳体的平动和绕行星 轮轴心的不等速转动的合成，从而使秧爪获得适于分秧、插秧的运动轨迹。另 外，在栽植臂上附加推秧机构，其作用是插秧时将秧苗准确推入土壤中。 (4) 正齿行星轮系分插机构 正齿行星轮系分插机构如图 1.2 所示，它由正圆齿轮和椭圆齿轮组成。通 过键、行星轮轴与行星圆齿轮固结的一对栽植臂，一方面随着行星架作圆周运 动，另一方面随着行星圆齿轮相对行星架作非匀速转动，在这两种运动的复合 下，秧爪按要求的姿态(角位移和轨迹)运动，通过选择合适的结构参数，就可 以找到满足插秧要求的工作轨迹、取秧角和插秧角11。 (5) 椭圆齿轮行星系分插机构 1.推秧凸轮 2.拨叉 3.推秧弹簧 4.载植臂 5.推秧杆 6.秧爪 7.行星架 8.行星轮 9.惰轮 10.太阳轮 图图 1.11.1 偏心齿轮行星系分插机构偏心齿轮行星系分插机构 1.中心椭圆齿轮 2、3.中间椭圆齿轮 4、5.中间圆齿轮 6、7.行星圆齿轮 图图 1.21.2 正齿行星轮系分插机构正齿行星轮系分插机构 浙江理工大学本科毕业设计（论文） 5 椭圆齿轮行星系分插机构如 图 1.3 所示。其传动部分由 5 个 全等的椭圆齿轮、行星架和 2 个 栽植臂组成。中央椭圆齿轮 I(也 称太阳轮)与机架固定，在起始位 置，5 个椭圆齿轮长轴在一条直 线上，行星架转动，转速为， 2 个中间齿轮(也称惰轮)绕太阳 轮转动，带动 2 个行星轮(齿轮 III)在周期内摆动，行星轮与栽 植臂一体，栽植臂上各点(包括秧 爪尖)作复合运动：行星轮轴随行星架的圆周运动(牵连运动)和随行星轮作相对 于行星轮轴的摆动(相对运动)，构成了特殊的运动轨迹。秧爪的角速度为行星 架角位移和行星轮角位移的代数和。在 VB6.0 平台上开发出人机交互参数优化 软件，分析了各结构参数对运动轨迹和优化目标的影响，优化出满足插秧要求 的结构参数12-13。 1.2.2 宽窄行行星系分插机构 (1) 非匀速空间行星轮系宽窄行分插机构 非圆锥齿轮行星轮系分插机构结构如图 1.4 所示，主要由太阳轮 4,中间斜 齿轮 2、中间非圆锥齿轮 3、和行星轮 1 组成。其中行星轮也是非圆锥齿轮，与 非圆锥齿轮 3 配合，太阳轮固定不动，随着壳体的转动将带动中间轮和行星轮 转动，从而完成取秧和插秧过程，由于非圆锥齿轮的存在，秧爪尖点的运动轨 迹为空间轨迹。 1.右行星齿轮 2.右中间斜齿轮 3.右中间非圆锥齿轮 4.右太阳轮 图图 1.41.4 非匀速空间行星轮系分插机构非匀速空间行星轮系分插机构 (2) 圆柱凸轮滑移式宽窄行分插机构 图图 1.31.3 椭圆齿轮行星系分插机构椭圆齿轮行星系分插机构 6 圆柱凸轮滑移式宽窄行分插机构原理如图 1.5 所示，机构由变速传动部件 和栽植臂组成，其变速传动部件有 5 个全等的变性椭圆齿轮，太阳轮 2 与机架 固结，中心轴 1 带动行星架 3 及两个中间轮 4 和两个行星轮 6 转动，两个中间 轮 4 和太阳轮 2 啮合产生自转，并分别带动对应的行星轮 6 相对行星架 3 转动； 栽植臂 11 通过行星轴 8 与行星轮 6 固结，圆柱凸轮 9 以栽植臂 11 相对行星架 3 转动作为动力，驱动栽植臂 11 在旋转的同时相对行星架 3 横向移动，形成一 空间轨迹，推秧杆 13 在凸轮 7、拨叉 15 和弹簧 12 组成的凸轮机构的控制下， 依靠弹簧 12 弹力在指定位置完成推秧，并通过凸轮 7 挤压弹簧 12 收回，准备 取秧和下次推秧。 