了解运动模拟连载(一)用于机构分析与合成的运动模拟

简介

二十世纪八十年代以来，设计工程中首次使用计算机辅助工程(CAE)方法后，有限元分析(FEA)就成了最先被广泛采用的模拟工具。多年来，该工具帮助设计工程师研究新产品的结构性能，并让他们使用在CAD模型上运行的廉价计算机模拟代替了很多耗时又昂贵的原

今天，由于机械产品日渐复杂，不断加剧的竞争加快了新设计方案投入市场的速度，工程师们越来越迫切地感到必须使模拟超出FEA的局限范围。除了使用FEA模拟结构性能外，工程师还需要在构建物理原型之前确定新产品的运动学和动力学性能。

运动模拟（又称刚性实体动力学）提供了用于解决这些问题的模拟方法。它很快就得到了广泛应用，与此同时，设计工程师希望了解更多关于该模拟工具的情况：它是什么样的工具？它能解决什么问题？它能给产品设计流程带来什么益处？

本文旨在回答这样一些问题并介绍运动模拟可以解决的示例问题。此外，本文还提供了一些将运动模拟用作CAE设计工具的现实应用。

用于机构分析与合成的运动模拟

假设一位工程师要设计一个用于绘制各种椭圆的椭圆规。在CAD装配体中定义配合后，他可以使模型活动起来，以查看机构零部件的移动方式。（图1）虽然装配体动画可以显示装配体零部件的相对运动，但运动速度却没有意义，而且计时也具有任意性。要得出速度、加速度、接点反作用力、功率要求等结果，设计人员需要一个更强大的工具。运动模拟便应运而生了。

图1使用CAD动画制作器模拟的、处于不同位置的椭圆规。

运动模拟可以提供运动机构所有零部件的运动学性能（包括位置、速度和加速度）和动力学性能（包括接点反作用力、惯性力和功率要求）的完整量化信息。更重要的是，几乎不用耗费更多的时间就可以获得运动模拟结果，因为执行运动模拟所需的所有内容都已在CAD装配体模型中定义好了，只需将它们传输到运动模拟程序即可。

用于机构分析与合成的运动模拟

在上述椭圆规案例中，设计人员只需确定马达的速度、要绘制的点以及希望查看的运动结果。程序会自动执行其余的内容，无须用户干预。运动模拟程序使用CAD零件的材料特性定义机构零部件的惯性特性，并将CAD装配体配合条件转换为运动接点。然后，该程序会自动用等式描述机构运动。与使用FEA研究的灵活结构不同，机构被表示为由刚性零部件组成的装配体，而且自由度很小。数字解算器会很快解算出运动方程式，结果包括所有机构零部件的位移、速度、加速度、接点反作用力和惯性载荷以及保持运动所必需的功率的完整信息。（图2）

图2由运动模拟器计算的线速度和马达功率要求

图3中所示的翻转滑杆机构运动模拟是机械运动学教材中常见的一种示例。此处引用该示例的目的是为了获得曲柄以匀速旋转时摇臂的角速度和加速度。可以使用多种分析方法来解决该问题；学生最常使用的可能是复数方法。但是，“手动”解决这样的问题需要进行大量的计算，即使借助计算机化的电子表格，也要耗费几个小时来构建速度和加速度图表。即便如此，如果滑杆的几何体发生更改，那么整个过程都要从头再来。这样的事情对于还在上学的学生来说是个有趣的作业，但在现实产品开发中却根本不切实际。运动模拟软件使用CAD装配体模型中已有的数据几乎可以即时地模拟翻转滑杆的运动。

图3用于计算摇臂角速度的翻转滑杆机构模拟。