基于ADAMS的机械四连杆机构运动仿真分析

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　　摘  要： 机械四连杆机构是机械类的典型机构，其设计与运动分析具有很强的理论性和实践性。针对作图法和解析法对该类机构进行运动分析的不足，在基于经典机构学理论的基础上，采用ADAMS（Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems）动力学仿真方法，可实现对铰链四杆机构的运动特性的直观、高效而准确的计算机辅助分析。然后，采用多体系统动力学理论，通过ADAMS分析了机构的简化方法并进行运动学仿真，对四连杆机构中杆件的传动角、位移、速度及运动轨迹进行了分析。
　　关键词： 四连杆机构;多体系统动力学;ADAMS运动仿真
　　中图分类号： TP391    文献标识码： A    DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2020.02.035
　　【Abstract】： Mechanical four-bar linkage is a typical mechanism of mechanical category. Its design and motion analysis have strong theoretical and practical properties. In view of the shortcomings of drawing method and analytical method in kinematic analysis of this kind of mechanism， on the basis of classical mechanism theory， Adams （automatic dynamic analysis of mechanical systems） dynamic simulation method can be used to realize the intuitive， efficient and accurate computer-aided analysis of the kinematic characteristics of the four-bar mechanism. Then， based on the multi-body system dynamics theory， the simplified method of the mechanism is analyzed by Adams and the kinematic simulation is carried out. The transmission angle， displacement， speed and motion track of the members in the four-bar mechanism are analyzed.
　　【Key words】： Four-Bar linkage mechanism; Multi-body system dynamics; ADAMS motion simulation
　　0  引言
　　机械四连杆机构是一种机械类的典型机构，常见的平面连杆机构分为曲柄摇杆机构、双曲柄机构、双摇杆机构。这些类型的机构在生活中运用比较广泛，例如汽车刮雨器、普通缝纫机动力部分等是曲柄摇杆机构，例如火车驱动轮等是双曲柄机构，例如港口用起重机吊臂等。机械四连杆机构主要由三部分组成，主要包括机架、连架杆、连杆。机械四连杆机构具有很多优点：四杆机构能够承受较大的载荷，各杆件之间的连接处容易润滑;加工制造简便，其运动精度较高;相邻两构件之间的接触相对封闭;四杆机构的构造能够实现许多种运动规律和轨迹需求。通常机械四连杆机构的主要有急回、压力与传动角、死角三个特性[1]。通过运用ADAMS对机械四连杆机构进行运动仿真分析，能够更深入地理解多体动力学理论，能实现对铰链四杆机构的运动特性的直观而准确分析。
