气动数字样机

气动数字样机（精选三篇）

气动数字样机篇1

气动设计是飞机设计过程中的关键工作，通过气动设计，飞机由几何模型变成物理模型，这个物理模型通过大量的气动数据得以表达，对这些气动数据的管理和应用，是整个气动工作的核心工作。传统的气动数据管理存在以下问题：

(1）数据存储零散

气动设计工作中，对各飞机型号或同一型号的不同设计阶段会通过估算、CFD计算、风洞试验以及试飞等手段，得到大量的气动数据。在传统的气动数据管理中，各型号、阶段及各种手段产生的数据都独立存储，甚至采用不同的形式或格式，造成数据源、数据类型多样，数据标识不清，气动数据查阅使用困难。

(2）数据结构混乱

传统的设计工作中，气动数据大多以电子文档或纸质文件的形式进行存储，与基于数据库的存储形式相比，这些数据无法形成有效的数据结构，造成数据管理困难，数据利用率低，使得气动设计工作的效率较低。

(3）数据同步、更改困难

传统的数据管理中，数据的同步和更改一般通过发放文件和协调单的方式进行。而气动数据状态较多、更改也比较频繁，以文件方式进行数据流的传输很难满足及时性和同步性的要求。一旦飞机设计的各个专业数据不同步，将可能造成飞机设计事故，轻则造成设计反复，增加设计工作量、影响设计进度；重则造成设计失败，产品无法达到预想性能。

针对以上问题，文章提出了气动数字样机的概念。气动数字样机就是飞机气动数据的数据源，由气动力专业通过CFD、工程估算、风洞试验和试飞等手段获得气动数据并以合适的结构存入数据源中，其他专业需要气动数据时通过用户接口访问数据源按需查询获取数据，实现气动数据的统一科学管理。

1 数据结构分析

数字样机可基于成熟的数据库平台部署，比如SQL-SERVER平台。数据库技术目前已经非常成熟，对于结构性数据，可以很方便地进行添加、修改、删除、处理及分析。因此，若基于成熟的数据库平台，气动数字样机部署的核心工作是分析数据结构，按数据的逻辑关系建立数据库架构。

飞机气动数据的核心部分是六自由度的气动力和力矩数据，但根据型号、设计阶段、同一阶获取手段及计算、试验条件的不同会获得不同的气动数据，按照这些条件的层次结构，可以按以下方式建立数据的逻辑关系：（1）每个不同的型号有数据集A;(2）按型号设计阶段不同，每个数据集A包含若干数据集B;(3）按数据的获取手段不同，每个数据集B包含若干数据集C;(4）按部件不同，每个数据集C包含若干数据集D;(5）按计算、试验条件（包括迎角、侧滑角、舵面状态、起落架状态、雷诺数等）不同，每个数据集D包含若干数据集E。具体数据结构如图1所示。

2 气动数字样机应用研究

数字样机应用是指通过应用层与数据库的程序接口实现对数据的添加、修改、删除、数据处理、查询、分析、报表和打印等功能。

为保证数据库安全和按照气动设计工作流程对数据进行管理，必须对不同的数据用户提供不同的权限和界面。因此，在数字样机的应用层和底层数据库之间需要加入逻辑层，以便对用户权限进行分配和管理。

数字样机各层功能如下：（1）底层数据库。通过数据库平台对气动数据进行结构化存储；（2）应用层。应用层提供数据库接口和相应操作界面。对气动设计专业用户，提供全权限的数据管理功能；对其他专业用户，则只开放对应专业所需的数据包，并提供对该数据包的查询、分析、报表、数据处理和打印功能；（3）逻辑层。针对不同的登录用户，分配各自的数据权限和应用界面。

数字样机的数据库和逻辑层可部署在服务器上，应用层融入信息化办公平台，用户通过信息化平台和内部网络连接到服务器完成对数据的使用及操作。气动数字样机分层和数据流示意图如图2。

