簡(jiǎn)介

二十世紀(jì)八十年代以來(lái)，設(shè)計(jì)工程中首次使用計(jì)算機(jī)輔助工程(CAE)方法后，有限元分析(FEA)就成了最先被廣泛采用的模擬工具。多年來(lái)，該工具幫助設(shè)計(jì)工程師研究新產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)性能，并讓他們使用在CAD模型上運(yùn)行的廉價(jià)計(jì)算機(jī)模擬代替了很多耗時(shí)又昂貴的原

今天，由于機(jī)械產(chǎn)品日漸復(fù)雜，不斷加劇的競(jìng)爭(zhēng)加快了新設(shè)計(jì)方案投入市場(chǎng)的速度，工程師們?cè)絹?lái)越迫切地感到必須使模擬超出FEA的局限范圍。除了使用FEA模擬結(jié)構(gòu)性能外，工程師還需要在構(gòu)建物理原型之前確定新產(chǎn)品的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)性能。

運(yùn)動(dòng)模擬（又稱(chēng)剛性實(shí)體動(dòng)力學(xué)）提供了用于解決這些問(wèn)題的模擬方法。它很快就得到了廣泛應(yīng)用，與此同時(shí)，設(shè)計(jì)工程師希望了解更多關(guān)于該模擬工具的情況：它是什么樣的工具？它能解決什么問(wèn)題？它能給產(chǎn)品設(shè)計(jì)流程帶來(lái)什么益處？

本文旨在回答這樣一些問(wèn)題并介紹運(yùn)動(dòng)模擬可以解決的示例問(wèn)題。此外，本文還提供了一些將運(yùn)動(dòng)模擬用作CAE設(shè)計(jì)工具的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用。

用于機(jī)構(gòu)分析與合成的運(yùn)動(dòng)模擬

假設(shè)一位工程師要設(shè)計(jì)一個(gè)用于繪制各種橢圓的橢圓規(guī)。在CAD裝配體中定義配合后，他可以使模型活動(dòng)起來(lái)，以查看機(jī)構(gòu)零部件的移動(dòng)方式。（圖1）雖然裝配體動(dòng)畫(huà)可以顯示裝配體零部件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，但運(yùn)動(dòng)速度卻沒(méi)有意義，而且計(jì)時(shí)也具有任意性。要得出速度、加速度、接點(diǎn)反作用力、功率要求等結(jié)果，設(shè)計(jì)人員需要一個(gè)更強(qiáng)大的工具。運(yùn)動(dòng)模擬便應(yīng)運(yùn)而生了。

圖1使用CAD動(dòng)畫(huà)制作器模擬的、處于不同位置的橢圓規(guī)。

運(yùn)動(dòng)模擬可以提供運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)所有零部件的運(yùn)動(dòng)學(xué)性能（包括位置、速度和加速度）和動(dòng)力學(xué)性能（包括接點(diǎn)反作用力、慣性力和功率要求）的完整量化信息。更重要的是，幾乎不用耗費(fèi)更多的時(shí)間就可以獲得運(yùn)動(dòng)模擬結(jié)果，因?yàn)閳?zhí)行運(yùn)動(dòng)模擬所需的所有內(nèi)容都已在CAD裝配體模型中定義好了，只需將它們傳輸?shù)竭\(yùn)動(dòng)模擬程序即可。

用于機(jī)構(gòu)分析與合成的運(yùn)動(dòng)模擬

在上述橢圓規(guī)案例中，設(shè)計(jì)人員只需確定馬達(dá)的速度、要繪制的點(diǎn)以及希望查看的運(yùn)動(dòng)結(jié)果。程序會(huì)自動(dòng)執(zhí)行其余的內(nèi)容，無(wú)須用戶(hù)干預(yù)。運(yùn)動(dòng)模擬程序使用CAD零件的材料特性定義機(jī)構(gòu)零部件的慣性特性，并將CAD裝配體配合條件轉(zhuǎn)換為運(yùn)動(dòng)接點(diǎn)。然后，該程序會(huì)自動(dòng)用等式描述機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)。與使用FEA研究的靈活結(jié)構(gòu)不同，機(jī)構(gòu)被表示為由剛性零部件組成的裝配體，而且自由度很小。數(shù)字解算器會(huì)很快解算出運(yùn)動(dòng)方程式，結(jié)果包括所有機(jī)構(gòu)零部件的位移、速度、加速度、接點(diǎn)反作用力和慣性載荷以及保持運(yùn)動(dòng)所必需的功率的完整信息。（圖2）

圖2由運(yùn)動(dòng)模擬器計(jì)算的線(xiàn)速度和馬達(dá)功率要求

圖3中所示的翻轉(zhuǎn)滑桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)模擬是機(jī)械運(yùn)動(dòng)學(xué)教材中常見(jiàn)的一種示例。此處引用該示例的目的是為了獲得曲柄以勻速旋轉(zhuǎn)時(shí)搖臂的角速度和加速度。可以使用多種分析方法來(lái)解決該問(wèn)題；學(xué)生最常使用的可能是復(fù)數(shù)方法。但是，“手動(dòng)”解決這樣的問(wèn)題需要進(jìn)行大量的計(jì)算，即使借助計(jì)算機(jī)化的電子表格，也要耗費(fèi)幾個(gè)小時(shí)來(lái)構(gòu)建速度和加速度圖表。即便如此，如果滑桿的幾何體發(fā)生更改，那么整個(gè)過(guò)程都要從頭再來(lái)。這樣的事情對(duì)于還在上學(xué)的學(xué)生來(lái)說(shuō)是個(gè)有趣的作業(yè)，但在現(xiàn)實(shí)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中卻根本不切實(shí)際。運(yùn)動(dòng)模擬軟件使用CAD裝配體模型中已有的數(shù)據(jù)幾乎可以即時(shí)地模擬翻轉(zhuǎn)滑桿的運(yùn)動(dòng)。

圖3用于計(jì)算搖臂角速度的翻轉(zhuǎn)滑桿機(jī)構(gòu)模擬。