现代制造工程２００６年第３期
ＣＡＤ／ＣＡＥ／ＣＡＰＰ／ＣＡＭ
基于ＡＤＡＭＳ的移动导杆机构的动力学分析
田云峰，郑巍
（中国空空导弹研究院，洛阳４７１００９）
摘要介绍平面四杆机构的一种变形形式——移动导杆机构。重点阐述该机构的仿真模型的建立，应用ＡＤＡＭＳ软件对构件的动力学仿真分析，讨论设计移动导杆机构的几何参数应注意的问题。
关键词：移动导杆ＡＤＡＭＳ动力学仿真中图分类号：ＴＧ６１
文献标识码：Ａ文章编号：１６７１＿３１３３（２００６）０３—００６０珈３
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ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ
１
引言
移动导杆机构是平面四杆机构中的一种演化形
导杆３在机架上的移动副加长，将曲柄１与摇杆２间的转动副Ｂ增大，曲柄１设计为偏心轮。
式。原动件（曲柄）可随从动件（导杆）一起往复移动，具有自驱动运动特性。在设计应用中，应分析移动导杆机构动力学特征，掌握该机构的设计特点。本文从应用移动导杆机构的设计实例出发，通过应用ＡＤＡＭＳ软件进行运动学建模和动力学仿真，根据动力学仿真和静力学计算的结果，探讨设计该机构应注意的问题。
２．２运动学模型的建立２．２．１导杆的运动学方程
如图１所示建立坐标系，点０为坐标原点，以转动副中心点Ａ为研究对象。取ｒ＝（１／４～１／３）Ｚ，可求得移动导杆的近似运动方程为：
戈＝ｒ
图１移动导杆机构简图
２仿真模型建立
２．１机构介绍
在某导弹发射装置设计中，由于需获得准确的运动轨迹，且只有一个原动力，弹射运动的导弹脱离运动是由移动导杆机构实现的。其结构简图如图１所示。曲柄１是原动件，相对于移动导杆３作匀速圆周运动，设曲柄长ＡＢ＝ｒ，角速度为ｔｏ；摇杆２相对于机架４在一定角度范围内往复运动，设摇杆长ＯＢ＝Ｚ；移动导杆３相对于机架４在一定位移范围内往复移动。为使移动导杆３往复移动的平均速度相等，无急回特性，设计Ａ、Ｃ两转动副中心的连线与移动导杆３的移动轨迹平行。为使机构传动平稳，机构紧凑，将移动
６０
ｃ。ｓ（ｔｏｔ）＋ｔ［１一了１
ｌ丁ｒ）２］＋÷×孚ｃ。ｓ（２ｔｏｔ）
………………………………………………（１）
将式（１）对时间取一阶导数，可求得导杆移动的速度方程为：
移＝一ｒｔｏｓｉｎ（ｔｏｔ）一下１×竽ｓｉｎ（２ｔｏｔ）……．（２）
将式（２）对时间取一阶导数，可求得导杆移动的加速度方程为：
ｏ＝一ｒｔ０２ｃｏｓ（ｔｏｔ）一半ｓｉｎ（２ｔｏｔ）………（３）
万方数据 万方数据
ＣＡＤ／ＣＡＥ／ＣＡＰＰ／ＣＡＭ
２．２．２
ＡＤＡＭＳ运动学模型的建立
用ＡＤＡＭＳ建立运动学模型时，不必过分追求构件几何形体的细节部分同实际构件完全一致，只需保证各个运动之间的相对尺寸正确。这样既可获得较满意的运动学仿真结果，又可节约大量的几何建模时间。实际上从程序的求解原理来看，只要仿真构件的几何形体的质量、质心位置、惯性矩和惯性积同实际构件相同，仿真结果便是等价的。运动学建模包括建立几何模型和施加约束机构。在ＡＤＡＭＳ／Ｖｉｅｗ中有一个几何建模工具集，提供了若干常用的参数化基本型题图库，可以非常方便地绘制一些基本形体，然后通过组合工具和一些其他的细节结构处理工具就可获得复杂的几何形体。另外，在建模过程中或建模结束后，还可修改构件的几何形体、质量、转动惯量和惯性积、初始速度、初始位置和方向等。此外，还可以在
Ｐｒｏ／Ｅ、Ｓｏｌｉｄ
ｗｏｒｋｓ和ＳｏｌｉｄＥｄｇｅ下进行三维实体建模，
