机械运动仿真和有限元分析技术
（浙江大学城市学院机电0905）
【摘要】本文主要对机械运动仿真和有限元分析技术概念、机械运动仿真和有限元分析软件使用过程有所了解，以及对PROE机械运动仿真和有限元分析使用案例进行分析
【关键词】机械运动仿真有限元分析 PROE案例
一、引言
目前，许多国内外的大型辅助设计软件，都包含了机械装配和运动学仿真的功能模块，例如PTC的Pro／Engineer，SDRC的1一DEAS，MATRA的EUCl ID软件及DES的UG等。
机械产品的运动分析和仿真已经成为计算机辅助工程(CAE)
中不可缺少的重要环节，同时也成为机械设计的必经过程。
进行机械产品设计时，通常要进行机构的运动分析，以此来验证机构设计的合理性和可行性。
机构运动仿真技术就是通过对机构添加运动副、驱动器，使其运动起来，以实现机构的运动模拟。
此外，运用机构中的后处理功能可以查看当前机构的运动，并且可以对机构进行运动速度、轨迹、位移、运动干涉情况的分析，为研究机构模型提供方便。
在机械系统计算机辅助工程即MCAE领域内，根据数值分析求解机理和求解问题范围不同，常用的CAE技术有：有限元分析（FEA）技术；（固体力学范畴）计算流体动力学（CFD）分析技术；（流体力学范畴）刚体动力学分析（RBA）技术。
二、机械运动仿真和有限元分析技术概念
机械运动仿真技术是一种建立在机械系统运动学、动力学理论和计算机实用技术基础山的新技术，涉及建模、运动控制、机构学、运动学和动力学等方面的内容，主要是利用计算机来模拟机械系统在真实环境下的运动和动力特性，并根据机械设计要求和仿真结果，修改设计参数直至满足机械性能指标要求或对整个机械系统进行优化的过程。
机械运动仿真的过程如图：
通过机械系统的运动仿真，不但可以对整个机械系统进行运动模拟，以验证设计方案是否正确合理，运动和力学性能参数是否满足设计要求，运动机构是否发生干涉等还可以及时发现设计中可能存在的问题，并通过不断改进和完善，严格保证设计阶段的质量，缩短了机械产品的研制周期，提高了设计成功率，从而不断提高产品在市场中的竞争力。
因此，机械运动仿真当前已经成为机械系统运动学和动力学等方面研究的一种重要手段和方法，并在交通、国防、航空航天以及教学等领域都得到了非常广泛的应用。
机械系统的运动仿真可以采用VB、OpenGL、3D max、VC等语言编程实现，也可以使用具有运动仿真功能的机械设计软件（如ADMAS、Pro/E、EUCLID、UG、Solid Edge等）实现，而且，随着计算机软件功能的不断强大和完善，用软件进行运动仿真是一种省时、省力而用高效的方法，也是机械运动仿真发展趋势。
有限元分析技术，即CAE（Computer Aided Engineering），即计算机辅助工程。
它是计算机仿真技术的一大分支，是通过计算机程序建立仿真数学物理模型，并对其进行求解的技术。
CAE的覆盖范围很广，比如将教科书上的一个公式通过计算机编程后进行重复计算的简单过程，就属于CAE的范畴。
在这里，我们通常所说的CAE是指工业级的CAE，即通过一系列的工具和求解器对工程结构进行数值仿真的技术。
CAE出现和发展的三大条件：数值分析方法；计算机仿真分析软件，计算机
机械运动仿真步骤示意图
硬件。
上个世纪四十年代，第一台计算机问世，同时也拉开了CAE的序幕。
到了上世纪五十年代末、六十年代初，有限元法被提出。
在很长一段时间内，由于文化上的阻力和自身能力的限制，CAE技术在工程领域一直出于配角的位置，不能完全被人们接受。
直到上世纪八、九十年代，随着电子计算机的日益普及和数值分析在工程中的作用日益增长，以及许多优秀的大型的商业化CAE软件的不断涌现和走向成熟，CAE技术衍生出许多分支并成为工程分析中必不可少的工具。
有限元分析方法的分类在机械系统计算机辅助工程即MCAE领域内，根据数值分析求解机理和求解问题范围不同，常用的CAE技术有：
有限元分析（FEA）技术；（固体力学范畴）计算流体动力学（CFD）分析技术；（流体力学范畴）刚体动力学分析（RBA）技术
机构运动分析模块(Mechanism)是Pro／ENGINEER Wildfire中一个集运动仿真和机构分析于一身的功能强大的模块。
利用该模块，当各个零部件通过装配模块组装成一个完整的机构以后，设计师就可以在Pro／ENGINEER中直接启动机构运动分析模块，根据设计意图定义机构中的连接、设置伺服电机，然后运行机构分析，观察机构的整体运动轨迹和各零件之间的相对运动，以检测机械的干涉情况。
而且，利用该模块，设计师还可以进行各种的测量工作，并把分析结果保存成影片的形式。
