铷１ 匐 地 拖锥收放装置传动系统刚柔耦合动力学建模与仿真 Ｔｈｅ ｒｉｇｉｄ－ｆｌｅｘｉｂｌｅ ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｄｙｎａｍｉｃｓ ｍｏｄｅｌｉｎｇ ａｎｄ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｄｒａｇ ｃｏｎｅ ｗｉｎｄｉｎｇ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ 刘笃喜，李浩，赵小军，朱琳 ＬＩＵ Ｄｕ—ｘｉ，ＬＩ Ｈａｏ，ＺＨＡＯ Ｘｉａｏ－ｊｕｎ，ＺＨＵ Ｌｉｎ （西北工业大学机电学院，西安７１００７２） 摘要：以拖锥收放装置机械传动系统为研究对象，建立双电机同步联动机械传动结构模型动力学方 程，并采用有限元分析软件ＡＮＳＹＳ及多体动力学仿真软件ＡＤＡＭＳ进行联合仿真。将传动系 统低速轴进行柔性化处理，建立含柔性特征的虚拟样机模型并进行动力学仿真，同时对比分 析刚性体、柔性体情况下系统输出参数，得出传动误差范围。仿真分析结果对提高传动精度 及传动系统改进提供重要参考依据。 关键词：双电机；传动系统；联合仿真；传动精度 中图分类号：ＴＨ１ ３２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１ ００９—０１ ３４（２０１ ２）０９（下）一Ｏ１ ０８—０４ Ｄｏｉ：１ ０．３９６９／Ｊ．ｉｓｓｎ．１ ００９－０１ ３４．２０１ ２．９（下）．３４ ０引言 飞机拖锥自动收放系统是为了实现飞机在高 空飞行时，将拖锥锥体收放到飞机尾部不同距离 处，从而实现空气压力测量的系统，拖锥收放装 置作为静压测量载体，其传动系统的稳定性和可 靠性严重影响着静压测量精度。 随着系统运行精度要求的提高，系统的动力 １ 传动系统简介及动力学方程建立 １．１传动系统简介 ～空流一一航陵一 为了保证传动机构结构紧凑，减小齿轮传动 问隙，保证负载平稳可靠工作，拖锥收放系统传 动机构采用双电机对称结构。由两个相同的航空 三相交流电机，经无励磁制动器、行星减速机及 一一空流～ｉ量度一 、＝ 对齿轮副传动共同驱动绞盘运动，从而实现拖 学性态越来越复杂，多刚体系统动力学巳无法解 释系统复杂的动力学性态。因此，必须考虑部件 大范围运动和构件本身的变形，将受力大、刚性 小的部件视为柔性体 ，对拖锥收放装置传动系统 进行刚柔耦合的柔性多体系统动力学研究，建立 锥的平稳收放。选用的无励磁制动器性能稳定工 作可靠，将其安装在电机与减速机之间，既可以 实现失电刹车功能又可保证较小的制动力矩。传 动系统原理图如图ｌ所示。 联轴器 无力磁制动器行星减速器 绞盘 符合实际工作状况的刚柔耦合动力学模型，并进 行有效的仿真分析，对提高工程项目的预研、设 计与优化的效率产生良好的经济效益。 本文以拖锥收放装置传动系统为研究对象， 采用有限元分析软件和多体系统动力学仿真软件 进行联合仿真，对传动系统低速轴进行柔性化处 理，建立含柔性特征传动机构的虚拟样机仿真模 型并进行动力学分析，将刚性体和柔性体情况下 输出参数进行对比分析，得出传动误差范围，建 图１ 拖锥收放装置传动系统原理图 立了更加精确的刚柔耦合动力学模型，有效的提 高了传动系统工作精度。 １－２传动系统动力学方程的建立 Ｉ）第ｎ个电机负载时，定子转子的电动势平 衡方程 ＝一 ＋Ｌ。ｚ （１） 收稿日期：２０１２—０５－１１ 作者简介：刘笃喜（１９６３一），男，陕西西安人，副教授，工学博士，研究方向为机械制造及其自动化、智能检测技术 和虚拟测试技术等。 ［１ｏ８１ 第３４卷第９期２０１２—９（下） 务Ｉ 匐 似 １所示传动轴Ⅲ的模态中性文件，具体步骤如下： １）选择合适的单元类型 单元类型的选取是十分重要的环节，因为它 在很大程度上影响分析的速度和精度。对于传动 轴这样的三维实体模型，选用三维八节点单元 ＳＯＬＩＤ４５，该单元可以支持材料塑性、应力刚化、 大应变和大变形。 ２）定义材料属性 柔性体定义所需要的材料属性有弹性模量、 泊松比和密度，由于传动轴要传递较大的扭矩， 所以轴的材料选用４５号钢，ＡＮＳＹＳ本身并没有 单位制，必须保证ＡＮＳＹＳ里的单位和ＡＤＡＭＳ中 的单位的一致性。