然后输送到ＡＤＡＭＳ下进行运动学和动力学分析。本文所分析的机构就是先在ＳｏｌｉｄＥｄｇｅ下进行实体建模，再输送到ＡＤＡＭＳ。几何建模结束后，再通过各种约束限制构件之间的相对运动，并以此将各个构件联接成一个机构系统。
３仿真分析
建好模型后，在ＡＤＡＭＳ／Ｖｉｅｗ中调用ＡＤＡＭＳ／Ｓｏｌｖｅｒ进行仿真计算，就可获得各个构件的运动特性。在仿真分析中，给定曲柄的角速度，ＡＤＡＭＳ／Ｓｏｌｖｅｒ就会自动输出构件的位移、速度、加速度和其他计算自定义的各特征值，如受力、扭矩、变形等。这些输出值
通过ＡＤＡＭＳ／Ｖｉｅｗ中的Ｐｌｏｔｉｎｇ可以以图形形式输出，
从而能清晰地看出它们在仿真过程中的变化规律。此外，在设计过程中还可用Ａｎｉｍａｔｉｏｎ模块中的功能进行实体动画显示，能方便直观地看出仿真效果并进行优化设计。
下面是该机构移动导杆３和曲柄１的ＡＤＡＭＳ运动学和动力学仿真结果。
由图２分析可知移动导杆３往复移动的行程为２ｒ，ｒ愈大，其行程亦愈大。移动导杆３在妒为０。、１８００两位置处的速度为０；运动速度最大的位置在轨迹中心附近，但并不是准确的中心，存在一定的位置差。多次仿真的结果说明，位置的差值取决于ｒ／ｌ的大小，ｒ／Ｚ愈小，差值愈小。移动导杆在妒为０。、１８０。位置的运动加速度最大，最大值取决于曲柄１的长度ｒ及角速度∞，ｒ越小，加速度越小。因此在设计移动导杆机构时，在满足行程及空间位置等设计要求的前
万 万方数据
方数据现代制造工程２００６年第３期
提下，应尽量减小曲柄和摇杆的长度比。但长度比太小，会使机构的结构尺寸太大，一般可取ｒ／ｌ＝（１／４—１／３）。考虑加速度产生的惯性力对机构的不利影响，可采取将移动导杆在机架上的移动副加长的方法。
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图２移动导杆运动曲线
由图３分析，移动导杆机构中的曲柄运动不是定轴转动，在提供原动力的同时其运动状态还随从动件一起变化，构件上各点处的加速度的大小和方向都不相同，且随运动位置不同而变化，生产的惯性力不是离心惯性力。因丽，在该机构的结构设计中应充分考虑到上述的动力学特征。为了改善曲柄的动应力状况，可将转动副曰的半径加大，使回转中心与几何中心不重合，将曲柄１设计为偏心轮。
时间／ｓ
图３曲柄运动曲线
另外，移动导杆的运动是由原动件曲柄１直接来传递动力，通过分析可见，传动角哕始终较大，即使当妒＝±９０。时，也不会出现死点（哕≠Ｏ），所以移动导杆机构有较大的机械效率。
在机构设计过程中，应该对机构通过合理的计算机软件进行动力学分析，研究其动力学特征，设计合理的结构。实践表明，移动导杆机构在某型发射装置的设计应用相当成功，使用效果良好。此外，由上面的分析过程可看出，在设计的初始阶段，用户不必要从数学上面对结构的运动学方程及其求解进行繁琐的分析、推导和论证，运用ＡＤＡＭＳ软件就可对机构进
（下转第１３４页）
６１
４结语
现代制造工程２００６年第３期
现场经验
（ｒｅｐ，２—１）ｌｎ三一１］…………………（１０）
ｒ∞．１
，ｅｐ，２
且在两端有形状变化相对较小的部位，可以考虑传统的中间分体，但这样做，其断面形状复杂，在模具过渡区域存在不小的困难，可以考虑将两端组合到一起进行重新组合，可得到图１ｄ的效果并且无需模具衔接过渡即可实现分体，在成形后再进行零件的剪切。３．３大型简单壳体零件
大型简单壳体零件的同机分体异步成形有很重要的意义。这类零件的变形程度大，所以在模具衔接过渡时不仅仅靠边界的平滑过渡，还要考虑辅助的压边设计，这样可以避免出现拉裂和起皱现象，在使得过渡区域尽可能小的同时，又能均匀过渡，逐步分散变形的应变和应力。衔接区域的模具形状在必要时还要进行过渡区域优化设计。
