1.前言

    虛擬樣機(jī)技術(shù)是在計(jì)算機(jī)硬件和軟件技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種機(jī)械產(chǎn)品研發(fā)技術(shù)，極大地提高了機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)和分析水平。研發(fā)工程師在計(jì)算機(jī)里建立機(jī)械系統(tǒng)的虛擬模型，分析和評(píng)估其動(dòng)態(tài)性能，為機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)及改進(jìn)提供指導(dǎo)。這種技術(shù)能夠降低設(shè)計(jì)和生產(chǎn)成本，提高設(shè)計(jì)效率，縮短研發(fā)周期。目前這個(gè)技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于航空航天業(yè)、國(guó)防工業(yè)、工程機(jī)械、車輛工程、機(jī)械制造業(yè)等領(lǐng)域。

    考慮到復(fù)雜系統(tǒng)多體虛擬樣機(jī)仿真的可行性，在建立虛擬樣機(jī)時(shí)必須作一些適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化，例如忽略溫度、裝配間隙以及對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能影響較小的一些零件等等。另外虛擬樣機(jī)中材料的密度、結(jié)構(gòu)剛度、粘性阻尼系數(shù)、摩擦阻尼系數(shù)等都不一定與物理樣機(jī)系統(tǒng)一致。由于虛擬樣機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)和邊界條件的差異可能會(huì)導(dǎo)致仿真結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果不一致，甚至差別很大。因此必須根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)虛擬樣機(jī)進(jìn)行修正，使它的仿真結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果盡可能的一致，提高虛擬樣機(jī)的真實(shí)度。

    本文中設(shè)計(jì)了一個(gè)含沖擊的多體動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)臺(tái)，并結(jié)合多體動(dòng)力學(xué)軟件 Virtual Lab 建立它的虛擬樣機(jī)模型。通過對(duì)試驗(yàn)平臺(tái)的虛擬樣機(jī)仿真結(jié)果和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比，判斷仿真模型的準(zhǔn)確性。假定實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)是真值，修正仿真模型的一些參數(shù)，例如阻尼、摩擦系數(shù)、剛度和碰撞系數(shù)等相關(guān)參數(shù)，使仿真和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相吻合。

2.試驗(yàn)臺(tái)工作原理

    在前期簡(jiǎn)單的試驗(yàn)臺(tái)虛擬樣機(jī)仿真分析的指導(dǎo)下，確定了試驗(yàn)臺(tái)的工作原理和傳感器、彈簧、氣缸的選擇，初步預(yù)測(cè)了試驗(yàn)臺(tái)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，例如傳感器在實(shí)際的測(cè)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(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)幾乎一次成功，同時(shí)也驗(yàn)證里虛擬樣機(jī)技術(shù)在機(jī)械產(chǎn)品前期設(shè)計(jì)中的重要性。

    試驗(yàn)臺(tái)的工作原理如圖2.1，試驗(yàn)臺(tái)的主體部分安裝在支撐立板上，并且可以轉(zhuǎn)動(dòng)，其后端采用一個(gè)緩沖器支撐。主氣缸和主緩沖器連接，可以在導(dǎo)軌上滑動(dòng)，活塞在高壓氣體的作用下前后運(yùn)動(dòng)，撞擊撞擊座和連接筒，使主氣缸前后運(yùn)動(dòng)和安裝板轉(zhuǎn)動(dòng)。干擾氣缸在高壓氣體的作用下產(chǎn)生水平方向上的力，靠支撐立板的變形使安裝板擺動(dòng)。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(gè)有感光二極管的激光靶上。由于安裝板可以轉(zhuǎn)動(dòng)和擺動(dòng)，激光斑在激光靶在兩個(gè)方向上都具有一定的散布度。

圖2.1試驗(yàn)臺(tái)原理圖 

3.試驗(yàn)臺(tái)虛擬樣機(jī)的建立

    為了保證虛擬樣機(jī)的真實(shí)度，虛擬樣機(jī)的所有零件模型均按實(shí)際零件1:1 建模，包括測(cè)試系統(tǒng)所需的安裝件，因?yàn)樗鼈兊馁|(zhì)量會(huì)影響到整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

    虛擬樣機(jī)中對(duì)氣缸的模擬非常重要，氣缸是實(shí)驗(yàn)臺(tái)的驅(qū)動(dòng)部件，對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)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(zhì)量和實(shí)際的氣缸相同，活塞和氣缸之間添加一個(gè)移動(dòng)副，在氣缸兩端和活塞之間添加兩個(gè)受后臺(tái)子程序控制的彈簧力，這兩個(gè)力模擬氣體對(duì)活塞的作用力，不考慮氣體阻尼及磨擦的影響。由于實(shí)際的氣體作用力很難測(cè)得，不能給虛擬樣機(jī)直接提供邊界條件，只能首先給定一個(gè)參考值，這個(gè)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(shù)。其實(shí)作用在活塞上的氣體力不是固定值，是時(shí)間的函數(shù)，而在虛擬樣機(jī)中用一個(gè)定值來模擬。 對(duì)兩個(gè)緩沖器的模擬也都是采用后臺(tái)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(yù)壓力等。另外，在氣缸兩端和活塞之間添加兩個(gè)碰撞副，主氣缸活塞和撞擊座之間添加一個(gè)碰撞副。

    通過零件模型的導(dǎo)入、邊界條件和運(yùn)動(dòng)副的添加，形成了一個(gè)完整的試驗(yàn)臺(tái)多剛體虛擬樣機(jī)（如圖3.1）。

圖3.1 試驗(yàn)臺(tái)多剛體虛擬樣機(jī)                     