　　1  多体系统动力学理论与应用
　　对多体系统动力学问题的研究是当今力学领域的研究热点和难点之一，利用该理论能解决机械、航空、航天、兵器、机器人等领域中出现的机械问题[2]。多体系统是指由多个物体通过运动副连接的复杂机械系统。多体系统动力学的根本目的是应用计算机技术进行复杂机械系统的动力学分析与仿真。求解与建模是多体动力学分析的两个阶段，多体动力学理论源于经典力学理论，该系统最常见的情况是质点自由和刚体数量较少[3]。通過对此的学习可以对该种动力学的基本理论有较深入的了解，为运用ADAMS进行机构运动仿真的理论基础。
　　利用该动力学理论可以对机械系统的动态性进行评估，也能够对机械系统的优化设计提供理论与技术支持。在很多重要重大的工程领域都需要利用多体系统动力学来指导建模、设计和控制。这种力学理论对我国解决众多工程问题，如方法建模、策略求解、控制设计、软件开发、创新发明的研究具有很多的发展潜力与优势。在多体动力学分析中，经常使用矢量力学或者分析力学这两种原理来解决力学中常见的问题。矢量力学是利用Newton-Euler（N/E）方法进行隔离体分析。分析力学是利用Lagrange方程从系统的能量角度入手建立动力学方程。Kane方程拥有矢量力学的隔离分析特性，也有分析力学的能动分析特性[4]。无论使用哪种原理方法，各动力学求解方程与使用原理都具有等同性。
　　多体系统动力学方程求解时，其系数矩阵均为高度非线性，并且求解过程中初始条件或参数出现微小改动或者计算产生误差，这些变动的积累都将可能使ADAMS建模仿真的结果出现很大偏差并且最终可能导致发散[5]。
　　1.1  动力学理论基础 　　动力学是指研究物体在做机械运动时，与之相对应产生相互作用力，研究该运动与力的关系的一门学科。动力学拥有三大基本定律：第一定律（惯性定律）是指不受力作用的质点，将保持静止或作匀速直线运动。质点保持其初始运动情况的属性称为惯性。第二定律（力与加速度关系定律）是指质点的质量与加速度的乘积，等于作用质点所受的力，质点运动的加速度的方向与即为力的方向。
　　第三定律（作用与反作用定律）是指两个物体间相互作用的作用力和反作用力总是大小相等、方向相反，沿着同一作用线同时分别作用在这两个物体上[6]。
　　1.2  质点动力学的两类基本问题
　　在质点动力学中通常存在两类基本问题，我们需解决这两类问题来对质点动力学进行分析。第一类基本问题：已知质点的运动，求作用在质点上的力。这类问题其实质可归结为数学上的求导问题。第二类基本问题：已知作用在质点上的力，求质点的运动[7]。这类问题其实质可归结为数学上的解微分方程或求积分问题。在解决这两种问题时，通常采用两种坐标法：相对坐标系法为在每一个研究的质点上添加一个特定坐标系，是质点动力学最常用的求解方法;绝对坐标系法是用唯一的坐标系代表整个系统的状态，这种坐标系法求解计算效率低，使用率不高。
　　2  多体动力学与ADAMS仿真联系
　　2.1  多体动力学仿真步骤
　　在解决多体动力学问题时，通常采用以下步骤：（1）问题的描述、定义和分析;（2）建立仿真模型;（3）数据采集和筛选;（4）仿真模型的确认;     （5）仿真模型的编程实现与验证;（6）仿真试验设计;（7）仿真模型的运行;（8）仿真结果的输出、记录;（9）分析数据，得出结论[8]。
　　2.2  多体动力学专用分析软件ADAMS
　　ADAMS是一种机械系统动力学分析软件，该软件主要用于开发虚拟样机分析。ADAMS是目前机械系统动态仿真分析软件在国际建模仿真运动软件中应用相对广泛，其动力学分析功能强大，有多个专业模块适合不同行业需求，但三维建模功能较差，可从其它三维软件导入[9]。
　　利用ADAMS软件可以分析出所研究的机械产品的运动特性。ADAMS运动运动仿真分析时，首先分析机械系统由哪些机构组成，确定其中的构件与自由度，选定构件中的运动副，并根据实际长度选取合适的比例尺，确定各杆件之间的位置，设计出四连杆机构的运动简图。其次，为使四连杆机构的运动学研究更简单便捷，在利用ADAMS软件初始建模时，往往通过高副低代进行仿真分析，最后通过分析机构的六个自由度来确定运动构件。最终，在ADAMS中仿真出四连杆机构的运动轨迹与动态曲线[10]。
