集成环境下虚拟样机技术的研究及其应用

摘要

虚拟样机作为产品设计的一项新技术，对传统的产品设计方法是一次革命。通过虚拟样机技术，工程师可以采用机械系统运动仿真，在产品设计阶段发现产品设计中的潜在问题，并快速进行修改，减少了对于物理样机的依赖，这样不仅可以节省成本，缩短产品开发周期，而且可以提高产品性能，增强产品竞争力。 本论文研究课题来源于集成环境下数控机床进給系统虚拟样机的建造与实现(2001E0010Q)，论文将虚拟样机技术应用于数控铣床的设计中。本文研究了特征造型、动力学分析系统和有限元分析系统之间的集成方法和技术，建造软件集成环境下的XK6420数控铣床的虚拟样机。 首先根据设计要求，运用大型三维软件SolidEdge建立了数控机床三维参数化实体模型，并通过计算机图形交换格式将所建立的几何模型导入到有限元分析软件ANSYS中和运动学分析软件ADAMS中进行动力学和运动学分析，创建了虚拟样机的软件集成平台。 在ANSYS有限元分析软件平台上，采用模态分析技术获得机床结构的模态固有频率和主振型，从而实现对机床结构的改进和优化设计。并基于运动学和动力学仿真软件ADAMS验证分析了影响机床爬行现象的主要因素，从而实现了机床的进給系统的优化设计。对XK6420数控铣床进行了运动平稳性分析。 采用ADAMS的运动分析技术分析了整机在各种作业工况下各主要连接件之间的作用力，为有限元分析提供边界条件；对XK6420数控铣床结构强度进行了有限元分析，得到了高应力、应变的危险区域，对该区域进行了结构优化设计，结果表明显著地改善了该部位构件的工作状况，从而保证了整机运行的可靠性。 其中的虚拟样机建造方法与有限元分析手段在共同建立的联调平台下解决复杂机械系统设计及性能仿真方面具有理论意义与实用价值。

目录

文摘

英文文摘

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第一章绪论

1.1课题背景

1.1.1传统模式新产品的试制过程

1.1.2现代模式新产品的试制过程

1.2虚拟样机技术简介

1.2.1虚拟样机的概念

1.2.2虚拟样机的特点

1.2.3虚拟样机技术的发展

1.2.4虚拟样机技术的应用

1.3“集成环境下虚拟样机技术的研究及其应用”问题的的提出

1.4本课题的意义及主要内容

第二章虚拟样机的技术研究

2.1虚拟样机技术支持

2.2 CAD技术

2.2.1 CAD技术的组成

2.2.2 CAD技术的特点

2.3有限元分析技术

2.3.1动态设计

2.3.2有限元分析

2.4计算机仿真技术

2.4.1物理仿真与数学仿真

2.5集成技术

2.5.1通过专用数据模式文件交换产品信息的集成方式

2.5.2通过标准数据格式的文件交换产品信息的集成方式

2.5.3通过统一的产品模型交换信息的集成方式

2.6本章小结

第三章虚拟设计环境的关键接口技术

3.1引言

3.2 Solid Edge与ADAMS之间的数据交换与集成

3.2.1ADAMS图形接口模块(ADAMS/Exchange)

3.2.2 Solid Edge数字化模型输出到ADAMS环境中

3.3 Solid Edge与ANSYS之间的数据交换与集成

3.4小结

第四章数控铣床XK6420实体模型的建造

4.1三维实体造型特点

4.2 Solid Edge软件简介及其特点

4.3数控铣床进给系统机械结构的设计

4.3.1数控机床进给系统关键部件的结构设计

4.4数控机床进给系统机械结构虚拟装配

4.4.1虚拟装配技术

4.4.2 XK6420数控铣床机械结构的虚拟装配

第五章XK6420铣床的结构动力学分析

5.1机床结构动力学概述

5.1.1动载荷的概念

5.1.2结构动力学的分类

5.2支承部件的动力学分析

5.2.1支承件的动态分析简介

5.3模态分析的基本理论

5.4有限元分析软件ANSYS

5.5底座模态分析

5.5.1模型的建立

5.5.2网格的划分

5.5.3加载并求解

5.5.4提取分析结果

5.6工作台的谐响应分析

5.6.1谐响应分析简介

5.6.2模型的建立

5.6.3激振力的计算

5.7工作台的模态分析

5.8工作台的谐响应分析

5.8.1谐响应分析的方法

5.8.2谐响应分析结果提取

5.9本章小结

第六章XK6420数控铣床运动仿真

6.1运动仿真概述及其运动仿真软件ADAMS

6.1.1动力学仿真软件ADAMS

6.1.2 ADAMS软件的简介

6.1.3 ADAMS软件特点

6.1.4运动仿真概述

6.2数控机床运动平稳性分析

6.3爬行现象的理论分析

6.4分析比较影响运动平稳性的主要因素

6.4.1驱动速度对机床爬行现象的影响

6.4.2传动刚度对机床爬行现象的影响

6.4.3动静摩擦系数之差对机床爬行现象的影响

6.5 XK6420数控铣床虚拟样机的运动仿真

6.5.1 XK6420数控机床虚拟样机的建立

6.5.2约束及其运动驱动的添加

6.5.3约束副中摩擦力的添加

6.6 XK6420数控铣床进給系统运动平稳性分析

6.6.1 XK6420数控铣床X向运动学分析的模拟试验和运动平稳性分析

6.6.2数控机床Y向运动学分析的模拟试验

6.7本章小结

第七章结论

7.1工作重点和主要研究结果

7.2进一步研究的方向

致谢

参考文献

附录A：本人在攻读硕士期间发表学术论文情况