1.3 研究内容 目前对于分插机构的研究都集中于，秧针尖点轨迹、姿态角、取秧角度、 插秧角度、秧针尖点的运动速度等上面，缺乏对动力学的研究；缺乏对机构平 衡的考虑，基于此种情况，尤其是在高速运动情况下，不平衡量的大小对机构 的可靠性和使用寿命起着至关重要的作用，利用多刚体动力学分析软件 ADAMS 对宽窄行分插机构的平衡情况进行研究。分插机构栽植臂壳体是薄壁 硬铝合金壳体，当分插机构取秧时，按在栽植臂壳体上的秧针撕取秧箱上的秧 苗，此过程是分插机构整个周期中受力最大，也是容易产生破坏的过程。本论 文利用 ADAMS 分析纯刚体分插机构在高速运动时机座的受力变化情况，还采 用了 ADAMS 和 ANSYS 两个软件的联合仿真技术来研究分插机构栽植臂在取 秧时刻或者出现意外（如取秧时秧针与秧门发生碰撞、插秧时碰到石子）时栽 植臂的变形和应力分布，通过结构的改进设计以提高栽植臂工作时的可靠性。 1.中心轴 2.太阳轮 3.行星架 4.中间轮 5.中间轴 6.行星轮 7.凸轮 8.行星轴 9.圆柱凸轮 10.滑块 11.栽植臂壳体 12.弹簧 13.推秧杆 14.秧针 15.拨叉 图图 1.51.5 圆柱凸轮滑移式宽窄行分插机构圆柱凸轮滑移式宽窄行分插机构 浙江理工大学本科毕业设计（论文） 7 主要的研究内容如下： (1)实现 UG 与 ADAMS 的数据转换，实现虚拟样机的仿真； (2)分析不同转速下机座受力； (3)在 ADAMS 中进行配重研究； (4)实现 UG 与 ANSYS 的数据转换，在 ANSYS 中生成取苗臂壳体中性文 件； (5) 实现 ADAMS 与 ANSYS 的数据转换，在 ADAMS 中实现分插机构的 刚柔耦合模型并进行仿真分析； (6) 仿真载荷文件的提取及在 ANSYS 环境下的取苗臂壳体强度分析； 1.4 课题的研究思路 本课题利用UG、ADAMS、ANSYS实现对分插机构视为刚柔耦合机构进行 联合仿真分析，其流程如图1.6所示： 1.4.1 联合仿真分析 1.5 本章小结 1.提出了本课题研究的背景及意义； 2.综述了水稻插秧机分插机构的研究现状及关键技术； 3.阐述了本课题的研究内容及研究思路。 图图 1.61.6 刚柔耦合分插机构运动仿真分析流程图刚柔耦合分插机构运动仿真分析流程图 8 第二章 UG 三维建模及虚拟样机装配 2.1 虚拟样机技术 虚拟样机技术(VPT，virtual prototyping technology)是一种基于虚拟样机的 数字化设计方法，是各领域 CAX/DFX 技术的发展和延伸。虚拟样机技术进一步 融合了先进建模/仿真技术，现代信息技术，先进设计制造技术和现代管理技术， 将这些技术应用于复杂产品全生命周期和全系统的设计，并对他们进行综合管 理。与传统产品设计技术相比，虚拟样机技术强调系统的观点，涉及产品全生 命周期，支持对产品的全方位测试，分析与评估，强调不同领域的虚拟化的协 同设计。多刚体动力学分析软件 ADAMS 就是一种虚拟样机技术，它通过计算机 浙江理工大学本科毕业设计（论文） 9 软件建立机械系统的三维实体模型和力学模型，分析和评估系统的性能，从而 为物理样机的设计和制造提供合理的参数依据。虚拟样机技术的核心是机械系 统动态仿真，还包括三维 CAD 建模方法、有限元分析方法、机电液控制技术和 最优化方法等相关技术并取得了很好的应用效果。同传统的基于物理样机的 设计方法相比，虚拟样机的设计方法具有很多特点16，包括全新的开发模式、 降低开发成本、实现动态联盟等。 2.2 栽植臂装配图 由 CAD 建立各个零件的二维工程图，分插机构栽植臂装配图和栽植臂壳体 主视图如图 2.1、2.2 所示。 1.秧针 2.推秧爪 3.推秧杆 4.密封塞 5.衬套 2 6.栽植臂壳体 7.衬套 1 8.缓冲橡胶垫 9.拨叉 10. 