经查表，该材料的弹性模量为 ２．０２ Ｘ １０“Ｎ／ｍ２，泊松比为０．３，密度为７８００ｋｇ／ｍ 。 ３）划分网格单元 采用智能网格划分的方法对其进行网格划分， 划分后的有限元模型如图３所示。 ４）定义外部节点生成刚性区域 在柔性体与刚性体的联接处必须有节点存在， 此节点在ＡＤＡＭＳ中将作为外部节点使用，在 ＡＮＳＹＳ中用Ｎｏｄｅ来建立，通过该节点来创建运 动副或载荷受力点，实现运动与力的传递。 ５）输出模态中性文件 ＡＮＳＹＳ中模态分析求解完毕，用宏命令创建 ＡＤＡＭＳ所需要的模态中性文件，将ＭＮＦ文件导 入ＡＤＡＭＳ即可生成相应的柔性体模型。 图３柔性轴有限元模型 图４传动系统虚拟样机模型 １１１０１ 第３４卷第９期２０１２—９（下） ２．３刚柔耦合虚拟样机模型建立 首先借助三维参数化建模软件Ｐｒｏ／Ｅ建立拖锥 收放装置传动系统装配模型，同时检查各零部件 之间的尺寸关系及装配干涉情况，将Ｐｒｏ／Ｅ文件保 存为Ｐａｒａｓｏｌｉｄ格式导入ＡＤＭＡＳ中并进行系统约 束、载荷及驱动设置，建立传动系统虚拟样机模 型如图４所示。 为了建立更为合理的虚拟样机仿真模型，需 要对减速齿轮副进行接触力及摩擦力设置，利用 冲击函数法借助ｉｍｐａｃｔ函数来计算齿轮副之间 的接触力，该接触碰撞模型是以Ｈｅｒｔｚ弹性撞击 理论分析为基础，可以准确的模拟齿轮传动机构 的接触力情况，需设置以下参数：接触刚度ｋ为 ６．９８５３ｘ １０ Ｎ／ｍｍ ，碰撞指数ｅ为１．５、阻尼系 数Ｃｍａｘ为１００Ｎ・Ｓ一１／ｍｍ、切入深度ｄ为０．１ｍｍ。 ＡＤＡＭＳ中摩擦力的设置通常采用库伦法，设置静 摩擦因数 ｓ为０．０８、动摩擦因数ｐｄ为０．０５、静 滑移速度ＶＳ为ｌｍｍ／ｓ、动滑移速度ｖｄ为１０ｒａｍ／ Ｓ 。传动系统输入轴施加的转速驱动为ｓｔｅｐ （ｔｉｍｅ，０，０ｄ，０．２，２０００ｄ），即可对传动机构进行刚体 情况下的动力学仿真，测得小齿轮啮合力如图５ 所示。将柔性体ｍｎｆ模态中性文件导入ＡＤＡＭＳ 中，直接将刚体替换成柔性体，替换后刚性体上 的运动副、载荷等会自动转移到柔性体上，仿真 之前需要将柔性体与其它刚体添加必要的约束， 本系统可直接在柔性体和刚性体齿轮之间加固定 副，加固定副的节点一定要选在ＡＮＳＹＳ中生成的 外部节点处，即可进行刚柔耦合动力学仿真。 ２．４仿真结果分析 图５齿轮副Ｘ、Ｙ方向啮合力时域图 由图５可以看出，齿轮啮合力呈周期性变化， 【下转第１３７页】 务ｌ注 訇 化 率、塑件的上、下表面温度、冷却系统温度分布 和塑件的总变形等，得到塑件流道平衡状况评估， 【３】Ｃｈｉａｍｉｎｇ Ｙｅｎ，Ｊ．Ｃ．Ｌｉｎ，Ｗｕｊｅｎｇ Ｌｉ，ａｎｄ Ｍ．Ｆ．Ｈｕａｎｇ， ２００６．Ａｎ ａｄｄｕｃｔｉｖｅ ｎｅｕｒａｌ ｎｅｔｗｏｒｋ ａｐｐｒｏａｃｈ ｔｏ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｒｕｎｎｅｒ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎｓ ｆｏｒ ｔｈｅｍｉｎｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｗａｒｐａｇｅ ｉｎ 制品缩痕与气穴提示，熔接痕分布状况，从而实 现对成型制品进行理论上的预测和把握，大大提 ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ ｍｏｕｌｄｉｎｇｓ［Ｊ】．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ １７４，２００６：２２－２８． 高模具设计效率，增强模具设计企业竞争力。 ［４］Ｍｕｓｔａｆａ Ｋｕｒｔ，Ｙｕｓｕｆ Ｋａｙｎａｋ，Ｏｍｅｒ Ｓ．Ｋａｍｂｅｒ．Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｍｏｌｄｉｎｇ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｏｎ ｔｈｅ ｓｈｒｉｎｋａｇｅ ａｎｄ ｒｏｕｎｄｎｅｓｓ ｏｆ 参考文献： ［１】Ｊ．