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1、基于虚拟样机技术的弹簧挂锁 设计与优化,丁承文 吴杰 阴俊红 居翠翠 文涛,讲解思路,虚拟样机技术有什么用处？,1990年10月29日，美国波音公司正式启动波音777飞机研制计划，采用一种全新的设计与制造方式虚拟样机技术，4年半之后，于1994年6月12日直接进行了第1架波音777的首次试飞。波音777飞机的研制采用了全数字化的无纸设计技术，整机外型、结构件和整机飞机系统100%采用三维数字化定义，100%应用数字化预装配，整个设计制造过程无需模型和样机，一次成功，首次实现了整机数字化设计、数字化制造和数字化协调。对比以往的飞机研制，波音777成本降低了25%，出错返工率减少了75%，制造周期
2、从8年缩短到5年。波音777的研制成为现代产品开发新技术应用的里程碑，其采用的开发过程现在称之为虚拟产品开发，应用的开发技术称之为虚拟样机技术（Virtual Prototyping - VP），是一个经典的现代设计方法的应用例子。,虚拟设计与传统有什么区别？,虚拟样机典型代表ADAMS,机械系 统建模,几何建模 施加运动副和运动约束 施加载荷,仿真 分析,设置测量和仿真输出 仿真输出,仿真结 果分析,回放仿真结果 绘制仿真结果曲线,输入实验数据 添加实验数据曲线,增加摩擦，改进载荷 定义柔性物体和连接 定义控制,精制系统模型,验证分 析结果,与实验结果一致,重复仿 真分析,设置可变参数点 定
3、义设计变量,系统优 化分析,主要设计影响因素研究 试验设计研究 最优化研究,是,否,设计原理 下压操作手柄(handle)，挂锁就能够夹紧。 下压时，曲柄(pivot)绕最下面铰链顺时针转动，将钩子(hook)向后拖动，此时，连杆(slider)向下倾斜运动。当其中三点在一条直线上时，夹紧力达到最大值。 连杆与手柄的铰接从应该在此直线的下方移动，直到操作手柄(handle)停在钩子(hook)上部。这样使得夹紧力接近最大值，但只需一个较小的力就可以打开挂锁。,1、 能产生至少 800N 的夹紧力。 2、 手动夹紧，用力不大于 80N。 3、 手动松开时做功最少。 4、 必须在给定的空间内工作。
4、 5、 有震动时，仍能保持可靠夹紧。,弹簧挂锁技术要求,根据对挂锁操作过程的描述可知，POINT_1 与 POINT_9 的相对位置对于保证挂锁满足设计要求是非常重要的。因此，在建立和测试模型时，可以通过改变这两点之间的相对位置来研究它们对设计要求的影响。,1、创建一个包括运动件、运动副、柔性连接和作用力等在内的机械系统模型； 2、通过模拟仿真模型在实际操作过程中的动作来测试所建模型； 3、通过将模拟仿真结果与物理样机试验数据对照比较来验证所设计的方案； 4、细化模型，使你的仿真测试数据符合物理样机试验数据； 5、深化设计，评估系统模型针对不同的设计变量的灵敏度； 6、优化设计方案，找到能够获
5、得最佳性能的最优化设计组合； 7、使各设计步骤自动化，以便你能迅速地测试不同的设计可选方案。,设计方案,建物理模型并检测可行性创建一个包括运动件、运动副、刚体以及柔性连接等在内的机械系统模型。由于本次是初步设计，所以先假设所有构件为刚体。进行仿真来检验模型是否可以运动，相互之间是否有干涉等等。因为没有给模型加载，作用在模型上的力只有重力。,对模型施加载荷并再次仿真获得相关数据,通过模拟仿真模型在实际操作过程中的动作来测试所建模型。 进行仿真来检验是否把各构件和运动铰链正确地连接到了一起。在仿真过程中，手柄、钩子和连杆相对曲柄做圆周运动，而曲柄相对大地做转动。这次仿真也要通过弹簧加入两个测量获得