顶盖橡胶垫 11.顶盖 12.栽植臂弹簧 13.螺钉 14.弹簧垫圈 15.固定销 16.弹簧座 17.螺钉 18.弹 簧垫圈 图图 2.12.1 栽植臂剖视图栽植臂剖视图 19.拨叉轴 20.六角螺母 21.M6 平垫圈 22.定位板 图图 2.22.2 栽植臂后盖法向视图栽植臂后盖法向视图 10 2.3 UG 建立分插机构虚拟样机的三维模型 UG(Unigraphics NX)是Siemens PLM Software公司出品的一个产品工程解决 方案，它为用户的产品设计及加工过程提供了数字化造型和验证手段。 Unigraphics NX针对用户的虚拟产品设计和工艺设计的需求，提供了经过实践验 证的解决方案。 本实验中采用UG软件建立虚拟样机的三维模型，实现装配仿真分析，图 2.3到图2.9为宽窄行分插机构的部分构件的三维模型： 图图 2.32.3 拨叉拨叉图图 2.42.4 定位板定位板 图图 2.52.5 后端盖后端盖图图 2.62.6 推秧杆推秧杆 图图 2.72.7 凸轮凸轮图图 2.82.8 秧针秧针 浙江理工大学本科毕业设计（论文） 11 图图 2.112.11 栽植臂子装配栽植臂子装配 由于细小零件较多，此处就不一一列出，将装好的装配图列举如下，图 2.10为整个分插机构的虚拟样机装配图，图2.11为栽植臂装配图。 2.4 ADAMS 仿真步骤 应用 ADAMS 软件进行机械系统仿真分析 的一般步骤如图 2.12 所示17-19。为使仿真分析能够顺利地进行，应遵循以下原 则: 图图 2.92.9 栽植臂壳体栽植臂壳体 图图 2.102.10 分插机构装配图分插机构装配图 图图 2.122.12 ADAMSADAMS 系统仿真一般步骤系统仿真一般步骤 12 2.4.1 创建几何模型 对于较简单的几何模型，可以直接在 ADAMS/View 中建立。而对于复杂 的模型，其三维建模一般是在专业的三维建模软件(如 UG、Proe、SolidWorks 等)中完成，完成零件的组装，然后通过专用接口或通用数据格式转换导入 ADAMS 环境。 2.4.2 创建约束和运动 约束是用来限制和定义 ADAMS 中各零件的位置和运动，模拟机械的实际 运行状况，组装完整的机械系统，为后续分析做准备。ADAMS 中提供的约束 包括时变约束、时不变约束、完整约束、不完整约束、高副约束和低副约束等， 用户也能通过自定义子程序来定义约束。 在 ADAMS/View 中提供了 4 中约束类型如下18： (1) 运动副约束：运动副约束包括 11 种，通过运动副来实现约束，运动副 在现实中都能找到对应的物理模型，如铰链副、移动副等。每施加一个运动副 可以把两个零件联系起来，被连接的零件可以是刚体、柔性体、点质量，这 11 种运动副中齿轮副和关联副又称为复杂运动副； (2) 基本约束：基本约束总共包含 5 种，基本约束对零件的相对运动进行 浙江理工大学本科毕业设计（论文） 13 了限定，如限定两个零件必须平行运动，或者是限定他们的运动路线相互垂直 等。基本约束在现实中没有物理原型，通过基本约束的组合可以产生定义与运 动副约束相同的约束，也可实现运动副约束无法实现的复杂约束； (3) 运动约束：运动约束通过对模型施加运动来实现对模型的约束，一旦 定义好运动后，模型就会按照所定义的运动规律进行运动，而不考虑实现这种 运动需要多大的力或力矩，ADAMS/View 定义了两种类型的运动约束包括运动 副运动和点运动。 (4) 高副约束：两个构建通过点或线的接触组成的运动副成为高副，在 ADAMS/View 中指的是凸轮机构，包括点线凸轮机构和线线凸轮机构。 