三、PROE机械运动仿真和有限元分析使用案例进行分析
机构运动仿真是在P 0／E系统的装配模式中进行的，其Mech—anism功能专门用来处理装配件的运动仿真。
机构运动仿真的设计过程如图1所示，主要可分为以下几个总体方案设计主要是利用已知条件，以及希望达到的目的或机械应实现的功能，进行机械的全局设计，在头脑中构思形成比较完善的设计方案。
建立运动模型是指进行机械各部分的具体设计，首先确定各零件的形状、结构、尺寸和公差等，并在计算机上进行二维绘图和三维实体造型，然后通过装配模块完成各零件的组装，形成整机。
装配是运动仿真的前提保障，装配关系的正确与否直接影响着运动仿真的结果，装配前首先要确定运动的各构件以及各构件之间的运动副。
确定好各构件及各构件之间的运动副之后，即可通过选择构件和运动副组成机构，最后由各机构组成整机。
并为仿真作准备。
设置运动环境是定义机械系统运动所必需的各种条件，比如．运动的动力源，初始位置和状态等。
在复杂的机械系统中，要定义多重的动力驱动，并要定义不同驱动之间的大小方向等的关系，还要约束机构的最大和最小运动极限，使系统能在合理的范围中运动。
在已建立运动模型的基础上，此步骤将赋予模型运动的属性。
系统将在此定义下完成要求的运动。
RBA就利用计算机辅助分析技术，进行对由各种连接形式刚体单元组成的机械系统的运动学、动力学分析，已确定系统及其各构件在任意时刻的位置、速度加速度，同时，通过求解代数方程确定引起系统及其各构件运动所需的作用力及反作用力。
RBA的应用是与虚拟样机技术密不可分的。
机械工程中的虚拟样机技术又称机械系统动态仿真技术，是国际上20世纪80年代随着计算机技术的发展而迅速发展起来的一项CAE技术。
工程师在计算机上建立样机模型，对模型进行各种动态性能分析，然后改进样机设计方案，用数字化形式代替传统的实物样机试验。
分析运动机构是定义要分析的属性。
在PRO／M 中包括装配分析，速度
分析，静态分析，运动分析等多种分析类型。
通过对系统的各种动态分析，可迅速得到相关的信息，以此设计和完善构件。
获取分析结果是将分析的结果通过可视化的方法表现出来，主要包括运动回放，可分析干涉检验，运动包络等，还可测量系统中需要跟踪的参数，并将其变化趋势通过图表的形式直观的表现出来。
在整个机械系统运动仿真的过程中，各步骤之间并非绝对的线性或单方面，而是相互关联和影响的，通过分析反馈信息，完善运动模型，变化运动环境，以及分析的结
果对比，各步骤之间综合的调整和作用，才会使最终结果趋向满意
Pro／E机构运动仿真的主要工作就是完成装配和定义连接，添加驱动器，运动仿真和结果回放。
本文将以创建汽缸运动机构的运动仿真的过程为例，来介绍机械仿真设计的基本过程。
首先，将机构各元件使用三维实体建模模块创建后，存放在同一工作目录中。
创建元件连接使用浏览的方式打开如图2所示元件1，并在系统缺省位置固定此机架零件作为基础。
使用销钉的连接方式分别连接如图1所示的元件1和元件2，元件2和元件3，在元件3和元件4之间先用销钉连接，并再添加滑动杆连接。
如图3
添加驱动器①进入Mechanism模块。
②单击右工具箱中
的按钮，在系统打开的对话框中单击新建按钮，新建一个驱动器，并将该
驱动器安装在如图1所示的连接轴2处。
⑧选中轮廓选项卡，在规范分组框中选择速度选项，在模分组框中选择常数选项，并将A值设为“36”。
进行机构仿真①单击●按钮，在分析对话框中选择新建，打开分析定义对话框。
②在类型分组框中选择运动选项，在图形显示分组框中输入结束时间：“10”、帧频“10”、最小时间间隔：“O．1”。
③在分析对话框中单击确燕按钮，即可观察曲柄滑块机构的运动。
查看和分析仿真结果单击按钮，打开回放对话框，回放该机构的运动情况。
②
单击按钮，打开测量结果对话框，单击测量分组框中的按钮，弹出测量定义对话框。
在类型分组框选择速度选项，选择如图2所示的连接轴3上PNTO 点作为测量点。
⑧回到测量结果对话框中，在结果集中选择measure1并单击测量结果对话框中的按钮，可得到连接轴3上处的PNTO点的速度如图4所示。
从以上实例可以看出，Pro／E提供了完善的仿真功能，使得原来在二维图纸上难以表达和设计的运动变得直观和易于修改。
使用三维实体建模模块创建模型后，既可模拟模型的运动过程，分析机构的运动轨迹、位移以及干涉等问题，还可以将仿真的结果输出，生成MPEG、JPEG等格式的文件，帮助用户更好的完成机构设计，并且能够大大简化机构的设计开发过程，缩短其开发周期，减少开发费用，同时提高了产品质量.。