3 结束语

文章简要探讨了飞机气动数字样机概念，在分析飞机气动数据结构的基础上提出了相应的数据库架构和实现路径，并对气动数字样机的具体应用方向做了预先研究，为飞机气动数字样机的真正实现和部署提供了一个可行的思路。显而易见，气动数字样机可以使气动数据管理变得科学、规范和高效，能显著地提高气动设计的效率，具有很好的应用前景。

摘要：文章介绍了飞机气动数字样机概念,气动数字样机是对飞机气动数据进行科学统一管理和发布的数据源,通过将多种方式获得的飞机型号气动数据以合理的数据结构存入数据库中并实现相应的输入输出和管理接口来实现。

关键词：气动数据管理,气动数据源,气动数字样机

参考文献

[1]数据结构(C语言版)[M].清华大学出版社,1997.

[2]飞机设计手册(第六册)[M].航空工业出版社,2002.

[3]C#3.0从基础到项目实战[M].化学工业出版社,2010.

气动数字样机篇2

近日，欧特克宣布ITAMCO公司采用多种欧特克数字化样机工具，为表彰ITAMCO公司使用欧特克产品设计套件中的Autodesk Inventor三维设计软件以及欧特克工厂设计套件等在该领域取得的突出成绩，欧特克于2014年1月授予其“Inventor先锋”称号。

ITAMCO公司总部位于美国印第安纳州的普利茅斯，为各行各业的原始设备制造商（OEM）提供精密的机械零部件，服务的行业包括石油、天然气、可再生能源、采矿、建筑、航空航天和国防工业等。随着业务的不断扩大，为确保满足工厂车间组织管理和工作效率的5S标准，ITAMCO公司在对新增的生产单元和设备进行布局设计时，广泛了采用机械设备及工厂设计套件。ITAMCO技术经理Joel Neidig说道：“齿轮制造得越精密，性能就越优越。在齿轮的设计和制造工艺过程中运用Autodesk Inventor三维设计软件，使我们成功地制造出公差为

0.00004英寸的齿轮——该公差已经达到亚微米级，非常精确。”另外，欧特克工厂设计套件允许用户在完成布局设计前以数字方式优化工厂布局。

气动数字样机篇3

振动系统的刚度、阻尼和质量是振动系统的3个要素。对一个比较复杂的系统来说, 阻尼和刚度的获得存在很大的障碍[1]。本文对气动振动精密排种器[2]进行了试验设计, 获得了设备在稳定工作时的振幅和频率等数据, 并在简化模型的基础上, 通过Matlab振动仿真, 得到排种器刚度和阻尼等参数。将由Pro/E建立的三维实体模型导入动力学仿真软件ADAMS中, 建立虚拟样机, 并进行仿真。在六自由度上对系统的刚度、阻尼进行了参数化设计, 仿真结果得到了系统在不同方向上的刚度、阻尼对系统振动响应的影响, 并优选了刚度和阻尼等参数, 使虚拟样机仿真结果与试验数据的误差减小, 为虚拟样机的进一步参数化设计、进行虚拟试验以及优化工作参数打下了重要基础。

1 试验研究

1.1 试验参数的选择

1.1.1 安装倾角

设计倾角可调范围为4°～10°。本试验预选的安装倾角为α0=7°。

1.1.2 振动方向角δ试验证明, 当振幅较小时, 振动方向角对物料的输送速度有明显的影响。为使排种器得到较高的速度, 可取较大的振动方向角。本次试验选取微幅振动, 预选δ=35°。

1.2 试验过程及结果

本试验采用FP-18-MFP气动活塞式振动器, 将其安装在气动振动盘的中间位置。监测设备采用AWA6290A型多通道噪声振动分析仪。按照试验参数, 调整排种盘面倾角α0=7°和振动方向角δ=35°。空气压缩机为气动振动器提供气源, 由空气调压阀控制进气压力。测得不同压力水平时的频率及水平方向的振幅Az, 如表1所示。

1.3 试验数据分析及仿真

将气动振盘系统简化成单自由度有阻尼强迫振动系统, 其振动方程为 $m \overset{\cdot \cdot}{x} + c \dot{x} + k x = F_{0} \sin ω t$ [3]。其稳态振幅公式为