2.4.3 施加力 ADAMS/View 定义了 4 种类型的力：主动力、柔性连接(如无质量梁、套 筒、弹簧阻尼器和扭簧)、特殊力(如重力、轮胎力)和接触力18。 定义力的大小，可以直接定义力或力矩的模或 3 个方向的分量，当力的大 小与运动量(位移。速度)有线性关系时，定义其比例系数。如弹簧刚度。粘性 阻尼系数；也可以使用 Function builder 或子程序定义力与位置、运动之间更复 杂的关系，甚至力与力的关系；接触力可以看成只能压缩的弹簧力。 定义力的方向，力包括固定于物体(力与物体的相对位置始终保持不变)和 固定于空间的力(力在空间中的位置始终不变)；也可指定沿某标记的一坐标轴 方向，或多个轴方向，或指定方向；也可选择沿两个标记的连线方向或者垂直 于网格平面，或者可以用鼠标左键选力的方向。 2.4.4 添加驱动 在 ADAMS/View 中添加驱动，驱动也作为约束的一种，可以减少系统的一 个自由度，如果是单纯做在重力作用下的系统仿真，则可以不加任何驱动；在 需要一个原动机作为动力输入进行有输入的运动学或动力学仿真时，可以在运 动副上添加驱动，驱动作为一种再约束需要加在已有运动副上，从而确定运动 副所约束的两个构件之间保持某种确定的运动规律，驱动包括旋转驱动和直线 驱动，又可以叫转动马达和直线马达，其中转动马达需要加在转动副上，直线 马达需要加在移动副上；添加时设置好转动马达的转动角速度或者直线马达的 移动线速度即可。 14 2.4.5 仿真分析与结果后处理 ADAMS/View 仿真分析过程中会自动地调用 ADAMS/Solver 求解程序。 再由 ADAMS/Solver 完成以下 4 种类型的仿真分析。 (1) 运动学分析(Kinematic)，通过求解一系列代数方程，仿真分析自由度 等于零的系统运动参数。 (2) 动力学分析(Dynamic)，通过多个微分代数方程求解，仿真分析自 由度大于零的复杂系统的动力学响应和受力的大小。 (3) 静态分析(static)，通过受力平衡，求解各构件在静态下的受力情况。 (4) 装配分析(Assemble)，用于发现和纠正在装配过程中的错误连接以及 不正确的初始条件。 在 ADAMS 仿真分析完成之后即可进入结果后处理，结果后处理是通过 调用独立的后处理模块 ADAMS/PostProcessor 来完成的。ADAMS/PostProcessor 模块主要包含两大功能：仿真结果回放功能和测量曲线的编辑处理。通过对仿 真结果进行后处理，可以完成以下工作: (1) 可以将仿真结果与实物样机结果测量结果进行对比验证分析； (2) 可以绘制各种测量曲线并进行一些曲线的数学计算和统计分析； (3) 可以对不同条件的测量结果进行比较； (4) 提供对虚拟样机系统的更改指导； (5) 可以对测量结果进行不同的编辑。 2.5 建立分插机构虚拟样机 2.5.1 分插机构三维模型导入 ADAMS 在 UG 中建立、组装的三维模型导入 ADAMS 一般采用以下方法： 通过中间数据格式 Parasolid 进行转换，具体步骤如下：(1)在 UG 环境中建 立各构件的三维实体模型并装配；(2)将装配好的模型另存为实体(.X_T)格式； (3)在 ADAMSView 工作环境中选择 File-Import，在导入文件类型中选择 Parasolid，指定装配体的(.X_T)格式文件， 即可导入 ADAMS20。 