Ｌｉｕ．Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｍｏｌｄｆｌｏｗ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｎ ｂｕｃｋｌｉｎｇ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｐｌａｓｔｉｃ ｐａｒｔ［Ｊ］．Ｍｏｕｌｄ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ，２００８，３３（２）， ６．１Ｏ． ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ ｍｏｌｄｅｄ ｐａｒｔｓ［Ｊ］．ＭａｎｕｆＴｅｃｈｎｏｌ，２０１０，４６：５７１－５７８． 【５】王义，刘泓滨．Ｍｏｌｄｆｌｏｗ在注塑模冷却系统分析中的应 用【Ｊ］．塑料工业，２０１０，４：８５－８８． 【２】Ｈ．Ａｈｍａｄ，Ｚ．Ｌｅｍａｎ．Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ Ｗａｒｐａｇｅ Ｄｅｆｅｃｔ ｉｎ 【６】段贤勇，何顺荣．基于Ｍｏｌｄｆｌｏｗ／ＭＰＩ的ＵＰＳ电源壳体注 塑成型分析【Ｊ］．塑料科技，２０１１，３：６７．７０． Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ Ｍｏｕｌｄｉｎｇ Ｐｒｏｃｅｓｓ ｕｓｉｎｇ ＡＢＳ Ｍａｔｅｒｉａｌ［Ｊ］．Ｔｈｉｒｄ Ａｓｉａ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｍｏｄｅｌｌｉｎｇ＆Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ． ２ＯＯ７：１ ２７１－１２７８． 【７】吴真繁，孙宝寿，陈哲．基于Ｍｏｌｄｆｌｏｗ的注塑件翘曲优化 及影响因素分析［Ｊ】．轻工机械，２００９，１２：５．１０． ｛重Ｉ｛南● 矗●－ｔｄｔ￣－ｔａｔ￣ 南‘－ｔａｔ￣ 国‘ 蠢●｛蠢 鑫●｛鑫 ｛盎Ｉ 矗÷｛蠡‘ 蠢●｛蛊Ｉ 矗‘｛是● 禹‘ 岛● 岛Ｉ 禹● 【上接第１１０页】 ３结论 本文以拖锥收放装置机械传动系统为研究对 象，采用ＡＮＳＹＳ与ＡＤＡＭＳ刚柔耦合动力学仿真 方法，对传动系统低速轴进行柔性化处理，在此 基础上进行动力学仿真分析，总结了联合仿真的 关键技术解决方法，并将刚性体和柔性体情况下 系统输出参数进行对比分析，得到系统传动误差 图６输出轴为刚体时绞盘ｚ向输出角速度 范围。仿真分析结果对研究传动系统可靠性，提 高传动精度及传动系统升级改进提供了重要的理 论依据。 参考文献： 【１】洪嘉振，刘锦阳．机械系统计算动力学与建模【Ｍ】．北京： 高等教育出版社，２０１１． 【２】陈庆伟，郭镜，胡维礼，等．多电机同步联动系统的动力 学分析与建模［Ｊ］．东南大学学报（自然科学版），２００４，３４： １３５．１４０． 【３】赵丽娟，马永志．刚柔耦合系统建模与仿真关键技术研 究［Ｊ】．计算机工程与应用，２０１０，４６（２）：２４３—２４８． 图７输出轴为柔性体时绞盘ｚ向输出角速度 【４】王毅，吴立言，刘更．机械系统的刚－柔耦合模型建模方 法研究【Ｊ】．系统仿真学报，２００７，１９（２０）：４７０８—４７１０． 【５】刘晓东，章晓明．基于ＡＤＡＭＳ与ＮＡＳＴＲＡＮ的刚柔耦合 体动力学分析方法【Ｊ】．机械设计与制造，２００８，２：１６８— １７０． 且啮合力绕一定值上下波动，表明齿轮在啮合传 动过程中存在冲击振动。从图６、图７绞盘输出 角速度曲线可以看出，刚柔耦合虚拟样机模型中， 由于输出轴柔性化后在启动瞬间发生较大变形， 导致系统输出产生负方向的角速度，说明系统产 生明显振动，导致系统输出不平稳。与理论值相 比较，得到系统输出角速度的误差值为０．５ ｏ／ｓ。 【６】华顺刚，余国权，苏铁明．基于ＡＤＡＭＳ的减速器虚拟样 机建模及动力学仿真［Ｊ］．机械设计与研究，２００６，２４（１２）： ４７．５２． 第３４卷第９期２０１２－９（下） ［１３７１