机械系统建模及仿真

成绩中国矿业大学2010 级 博 士研究生课程考试试卷考试科目 机械系统建模及仿真考试时间2011年1月学生姓名学 号所在院系机电工程学院任课教师中国矿业大学研究生院培养管理处印制含间隙接触的机构接触碰撞系统建模及仿真图1冲击自振筛1-筛杆座；2-筛杆冲击自振筛是一种利用物料筛分装置，其机构如图1所示。其工作原理为：待筛分物料 以一定速度冲击筛杆1,引起筛杆的振动，进而对物料起到筛分的效果。该系统中，筛杆装 在筛杆座的孔中，杆与孔为间隙配合，为一含间隙接触的机构，该间隙的大小直接影响自振 筛的动态性能，进而影响筛分效果，因而对该间隙接触机构进行接触碰撞分析，研究其动态 性能，对于合理选取间隙，改善自振筛性能具有很重要的意义。在该研究中，我们主要研究 单颗物料与含间隙接触的筛杆机构进行碰撞的动态特性分析，主要研究筛杆与筛杆座间的间 隙大小、筛杆与筛杆座间的刚度及阻尼大小对碰撞动态特性的影响。1三维模型的建立三维设计软件Pro/e具有很强的三维造型能力，并且拥有和ADAMS的无缝连接接口。 因此在Pro/e中对仿真系统进行三维建模，建立的筛杆和杆座装配模型如图2所示。把该文 件保存成X_T格式以便ADAMS调用。2.DDAMS仿真分析(1)启动 ADAMS双击桌面上ADAMS/View的快捷图标，打开ADAMS/View。在欢迎对话框中选择“Create a new model”，在模型名称(Model name)栏中输入：jxg ；在重力名称(Gravity)栏中选 择 “Earth Normal (-Global Y) ”；在单位名称(Units)栏中选择 “MMKS - mm,kg,N,s,deg”。 如图3所示。Howould you like to proceed?疔 Crsats new modelMSC.ADAMS广 Open an oxiGling databass广 impcirl:自 filor Eit附口del nameGravityEarth Normal (-Global yj- Units- C 3D o cuments andSettingsVkdminStart inMSCxSOFTWARE,Sllil iATl I E tEALHY图3 ADAMS欢迎对话框(2.)设置工作环境对于这个模型，网格间距需要设置成更高的精度以满足要求。在ADAMS/View菜单栏 中，选择设置(Setting)下拉菜单中的工作网格(Working Grid)命令。系统弹出设置工 作网格对话框，将网格的尺寸(Size)中的X和Y分别设置成200mm和200mm,间距(Spacing) 中的X和Y都设置成10mm。然后点击“0K”确定。如图4所表示。VVui klne Grid Settiresy Show Working GndE* Rectangular Polar|p00mm)(200 mm)| (10mm)| (10 mm)SizeSpacingXColorWeightv DotsContrast jj p- .v Ate.?.Contrast T i pF 科厂 Lines：Contrast T 1T jTriadSolid|Set Loealion TSet Onentalien . . T |OK Appfy | Cancel图5模型导入对话框图4工作网格设置（3）.导入模型在ADAMS/View菜单栏中，点击file菜单下的import命令，出现图5所示对话框，在 对话框中输入Pro/e中保存的文件。（4）创建下落小球在ADAMS/View零件库中选择图标，参数选择为“New Part”，半径（Radius） 选择25mm。按F4快捷键，打开栅格捕捉窗口，当坐标显示为（0, 200，0）时，单击鼠标左键，建立小球模型。调整小球到筛杆质心正上方，双击小球模型，在弹出的对话框中，将Category 选项设为 Name and Position，将 Location 栏的值 0.0, 0.0, 0.0 改为 0.0, 0.0,如图7所示。建立好的球体如图8。60.0（位置移动），点击对话框下面的OK键进行确定,图6球体参数设置图7球体修改图8建立好的球体（5）添加约束副选择ADAMS/View约束库中的固定副图标肯 ,参数选择2 BodT Loc和Normal To Grid。在ADAMS/View 工作窗口中先用鼠标左键选择筛杆座（PART_2）,然后选择机架（ground），接 着选择筛杆座上的PART_2.cm,如图9所示，图中显亮的部分就是所创建的固定副（JOINT）， 同理对另一个杆座也建立一个固定副。图9固定副的建立由于筛杆与筛杆座之间有接触关系，因此创建完筛杆座的固定副约束后，还要创建筛 杆与筛杆座间的接触。先点选力库中的芫，出现图10所示对话框。