2.5.2 定义分插机构构件属性 为了不同的零件在设置和选择的时候容易辨认，首先将导入分插机构的各 个零件重命名为对应的名称，为了区分不同零件，最好将不同零件更改为容易 区分的颜色，然后对每个零件设置它们所对应材料的密度属性，系统会自动根 浙江理工大学本科毕业设计（论文） 15 据零件的体积计算出各个零件的质量以及沿每个轴的转动惯量，并在质心出自 动创建质心 marker 点，具体各零件所对应的材料属性如表 2.1 所示： 表 2.1 材料属性说明 构件名称 材料名称 栽植臂壳体 顶后端盖 箱体 密封塞 顶盖密封垫 橡胶缓冲垫 衬套 2 衬套 1 推秧杆 秧针 推秧爪 拨叉 定位板 凸轮 弹簧座 中心轴 中间轴 行星轴 中心圆齿轮 中间非圆锥齿轮 行星非圆锥齿轮 法兰 硬铝合金 硬铝合金 硬铝合金 橡胶 橡胶 橡胶 黄铜 黄铜 45 钢 45 钢 45 钢 45 钢 45 钢 45 钢 45 钢 45 钢 45 钢 45 钢 45 钢 45 钢 45 钢 45 钢 2.5.3 添加运动副 在定义完了质量属性后，零件之间并没有形成运动关系，所以还需要施加运 动副，使其形成具有确定运动关系的分插机构。 ADAMS 软件提供了丰富的约束库，可以方便的实现约束的施加，对分插机 16 图图 2.132.13 ADAMSADAMS 中分插机构图中分插机构图 构施加的运动副如表 2.2 所示： 表 2.2 运动副说明 运动副名称 连接构件 固定副 固定副 固定副 固定副 固定副 固定副 固定副 固定副 固定副 固定副 旋转副 旋转副 旋转副 旋转副 碰撞 碰撞 碰撞 碰撞 弹簧 箱体与箱体之间； 箱体与凸轮之间； 行星轮与定位板之间； 定位板与栽植臂之间； 后盖与栽植臂之间； 箱体与凸轮之间； 盖与栽植臂之间； 轴套与栽植臂之间； 推秧杆与弹簧座之间； 橡胶软垫圈与栽植臂； 中间轴与箱体之间； 行星轴与箱体之间； 中间轴与箱体之间； 拨叉与栽植臂； 中心圆齿轮与中间圆齿轮； 中间非圆锥齿轮与行星非圆锥齿轮； 拨叉与弹簧座； 弹簧座与橡胶软垫圈； 后端盖与弹簧座； 定义完运动副的分插机构如图 2.13 所示。 浙江理工大学本科毕业设计（论文） 17 图图 2.162.16 纯刚性体分插机构静轨迹曲线纯刚性体分插机构静轨迹曲线 2.5.4 施加载何及驱动 分插机构所受的载荷有:中心圆齿轮与中间圆齿轮之间的接触力、中间非 圆锥齿轮与行星非圆锥齿轮之间的接触力、凸轮与拨叉之间的接触力、拨叉与 弹簧座之间的接触力、弹簧座与橡胶缓冲垫之间的接触力、弹簧座与顶盖之间 的弹簧力。各个刚体的变速运动或者刚体回转运动所产生的惯性力由 ADAMS/solver 求解器自动计算。各刚体的重力在定义重力加速度的大小、方向 和材料属性(如密度)等后，在仿真中自动给各刚体施加重力。在弹簧座中心与 顶盖中心的连线设置一弹簧，其刚度为 2N/mm，预载荷为 48N，预载荷工作长 度为 76mm，参数设置如图 2.14 所示。 假定中心轴匀速转动，可以在箱体和中心轴之间施加的旋转副处添加一 旋转驱动电机，为使在开始仿真时不发生刚性冲击将旋转速度设置为 step(time,0,0,0.1,1080d)*time，如图 2.15 所示。 2.5.5 分插机构虚拟样机仿真 对于分插机构在完成模型导入、重命名颜色修改、质量属性定义、运动副 定义、载荷添加、驱动添加之后前处理部分基本完成，可以进行运动仿真分析。 仿真计算之前必须设置相应的仿真参数，仿真时间即系统的实际运行时间， 仿真步数的多少对计算时间影响不大， 但过多的仿真步数会浪费大量的存储空 间。本次刚性分插机构的仿真参数设定 为：时间:1s，步数:200 步。 (1) 秧针尖点运动轨迹分析 图图 2.142.14 弹簧参数弹簧参数图图 2.152.15 电机参数电机参数 18 分插机构秧针轨迹能否满足插秧要求，将直接影响插秧机的工作性能和插 秧质量，如果轨迹不合理就不能很好地取秧、运秧、插秧，严重时甚至会使所 插秧苗倒伏或漂秧。