$A = \frac{F_{0}}{k \sqrt{(1 - λ^{2})^{2} + (2 ξ λ)^{2}}}$

式中 A—振动方向上的振幅, A=Az/cosδ;

F0—振动压力;

k—刚度系数;

λ— 频率比, λ=ω/ωn (ω为工作频率, ωn为系统固有频率) ;

ξ— 阻尼比, ξ=c/ (2mωn) ;

m—振动质量;

c—阻尼系数。

按上述公式在Matlab中编程进行数值仿真[4], 选取相邻二压强的振幅和频率代入上式求解, 得到的实数解取平均值, 得到其阻尼c=2×105N·s/m, 刚度k=1.45×108N/m。

2 三维模型的建立及传递

在Pro/E中, 在草绘的基础上, 主要采用拉伸、旋转和扫描等特征的综合应用, 并根据设计尺寸建立各零件三维立体模型, 通过匹配与对齐等相关的装配功能进行装配[5]。

通过ADAMS与Pro/E专用接口软件Mech/ Pro程序, 将排种器导入动力学分析软件ADAMS中。根据排种器的工作特点, 利用 Mech/Pro软件导入ADAMS的过程如下[6]:

1) 打开装配好的Pro/E文件, 将所有零件及组件的单位都改成mmks (毫米千克秒) 。

2) 用Mech/pro生成刚体。选择MECH/Pro→Set Up Mechanism→Rigid Bodies→Create→by selection;点选组成支架的所有零件, 点选down/return, 再选择by selection, 点选排种器振动种盘上的所有零件, 点down/return。

3) 导出模型到ADAMS。选择MECH/Pro→Interface→ADAMS/View ( “Only Write Files”项选“No”) , Pro/E自动打开ADAMS/View, 并导入模型。

3 虚拟样机的建立及仿真

3.1 添加约束

导入ADAMS的零件需要添加约束。为了避免冗余约束影响仿真失败, 本例按上述方法只生成支架和振动盘两个刚体。将支架与大地添加固定约束;振动盘与支架间添加柔性连接力—轴套力 (Bushing) , 将轴套力加在气动振盘的质心;按Matlab中的仿真结果, 分别把文本框中所有的K与c均修改成145和0.2。

3.2 施加激励

在力工具库中选择力, 按上述试验中P=0.20MPa时的激振力, 在Y (竖直) 方向添加激振力为:F*SIN (35) *SIN (2*PI*w*TIME) , Z (水平) 方向添加的激振力为F*COS (35) *SIN (2*PI*w*TIME) 。将力加在气动振动器的安装支架的安装孔上。添加约束及激励后的虚拟样机如图1所示。

按设计修改振动盘的质量为3.5kg。

3.3 振动仿真

将虚拟样机在ADAMS中进行仿真, 设置仿真时间为0.2s, Step为200。用Measure命令对气动振动盘的质心水平上位移进行测量, 并导入Postprocessor测量 (如图2所示) 。稳定工作时, Z方向的振幅为38.3μm。对比表1的数据可以看出, Z方向的振幅与试验测得的数据 (65.8μm) 相差约27.5μm。该差距可能是由于刚度和阻尼系数输入的数值造成的。

因为Bushing实际上是1个六分量的弹簧结构, 所以可以指定6个自由度上的个刚度和阻尼系数。仿真测试时, 输入刚度和阻尼系数是将系统简化成单自由度有阻尼强迫振动系统仿真, 并求平均值的结果, 而且是将6组数据均按仿真数值输入, 也没有考虑重力加速度的影响。为了解本系统在不同方向上的刚度和阻尼系数的变化对系统振动响应产生的影响, 下面利用ADAMS对系统刚度以及阻尼系数进行参数化设计。

4 虚拟样机优化设计

4.1 定义设计变量

单击菜单Build → Design Variable → New, 采用绝对值方法确定设计变量的变化范围。根据数值仿真时计算的结果, 分别设置标准值为145, 0.2, 设计范围分别为50～500, 0～1, 并将变量参数化。变量参数化后Bushing对话框如图3所示。