图10接触设置对话框在I Solid里单击右键，选PART_2，在J Solid里 点右键选PART_4,相关系数设 置如图11。Normal FecrImpactStiffness1.5889EHJ0BFofce Exponent1.5Damping1.6E-KI06Penetration Depih1.0E-0CJ2Friction ForceCoulombCoulomb FrictionOnStatic Coefficierit0.7Dynamic Coefficiento.aSiiction Transition/el.100.0Frictiori Transition Vol.10000图11筛杆与筛杆座间接触相关系数设置 同理在杆与小球之间建立接触，相关参数设置如图12.Normal FarpeImpact IStiifnes1.6093E-HJ07orce ExponentDamping1.6E-HJ05Penetration De卩th0.1Friction ForceCoulomb.bulomb FrictionOnStatic.Co efficient0.8Dynamic-.Coeffi cient0.7Stiction Transition Vel.100.0Friction Transition-Vel.1000.0图12筛杆与小球间接触相关系数设置图13建立后的仿真模型 最终建立好的仿真模型如图13所示。(6)模型仿真点击仿真按钮囲，设置仿真终止时间(End Time)为1.5,仿真工作步长(Step Size) 为300，然后点击开始仿真按钮卜，进行仿真。仿真结束后，单击塑进入后处理设置过 滤器，如图14图14过滤器设置(7)仿真结果及分析 筛杆与筛杆座无间隙与有间隙的仿真结果比较分析tro阳_2圧11501101M0.D0.DEfemEnl FcrcB?i1ag50U.D -AnH滞感：图15 a无间隙时球体与筛杆间的作用力2011-03-0314:2539goQjMNI 1 .bK!trert|-rfr：e.Mi3Q0.D0152300.070Dl600.050DJ1誉冲IMO30Dl20DJ010DJJ0.0Aralysis Last_RijnIime（5EE）2&11-03-&3 14：-29 39图15 b无间隙时筛杆与筛杆座间的作用力modeIJS图16 a有间隙时球体与筛杆间的作用力X)D.D对比图15 a与图16 a,图15 b与图16 b可看出，筛杆与筛杆座之间间隙的存在可增 加物料与筛杆的接触时间，从而有效减小冲击力，但是间隙配合使得筛杆与筛杆座接触处出 现较大的冲击力。 间隙大小的影响图17 a较小间隙时球体与筛杆间的作用力图17 b较小间隙时筛杆与筛杆座间的作用力ITi 鬭11 j 1 iLiil ll i L1111:o图18 a较大间隙时球体与筛杆间的作用力|CONTACT_3lsrert_Fate Mat) |mod3i_284图18 b较大间隙时筛杆与筛杆座间的作用力对比图17与图18可看出，间隙值过大时，间隙元素之间的碰撞力骤增，合理选取 间隙大小可控制冲击力的大小，又可增加筛杆的振动。 杆座刚度不同的影响rrertel 2fl9DD.0.Lyn I w JcEi iib il r cir 匚皀 ntag111510图20 a杆座刚度较小时球体与筛杆间的作用力imDjj:femErt FwcefaB卢心 1 1 上IL 1.1 .ILL丄 1J IJ M0.0mon -7QDJJ0X1.0saon -1.5+JDIxo.a2aon -wo.oD.a图20 b杆座刚度较小时筛杆与筛杆座间的作用力对比图19与图20可以看出，间隙元素之间的碰撞力对筛杆与筛杆座刚度系数的变化并 不十分敏感。杆座阻尼不同的影响9EOJawji?con15.D -10.0 -3.D -|M.CCNT*jCT_3Brt_FarceJvtag |h图21 a杆座阻尼较小时球体与筛杆间的作用力3COLI2H)J11OTJemau.a15 0I CONTACT 1 Efenrrt FctW Ktog1L J,0 0图21 b杆座阻尼较小时筛杆与筛杆座间的作用力troUeLS000.010.0 -asio图22 a杆座阻尼较大时球体与筛杆间的作用力.日etnant Fg：B.hl旳 |1.550EO.00000.0 -SIS kuieiomo -00图22 b杆座阻尼较大时筛杆与筛杆座间的作用力对比图21与图22可以发现，间隙元素之间的碰撞力对筛杆与筛杆座间的阻尼系数 的变化较为敏感。3.总结通过仿真可知，筛杆与筛杆座之间的间隙大小及阻尼大小对筛分动态特性有较大的影 响，而筛杆与筛杆座之间的刚度系数则对动态特性影响较小。因此，设计过程中，合理选择 间隙及阻尼，对于改善冲击自振筛的性能具有重要的意义。