图 2.16 为纯刚性体分插机构秧针尖点运动轨迹曲线，图中 显示分插机构静轨迹为猪腰子形。 (2) 秧针尖点速度分析 伤秧率是评价插秧机工作性能的重要指标之一，伤秧一般发生在取秧和插 秧阶段，在取秧和插秧阶段秧针相对于秧苗的速度越小伤秧率越小。图 2.17 为 秧针尖点 X 方向速度曲线，图 2.18 为秧针尖点 Y 方向速度曲线，图 2.19 为秧 针尖点合速度曲线。 (3) 秧针尖点加速度分析 机构运动的加速度特性可以反应出机构动力学特性的好坏，加速度小则特 性好，加速度大则特性坏。图 2.20 为秧针尖点 X 方向加速度曲线，图 2.21 为 秧针尖点 Y 方向加速度曲线，图 2.22 为秧针尖点合加速度曲线。 图图 2.172.17 秧针秧针 X X 方向速度方向速度 图图 2.182.18 秧针秧针 Y Y 方向速度方向速度 图图 2.192.19 秧针合速度秧针合速度 图图 2.202.20 秧针秧针 X X 方向加速度方向加速度 浙江理工大学本科毕业设计（论文） 19 2.6 本章小结 根据分插机构二维图纸利用 UG 软件建立三维模型，并进行虚拟装配，将 模型通过中间数据格式.X_T 导入 ADAMS，在 ADAMS/View 环境中，对分插 机构模型施加运动副、添加载荷及驱动，进行运动仿真,得出了分插机构秧针尖 点的运动轨迹曲线、速度曲线、加速度曲线。 图图 2.212.21 秧针秧针 Y Y 方向加速度方向加速度 图图 2.222.22 秧针合加速度秧针合加速度 20 第三章 基于 ADAMS 的配重研究 3.1 不同转速下支座力的研究 为了研究高速和低速下支座力的变化情况，分别将电机的转速设置为 150R/min，200R/min，250R/min,300R/min,350R/min,400R/min。其支座力变化 情况如图 3.1 所示。 图图 3.13.1 支座力变化图支座力变化图 浙江理工大学本科毕业设计（论文） 21 从图中可以看出，随着转速的提高，支座力的波动幅度也越来越大， 250R/min 的时候幅值 250N，300R/min 的时候幅值为 300N，在经验设计上一般 转速超过 250R/min 就需要考虑平衡问题，低于 250R/min 则不需要。接下来对 转速为 250R/min 的情况进行配重平衡研究。 3.2 确定配重块位置 在 UG 软件中将整个分插机构三维装配图中的栽植臂单独导出，然后在 UG 菜单栏中选择分析、测量体、选择整个栽植臂，然后在结果显示中勾选显示信 息窗口，就会出现栽植臂的体积、面积、质量、回转半径和质心。 由于栽植臂是复合运动，既包括随箱体的转动，又有绕行星轴的转动，所 以栽植臂的重心是时变的，但是也有一定规律，那就是也绕行星轴转动，所以 我们首先在 UG 中将栽植臂质心点投影到行星轴转动中心线上，投影方向是过 22 质心与中心线相交且垂直的垂线方向，然后在此点上建立基准坐标系，此时可 显示改点在全局左边系下的坐标位置，通过该位置和转动中心位置计算出行星 轴中心线上的点关于转动中心的对称位置，然后在对称位置上加配重块，配重 块坐标如表 3.1 所示。 