6、关键数据。从上图可以看出当夹角为0后,角度就始终为负值,可见已经达到了能够防震的要求。,加入传感器再次获得数据,通过模型仿真观察模型组装是否正确，传感器能否在Overcenter_angle小于或等于 0 时停止仿真。,为什么右图中曲线与横坐标的交点不是坐标零点？,验证测试结果,把仿真模拟数据同物理样机试验数据比较。通过比较，可以知道你所建的模型与实际物理模型的差别之 处，也就可以通过修改模型以消除这些不足之处。,将样机模型参数化处理,对模型进行细化处理，给关键位置的点加入更多的参数化成分。这样你就可以比较不同的模型参数对夹紧力大小的影响。,虚拟样机优化设计基本概念,ADAMS的三种参数化分析
7、方式 设计研究（Design Study） 试验设计（Design of Experiments） 优化分析（Optimization）,设计研究（Design Study）,主要考虑一个设计变量的变化对样机性能的影响。 最终的研究结果： 设计变量的变化对样机性能的影响 设计变量的最佳取值 设计变量的灵敏度,试验设计（Design of Experiments）,考虑多个设计变量同时发生变化对样机性能的影响，它包括设计矩阵的建立和试验结果的统计分析。 它可以增加获得结果的可信度，并且得到结果的速度比试错法试验或者一次测试一个因子的试验更快，同时更能有助于用户更好地理解和优化机械系统的性能。,优
8、化分析（Optimization）,通过优化分析可以获得在给定的设计变量变化范围内目标对象达到最大或者最小的情况 优化分析过程中的目标函数是一个数值表达式，可以表示质量、效率、总的材料成本、运行时间、所需的能量、样机的稳定性等等。 还有一个重要的概念就是约束，有了约束才能使得目标函数的解为有限个，有了约束才能排除不满足条件的设计方案。,进行设计研究,现在你的工作应着眼于迅速地获得一个经过改善的模型， 它能够满足说明书提出的各种要求和弹簧挂锁所有的必需动作。 在满足手柄过锁死点的条件下，要对一些点进行设计方案研究，从中找到一种方案使夹紧力达到最大值。在设置设计函数的目标函数时选择最小值选项，因为
9、计算所得的弹簧力为负值最小值实际上代表弹簧力的最大绝对值。,对第一个设计变量的研究结果,弹簧力随设计变量的变化曲线,设计变量DV-1的取值范围,弹簧力随时间变化的曲线,手柄角度随时间的变化曲线,对第一个设计变量的研究结果,设计研究报告表,从设计研究报告看以得到：第一个点的X坐标（DV-1）取不同的值时，夹紧力的敏感程度。 当设计变量取初始值的时候的敏感度为-85.471。 设计变量取1时可以获得最佳的夹紧效果。,设计灵敏度为弹簧力的改变量与曲柄位置改变量的比值。灵敏度 为曲线SPRING_1_force Vs. DV_1 的斜率。,对所有变量的设计研究结果,从这个表中可以看出，第4、3、8个设
10、计变量对夹紧力有较大的影响，下面就要对这三个变量对应的位置进行调整，以获得进一步的优化设计结果。,进行最优化设计,利用上表的设计研究结果来选择哪些设计变量应用于最优化处理。用 DV_4，DV_6，DV_8 进行最优化计，因为它们看起来对夹紧力影响最大。用这些参数进行最优化将使弹簧力达到最大值。,因为模型必须在给定的空间工作，所以要对设计变量进行如下限制：,各次迭代过程的最大夹紧力,迭代过程中设计变量4的夹紧力,迭代过程中设计变量6的夹紧力,迭代过程中设计变量8的夹紧力,迭代过程中弹簧的夹紧力,各目标函数随时间的变化曲线,弹簧力随时间的变化曲线,手柄角度随时间的变化曲线,最终的优化设计结果报告,优化设计自动化（面向用户）,这一节的设计就是为了满足挂锁的最后两项设计要求： 手动夹紧用力不超过 80N； 松开时用力不超过 5.0N。 为达到这两项要求，要迅速地、交互地试验多种不同的手柄力，因此需要使设计过程实现自动化。,通过这次设计，将现代设计方法运用于一个具体的例子，以理论联系实际，对这一方法有了更深一步的理解。应用ADAMS中的优化设计思想进行优化分析，对抽象的优化设计概念理解的更加的具体。 同时深刻体会到先到设计方法给设计工作带来的方便，快捷的好处。,谢谢！,