    由于沒有考慮支撐立板的柔性，多剛體虛擬樣機(jī)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(shí)反映試驗(yàn)臺(tái)的動(dòng)態(tài)性能。在多剛體虛擬樣機(jī)的基礎(chǔ)上，考慮支撐立板的柔性，包括傳力點(diǎn)的設(shè)置、有限元網(wǎng)格劃分、計(jì)算模態(tài)和替換剛體等，形成剛?cè)峄旌咸摂M樣機(jī)，如圖3.2。

圖3.2試驗(yàn)臺(tái)剛?cè)峄旌咸摂M樣機(jī)

4.試驗(yàn)臺(tái)虛擬樣機(jī)的修正

    初始仿真模型的動(dòng)態(tài)特性不一定會(huì)和實(shí)際的試驗(yàn)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)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(yàn)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(shù)，材料參數(shù)均存在著誤差，這些參數(shù)有些是測(cè)試很困難，有些是無法得到的。為了使仿真的結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果趨近一致，就要根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)這些不是很確定的參數(shù)進(jìn)行修正。

    4.1 虛擬樣機(jī)參數(shù)修改前后與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比

    圖4.1 是主位移（主氣缸在導(dǎo)軌上的位移）在虛擬樣機(jī)修正前后和實(shí)測(cè)結(jié)果的對(duì)比，圖4.2 是激光斑效果在虛擬樣機(jī)修正前后和實(shí)測(cè)結(jié)果的對(duì)比。

    圖4.1實(shí)測(cè)與修正前后主位移對(duì)比     

    圖4.2實(shí)測(cè)與修正前后仿真激光斑效果對(duì)比

    從圖4.1 可以看出，與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比，修正后的虛擬樣機(jī)仿真結(jié)果比修正前的結(jié)果有很大的提高。修正后的主位移和實(shí)測(cè)位移擬合程度較好，幅值基本一致，相關(guān)系數(shù)由0.5321 提高到0.9073 ，相關(guān)系數(shù)表示兩個(gè)結(jié)果在時(shí)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4.1。

表4.1 兩個(gè)方向修正前后和實(shí)測(cè)散布度對(duì)比

    從表4.1誤差可以看出，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是274.3%，修正后為7.53% 。從散布度和修正結(jié)果的意義上看，修正后的誤差控在 10% 以內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了修正的基本目的。

    機(jī)與試驗(yàn)臺(tái)的差距較大，必須參照試驗(yàn)臺(tái)的測(cè)試結(jié)果對(duì)虛擬樣機(jī)進(jìn)行修正，而修正的對(duì)象就是虛擬樣機(jī)中一些無法確定或很難獲得的參數(shù)。 例如主緩沖器和支撐緩沖器的剛度，就是通過實(shí)測(cè)直接添加到虛擬樣機(jī)里的，得到一個(gè)虛實(shí)混合的虛擬樣機(jī)。但是修正那些參數(shù)和如何修正是一個(gè)值得研究的問題， 課題在對(duì) 滑塊機(jī)構(gòu)模型修正等研 基礎(chǔ)上，結(jié)合試驗(yàn)臺(tái)的特點(diǎn)，對(duì)一些關(guān)鍵參數(shù)作了一些修正。修正的參數(shù)和修正前后的對(duì)比見表4.2。

表4.2 虛擬樣機(jī)參數(shù)修正前后對(duì)比

    表4.2 中的參數(shù)都不同程度上影響到虛擬樣機(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，碰撞系數(shù)主要影響到碰撞過程中能量的損失和碰撞力的大小，對(duì)于主氣缸還影響到其行程。主氣缸和擾動(dòng)氣缸氣體模擬力的初始定值200N 是由實(shí)際的氣體壓力和活塞截面積乘積，其實(shí)這個(gè)力比較復(fù)雜，修正后這個(gè)力分別為100N和120N。

    修正前兩個(gè)緩沖器均沒有考慮預(yù)壓力，修正后分別為79.2N 和44N ，它們主要影響到系統(tǒng)的固有頻率，關(guān)鍵是這個(gè)頻率要和激勵(lì)頻率匹配，使系統(tǒng)響應(yīng)達(dá)到一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡，不能發(fā)散主行程的 由初0.01修正為350 很大，因?yàn)樗�主要影響到主氣缸的行程和系統(tǒng)的固有頻率。

    激光斑水平 布度主要靠支撐立板的材料為剛，其彈性模量的初始值為2.1E+011Pa，經(jīng)過修正后它的值幾乎減小了一倍，失去了它的物理意義，原因在于虛擬樣機(jī)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(bǔ)償間隙對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)的影響。立板的剛度降低了反而激光斑的散布度降低了，這是由于干擾氣缸氣體模擬力同時(shí)也降低了。另外，立板的結(jié)構(gòu)阻尼系數(shù)0修正0.8方向上的散 變形產(chǎn)生，立板的材料初始值，也在一定程度上降低了激光斑的散布度。

5.總結(jié)

    在虛擬樣機(jī)仿真分析的指導(dǎo)下，設(shè)計(jì)的試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試結(jié)果基本符合設(shè)計(jì)要求，根據(jù)實(shí)際的試驗(yàn)機(jī)得到多剛體虛擬樣機(jī)，將試驗(yàn)臺(tái)的薄弱構(gòu)件支撐立板柔性化，建立試驗(yàn)臺(tái)的剛?cè)峄旌咸摂M樣機(jī)。在實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，確定需要修改的虛擬樣機(jī)參數(shù)，采用攝動(dòng)法進(jìn)行參數(shù)修正，得到一組較優(yōu)的參數(shù)組合，使虛擬樣機(jī)的仿真結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果有較好的一致性，提高了虛擬樣機(jī)的真實(shí)度，達(dá)到了修正的基本目的，使虛擬樣機(jī)的應(yīng)用在一定程度上可以減少物理實(shí)驗(yàn)的次數(shù)。

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