表 3.1 配重坐标 X(mm)Y(mm)Z(mm) 第一点 0.65017846568836-90.049232854351171.24962874509 第二点 -0.5897537367855789.971997954518171.64195910646 3.2 添加配重块 确定好配重块之后就可以增加配重块了，为了方便设置，选择球体作为增 加配重，在工具面板中选择球体建模，设置初始半径为 10mm，在工作区右击 鼠标即弹出坐标设置对话框，将计算好配重位置的坐标输入之后选择 Apply 即 可，在添加完配重块之后需要设置其材料属性，选择配重块材料也为硬铝合金， 但材料库里没有此种材料，这时只能通过输入材料密度的方法设置，输入密度 为 7830.64Kg/m3。 3.3 参数化配重块半径 首先建立变量，选择 BuildDesign VariableNew，进入创建设计变量对 话框，变量名称为 R1，初始值为 10，最大值为 32，最小值为 1，设置好的结 果如图 3.1 所示，然后将设置变量与配重块半径关联起来，用鼠标右键配重块 选择 Modify，进入参数修改对话框，在半径处用应经建立好的参数替换掉实数 即可，具体可参看图 3.2。 图图 3.13.1 建立设计变量建立设计变量图图 3.23.2 关联设计变量关联设计变量 浙江理工大学本科毕业设计（论文） 23 3.4 设计研究 在设置变量的范围内进行最优化求解，由于变量范围太大，ADAMS 只能 根据初始值求解出初始值附近的局部收敛解，不能达到全局最优解，为此，先 进行设计研究，即将变量的范围等分为多少段进行计算，看每一点的设计目标 值是多少，然后再找出其中的较小值进行最优化求解，将变量 R1 的 1 到 32 分 为 32 段，即可在 1 到 32 的每个整数点上进行研究计算，具体设置如图 3.3 所 示。 3.5 最优化求解 在优化求解前先建立支座的测量，选择分插机构中心铰链副，右键选择 Measure，测量名为 JOINT_8_FORCE_Y，测量特性选择 Force，然后单击 OK。至此模型优化的前期准备已经完成，可以进行优化求解，菜单栏上选择 SimulateDesign Evaluation，即进入优化求解器，求解对象为测量求解，选择 Measure，测量对象为 RMS of JOINT_8_FORCE_Y，即是机架 Y 方向受力的均 值，求解方法选择最优化求解，设计变量为 R1、R2，优化目标为测量目标的最 小值21，具体设置可参照图 3.4。 3.6 结果分析 根据变量设计研究结果可以得出在 32 点上，支座力的方差值随配重块半 径增加的变化情况，从图 3.4 中数据可以发现半径为 4mm、14mm 两点的方差 图图 3.33.3 变量研究变量研究 24 值较小，选取这几点作为 3.5 最优化求解的初始点进行最优化求解，求解结果 发现局部收敛点就在初始点，将半径为 4mm、14mm 两点的支座力变化情况与 不加平衡块时的支座力在进行完 20Hz 低通滤波相比较，曲线如图 3.5 所示，从 图中可以发现，两种配重对于支座力幅值的优化并没有明显的变化，这说明双 栽植臂的宽窄行分插机构本身已经比较平衡，其次说明在 250R/min 的转速下不 需要进行配重优化。 图图 3.33.3 最优化求解最优化求解图图 3.43.4 设计研究结果设计研究结果 图图 3.53.5 滤波曲线滤波曲线 浙江理工大学本科毕业设计（论文） 25 3.7 本章小结 本章通过 ADAMS 的优化求解计算，研究了宽窄行分插机构的动平衡问题， 利用 UG 里的坐标计算方法，获得了配重位置，通过 ADAMS 的设计研究和最 优化方法比较了有配重和无配重时机架的支座力的变化情况，发现双栽植臂的 分插机构本身已经比较平衡，优化的效果并不明显。 第四章 基于 ANSYS 和 ADAMS 的栽植臂壳体强度分析 4.1 ADAMS 建立柔性体 ADAMS 中建立柔性体的方法大致有 3 种：离散柔性连接、利用其他有限 元分析软件、利用 ADAMS/AutoFlex 模块。 