1000.0 500.0 0.09
0.0 0.075 -500.0 -1000.0 0.06
-1500.0 0.045
-2000.0
-2500.0 0.03 0.0
0.0187
CM_Position.X CM_Velocity.X CM_Acceleration.X
10.0 5.0
0.0
-5.0
0.0375 Time（s）
76
文章编号：1001-3997（2012）04-0076-02
机械设计与制造 Machinery Design ＆ Manufacture
第4期 2012 年 4 月
基于 ADAMS 的摆盘机构动力学仿真分析
刘剑钊 1 党建军 2 张进军 2 （1 中国工程物理研究院 总体工程研究所，绵阳 621900）（2 西北工业大学 航海学院，西安 710072）
（4）
缸体固定不旋转，摆盘的运动只是空间周期性摆动。与传统平面曲 柄连杆活塞发动机相比，具有结构简单紧凑，功率质量比大，振动噪 声小，背压对发动机功率影响小等特点。摆盘机构运动复杂，参数繁
任一时刻 tn 的位置确定，可由约束方程的牛顿—拉夫森
（Newton-Raphson）迭代方法求得：坠准 坠qj
图 1 摆盘机构整机装配模型
3.2 ADAMS 仿真模型
在确认没有装配体模型丢失或失真的情况下，设置各构件
的材料密度，计算得到各构件的质量。通过对构件添加约束（运动 副、驱动、阻力矩、接触力），使各个独立的构件形成有机整体，反 映机构运动结构特点。完成上述前处理后，得到了摆盘机构的 ADAMS 仿真模型。
3.1 三维实体模型
针对摆盘机构有多个零件组成，个别零件结构复杂，直接利
用 ADAMS 自身建模功能很难完成三维实体建模的问题，采用
＊来稿日期：2等：基于 ADAMS 的摆盘机构动力学仿真分析
77
UG NX 建模，建模过程遵循摆盘机构自身原理结构进行从下至 顶式方法，通过建立各部件的三维实体模型，进行装配并最终完 成整机建模，如图 1 所示。
（2）
＊ ＊ k
式（1）和（2）可以统一表示为：准（q，t）=
准（q，t）
D
=0
准 （q，t）
（3）
tn 时刻速度、加速度的确定，可由约束方程求一阶、二阶时间
导数得到：坠准 q觶 =- 坠准 坠q 坠t
（6）
觶2
nn
2
觶
ΣΣ 坠准
q咬 =-
坠觶
觶
Ω
坠 t 觶
觶觶
22
觶
+
k=1
l=1
坠准 坠qk 坠ql
（2School of Marine Engineering，Northwestern Polytechnical University，Xi’an 710072，China）
【摘 要】简要介绍了摆盘机构组成和工作原理，建立摆盘机构三维模型，运用机械系统动力学分 析软件 ADAMS 对机构进行动态仿真分析，得到关键运动部件的运动规律曲线和动力学分析曲线，结果 表明 ADAMS 对复杂机构的仿真准确可靠，得到了活塞与连杆轴线不重合导致的扰动与气缸壁间侧压 力和力矩分析曲线，零部件间冲击和扰动产生的动力学响应，为摆盘机构减震降噪的优化设计提供了 重要参数。表明了 ADAMS 对复杂机构进行仿真分析的可行性，对相关研究具有借鉴意义。
表 1 研究的稳定工况
第一组工况 第二组工况
航速 40kn 50kn
航深 50m 400m
燃烧室压强 13MPa 27MPa
10.0
Velocliy（meter/sec）
5.0
0.0
-5.0
.liangan.CM_Velocity.X
-10.0
0.0
0.05
0.1
0.15
0.2
Time（sec）
图 2 连杆质心 x 方向速度曲线
中图分类号：TH16，TP391.7 文献标识码：A
1 引言
对 ADAMS 运动学方程求解：在 ADMAS 仿真软件中，运动
摆盘机构[1]作为一种新型发动机动力总成核心组件，适合大深 学分析研究零自由度系统位置、速度、加速度和约束反力，因此只
度大功率 UUV（水下无人航行器）使用。摆盘轴线的轨迹是圆锥面， 需求解系统约束方程：准（q，t）=0
存在运动副的连接，设运动副的约束方程数为 nh，用系统广义坐
标矢量表示的运动学约束方程为：
k
准（q）=
＊准k1（q），准k2（q），…，准knh（q）＊=0
（1）
又因为在考虑运动学分析时，系统具有确定运动，所以要使
系统实际自由度为零，因此对其施加等于自由度（nc-nh）的驱动
D
约束：准 （q，t）=0
q觶 k q觶 l
觶 觶 觶 觶觶 觶
坠q
觶 觶 觶 觶 觶
觶
+觶
觶觶 觶
坠 坠
坠T 坠q觶
q觶
坠 坠q
坠准 坠t
q觶
觶 觶 觶 觶觶
觶
（7）