模具进一步工作，板条进入全塑性状态：
吾”１ｎｒｏ／ｒｒ２／ｒｏ。）＝１＋ｌｎ≯……．（１１）
３分体异步成形工艺解决方案
模具衔接区域的设计就是要解决因急剧塑性变形而发生的板料失稳导致起皱、拉裂等现象，这也是分体异步成形的关键技术。在设计模具衔接过渡区时考虑如下问题：１）模具是否需要过渡衔接。根据变形程度的大小来决定是否需要过渡，当选择的分体区域无变形时则不需要过渡；当变形程度较大时，则考虑过渡，包括零件的形状过渡。２）过渡区域要保证边界线的平滑过渡，不能出现断裂和折起的情况。３）是否需要压边圈，在过渡区域中的形状变化很大时，要考虑采用压边圈来辅助成形，尽可能将变形量均匀地分布到过渡区域。
３．１有明显无变形的零件
零件有明显的无变形区域，且符合所要分割后能够达到大级别的降低压力机公称吨位（见图ｌｂ），这是分体方式中最理想且容易达到工艺要求。这种方式的模具分体方式基本不需要形状过渡，只要合理地延伸模具的衔接边防止翘曲，即可达到成形效果。３．２连续变形零件
连续变形的零件是最普通、最典型的零件，这种零件在模具分体中既有规律可循，又是最复杂的分体。当零件形状简单时（见图１ａ），可以在根据降低压力机公称吨位的情况下，分体模具连接处采用较小的曲线过渡。当零件形状复杂但有局部变形曲率半径大时（见图１ｂ），可以在大曲率半径处分体，这样可以使过渡区域的边界更加平滑。当零件图形复杂且连续变化，可以仔细分析一下零件的形状，判断是否有规律可循，如图１ｃ就有规律可循，其两端是对称图形（上接第６１页）
行分析和论证，并仿真得到各个构件的运动特征，这有利于初期方案的筛选和优化。
参考文献：［１］［２］
孙恒．机械原理［Ｍ］．北京：高等教育出版社，１９８６．
４结语
本文给出同机分体异步薄板冲压成形工艺的概念，说明并归纳关键技术。该技术在换热器半片成形的研究中得到运用，证明是一种行之有效的加工方式，尤其是针对小批量生产的中小型企业更为适用。
参考文献：［１］
李硕本．冲压工艺理论与新技术［Ｍ］．北京：机械工业出版，２００２．
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肖景容，姜奎华．冲压工艺学［Ｍ］．北京：机械工业出版社，２０００．
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余同希，章亮炽．塑性弯曲理论及其应用［Ｍ］．北京：科学出版社，１９９５．
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马世麟，傅仁本．材料力学［Ｍ］．北京：机械工业出版社．１９９６．
作者简介：吴双峰，硕士研究生，研究方向为薄板成形工艺。
收稿日期：２００５—１０－２８
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郑建荣．ＡＤＡＭｓ——虚拟样机技术入门与提高
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作者简介：田云峰，工程师，研究方向为导弹发射装置结构设计。
作者通讯地址：河南洛阳０３０信箱７８分箱（４７１００９）：ｊ收稿日期：２００５－０７－２０
［３］
１３４
弗尔梅．机构学教程［Ｍ］．河北：高等教育出版社，
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