4.1.1 离散柔性连接 把一个刚性构件离散为几个小刚性构件，小刚性构件之间通过柔性梁连接， 离散柔性连接件的变形是柔性梁连接的变形，并不是小刚性构件的变形，小刚 性构件的任意两点不能产生相对位移，所以离散柔性连接件本质是刚性构件的 范畴内。每段离散件有自己的质心坐标系、名称、颜色和质量信息等属性，每 段离散件是一个独立的刚性构件，可以像编辑其他刚性构件一样来编辑每段离 散件。柔性连接件的优点是这种柔性体可以模拟物体的非线性变形，但只适用 26 于简单结构，可以直接帮助用户计算截面的属性，比直接适用柔性粱将两构件 连接起来方便。 4.1.2 利用有限元程序建立柔性体 利用其他有限元分析软件将构件离散成细小的网格，进行模态计算，将计 算的模态保存为模态中性文件 MNF(Modal Neutral File)，直接读取到 ADAMS 中建立柔性体； 由于采用的是模态线性叠加来模拟物体变形,因此模态式柔性体仅适用于线 性结构的受力行为。 利用有限元技术，通过计算构件的自然频率和对应的模态，按照模态理论， 将构件产生的变形看作是由构件模态通过线性计算得到的。在计算构件模态时， 按照有限元理论，首先要将构件离散成一定数量的单元，单元数越多，计算精 度越高，单元之间通过共用一个节点来传递力的作用，在一个单元上的两个点 之间可以产生相对位移，再通过单元的材料属性，进一步计算出构件的内应力 和内应变。 4.1.3 利用 ADAMS/AutoFlex 创建柔性体 利用 ADAMS/AutoFlex 模块，直接在 ADAMS/View 中建立柔性体的 MNF 文件，然后用柔性体替换原来的刚性体。 利用 ADAMS/AutoFlex，可以使用 3 种方法来创建柔性体，第一种是拉伸 法，(1)定义拉伸路径：一定要从 Z 轴的负方向向正方向拉伸，最好先定义好 Point 点和 Marker 点；(2)定义横截面积：中心对称的图形；(3)定义单元属性和 材料属性：二维壳单元和三维实体单元；(4)定义外部 Marker 点。第二种方法是 利用刚体构件的几何外形来创建柔性体，选择 Solid Tetra 单元。第三种方法是 导入有限元模型的网格文件（Import Mesh）创建柔性体19。 4.2 UG、ANSYS、ADAMS 之间的数据转换 4.2.1 UG 与 ANSYS 之间的数据转换 目前这两个软件之间的数据转换是通过中间数据格式进行转换，主要包括 两种，一种是曲面格式(.IGES 格式)，另一种是实体格式(.X_T 格式) 22。 在 UG 中将建立的 PRT 文件导出为 IGES 文件，通过 IGES 格式进行这两个 软件之间的数据转换。但是如果在 UG 中建立的模型特征过多或结构过于复杂， 那么生成的 IGES 文件会不完整，在输入 ANSYS 以后由于可能存在一些小面或 浙江理工大学本科毕业设计（论文） 27 残破面而无法生成实体， 因此这种格式的应用受到了限制。还有一种是运用实 体格式 X_T 格式，这种格式也需要对模型进行简单修改，尽量避免使用倒圆角， 这样即使存在一些小面也能顺利生成实体。 由于此次柔性体联合仿真分析中，只需生成栽植臂壳体的中性文件，对于 这一单一零件采用通过中间数据格式 X_T 进行转换，具体过程如下：为了模型 零件的位置能够匹配最好是在装配图中将单个零件导出，这样能在用柔性体替 代刚性体时位置不出错，用 UG 打开分插机构装配图文件，点击“文件导 出” ，选择 Parasolid 格式，在弹出的对话框中要求点选需要导出的零部件，点 选分插机构上栽植臂壳体，选择确定，