tn 时刻约束反力的确定，可由带乘子拉格朗日方程得到：
觶 觶 觶 觶 觶 觶 觶 觶 T
坠准 坠q
λ=- d dt
坠T 坠q
T 坠T - 坠q觶
T
-Q
（8）
3 摆盘机构虚拟样机模型
0.0562
-10.0 0.075
图 4 某 2 个循环内活塞运动规律曲线
在时间 t=0s、t=0.0375s 和 0.0750s 时，活塞位于前止点。t=
0.0187s、t=0.0563s 时，活塞位于后止点，活塞完成 4 个冲程，即 2
个循环。从图中还可以看出活塞运动是典型的简谐运动。加速度
在某些位置如波峰、波谷处会有突变，这种突变容易引起机构的
|△qj =准（qj tn）
式中：△qj =qj+1 -qj —第 j次迭代。
（5）
多，难以建立完整数学模型进行理论计算，借助机械系统动力学仿
真软件 ADAMS，对摆盘机构虚拟样机模型进行运动学和动力学分
析，得到不同工况下摆盘机构的运动规律和动力学响应。
2 多刚体运动学理论
利用 ADAMS 建立机械系统仿真模型时，系统中各构件之间
4 ADAMS 动力学仿真分析
以完成了前处理的摆盘机构虚拟样机[2]模型为研究对象，在
ADAMS/View 下进行仿真分析。研究的稳定工况，如表 1 所示。以 第一组工况（航速 40kn，航深 50m，燃烧室压强 13MPa）的仿真结 果进行说明。从图 2、图 3 可以看出连杆质心在 x 方向速度呈周 期性变化，与活塞往复运动吻合，峰值速度为 6.442m/s；连杆质心 在 y、z 方向上的速度比 x 方向上小很多，但是可以从速度曲线看 出连杆质心做周期性空间复杂运动[3]。
的位移、速度、加速度曲线变化规律成三角函数规律。位移曲线幅
值约为 0.071m，即活塞的冲程。速度曲线峰值约为±6.445m/s，加
速度曲线峰值约为±1551.2m/s。
Acceleration（meter/sec**2） Velocliy（meter/sec）
Length（meter） 1500.0 0.105
关键词：摆盘机构；ADAMS；动态仿真；动力学 【Abstract】It gives a detailed introduction of the constitution and operating principle of wobble plate，and sets up its three-dimensional model.By applying the ADAMS-software for dynamics analysis of mechanism, the dynamic simulation of the wobble plate is analyzed.And the motion regulation curves and dynamics analysis curves for some key parts are obtained.The result suggests that ADAMS-based simulation analysis can bring about dynamic response between impulse and disturbance among the components，hence correct and reliable，and the disturbance caused by misalignment between piston and axis of link is ob － tained，as well as analysis curves for force within the piston and cylinder wall and the torque.The research offers significant parameters for optimizing the design of wobble plate in the aspect of shock absorption and noise reduction.It shows that ADAMS-software being applied for analysis complex mechanism is feasible and shall provide reference for similar study. Key words：Wobble plate；ADAMS；Dynamic simulation；Dynamics
0.0563 Time（s）
0.0656
0.075
图 6 1 个循环内活塞与缸壁的作用力