4.2 参数化设计研究

首先进行设计研究。单击Simulate → Design Evaluation→Design Study, 运行研究设计, 利用Design Variables分别测算各参数对位移改变量的敏感程度。输入框分为4次输入上述4个设计变量, 在Default Levels 输入5, 分别进行5次测算。测算结果表明, Trans_stiff (移动刚度) 和 Trans_damp (移动阻尼) 对Y与Z方向上的位移有影响, 而rot_stiff (转动刚度) 和rot_damp (转动阻尼) 在所选范围内对各方向位移均无影响。

为进一步明确是哪个方向上的参数变化对位移有影响, 按上述步骤, 分别对Trans_stiff和Trans_damp在X, Y, Z等3个方向上分别进行参数化设计。参数化后的Bushing对话框如图4所示。

设计结果表明, Z方向位移的变化主要是受trans_stiff_y 和Trans_damp_y的影响, 而这两个变量对振动盘Y方向位移基本无影响。两变量对Z方向位移影响测试如图5和图6所示。分析ADAMS提交的Information数据还表明, 当刚度超过3.78×108 N/m、阻尼系数超过0.5×105 N·s/m时, 位移随参数变化的敏感度显著下降。

4.3 试验设计

考虑改变Z方向位移的主要影响因素, 根据设计研究结论, 修改设计参数范围:刚度修改为50～380, 阻尼系数为0～0.5。default Lever输入4, 进行16次试验设计。试验结果如图7所示。结合Information提交的报告, 根据试验设计组合优选trans_stiff_y为3.5×108N/m, Trans_damp_y为0.17×105N·s/m, 在后处理程序中测量优化后稳定工作的振幅约为65.5μm, 与试验测定值 (65.8μm) 仅相差0.3。二者的仿真对照如图8所示[7]。

5 结论

1) 将气动振动排种器简化成单自由度有阻尼强迫振动系统, 并利用试验数据在Matlab中仿真, 初选了系统的阻尼系数c=2×105N·s/m, 刚度系数k=1.45×108N/m。

2) 在Pro/E中建立气动振动排种器的三维模型并导入ADAMS, 添加了约束和激振力, 建立了虚拟样机。仿真结果表明, 虚拟样机能够在试验采用的激振力的作用下产生微幅振动。

3) 针对虚拟样机仿真结果与试验数据的差异, 在六自由度上将虚拟样机的刚度和阻尼系数进行参数化设计, 确定影响Z方向位移的主要因素为trans_stiff_y 和trans_damp_y, 通过试验设计优选二参数分别为3.5×108N/m和0.17×105N·s/m, 使虚拟样机的仿真结果与试验数据基本吻合, 为进一步对虚拟样机其它工作参数的优化打了重要基础。

摘要：通过对气动振动式精密排种器的分析, 建立了试验模型, 并进行试验;在简化振动模型的基础上, 在Mat-lab中利用试验数据进行振动仿真, 初选了系统振动刚度系数及阻尼系数等参数。将由Pro/E建立的排种器三维模型导入ADAMS中, 建立了虚拟样机;针对虚拟样机仿真结果与试验数据的差异, 在六自由度上对系统的刚度及阻尼进行了参数化设计, 得到了不同方向上刚度、阻尼系数对系统振动位移的影响, 并优选了虚拟样机的刚度和阻尼, 使虚拟样机更加完善, 为进一步利用虚拟样机进行工作参数的优选打下了重要基础。

关键词：排种器,试验,虚拟样机,优化设计

参考文献

[1]刘延柱, 陈文良, 陈立群.振动力学[M].北京:高等教育出版社, 1998.

[2]周海波.水稻秧盘育秧精密播种机的关键技术研究与应用[D].长春:吉林大学, 2009.

[3]闻梆椿, 刘凤翘.振动机械的理论及应用[M].北京:机械工业出版社, 1982.

[4]蒋志峰, 楼易.用MATLAB进行单自由度系统机械振动试验[J].力学与实践, 2004, 3 (26) :86-88.

[5]张选民.Pro/ENGINEER Wildfire3.0实例教程[M].北京:北京大学出版社, 2008.

[6]李军, 邢俊文, 覃文洁.ADAMS实例教程[M].北京:北京理工大学出版社, 2002.

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