　　通过分析了机械四连杆机构的组成后，在ADAMS软件中导出四连杆机构的运动简图，确定了该构件中机架的长度，以及摇杆、连杆之间的位置关系，确定哪一个是主动件，哪一个是从动件。如图1所示，ADAMS软件中具有创建模型的功能区，在该功能区可以进行实体建模，并设定运动副，通过驱动与施加力等仿真模块来给予模型进行运动仿真。最后通过图2所示的连接关系功能区模块来确定各构件之间的关系。各运动副包括构件之间的固定副、移动副、旋转副等。并通过驱动模块给摇杆添加驱动力，模拟四连杆机构运动的实际运动情况。最后在设置框里添加所需的仿真参数。利用多体动力学原理来指导ADAMS进行仿真，最后采用多体动力学理论来验证仿真曲线或者仿真动态图准确性。这样就可以通过ADAMS的仿真将运动过程大大简化，减少了运动学研究的工作量，并且提高了辅助分析的精确性与高效性[11]。
　　
　　3  典型的机械四连杆机构运动仿真
　　3.1  平面四杆机构理论知识
　　平面连杆机构在现代工程机械和现代农业机械中应用相当广泛。通过曲柄摇杆机构、导杆机构、曲柄滑块机构三种机构的逐渐演变，形成了铰链四杆机构。平面四杆机构作为现代机械中较为经典的机械系统中的一种。在研究平面四杆机构时，主要研究四杆机构的分类，是否存在曲柄，以及摇杆最大转动角，曲柄与摇杆之间的压力角、传动角之间的关系，机构不同位置的死点问题[12]。在图3所示中，四杆机构中的摇杆在左右两边存在极限位置，AB作为该机构的曲柄，以一定的角速度做匀速转动，BC为连杆，CD作为从动件，CD杆绕着D点转动，C1、C2为CD杆转动时的两个极限位置时的极限点，CD杆与BC杆之间所形成的夹角为极位角。从图4中可知，AB杆逆时针转动时，为曲柄的正行程，将曲柄转过的角度设为α，当AB杆回位转动时，其转过的角度设为β，则曲柄正向转动与回位转动时的平均速度之比i为
　　
　　當曲柄AB杆以另一个速度作匀速转动时，连杆BC与摇杆CD在点C的受力情况如图3所示。其中，Ft是带动摇杆向前运动的有效分力，它与力F所形成的锐角a 称为压力角，Fn是在四杆机构运动中，由BC引起的阻挡CD向前运动的分力，它与力F的夹角δ称为传动角，传动角δ与压力角a互为余角。力Fn， F， Ft关系为
　　3.2  ADAMS运动仿真分析
　　通过仿真建模与机构简图进行分析计算，已经得出了四杆机构中摇杆的运动路径，并且确定了摇杆受力大小与压力角之间的关系。但是对于摇杆的摆动规律、曲柄的角速度、压力角随时间变化规律，解析法与作图法都存在局限性，并且工作量大、计算难度高、解决过程复杂。在学习这一类机械系统运动规律过程中，受实验器材和时间的制约，采用作图法很难得出结果，用解析法进行求解，基本以数学公式为主，推导难度较大，求解过程复杂，即便推导出相关公式，由于计算量很大，在求解过程中容易出错，对于求解机械系统的运动属性没有优势，严重影响了研究的进度与准确性，利用作图法和解析法不能够把机构创新设计更好的应用于机械工程中，设计出具有创造性的机械产品难度较高。 　　针对作图法与解析法求解问题时的不足，采用ADAMS运动学仿真软件，在ADAMS/View界面下，建立四杆机构的模型，如图5所示。在所建立的四杆机构中，A点为曲柄转动中心点，D点为摇杆一端固定点，A点和D点的位置不会随着机构的运动而改变。曲柄为AB杆件，连杆为BC杆，摇杆为CD杆，由于AD两点固定，故A点与D点的连线为机架。创建好模型后，在创建连接关系的功能区模块中，进行约束添加，曲柄与摇杆为转动副，并设置曲柄AB的驱动力为120 N。设定的仿真时间为3 s，当曲柄转动一周时，其最高步长为120 mm。静力学、运动学、动力学的问题都可以利用ADAMS/ Solver中建立的机构系统模型来求解，并通过该软件里的后处理Postprocessor模块来仿真处理结果，最终求解得出的位移、速度、加速度、反作用力等通过动画、曲线或者报表来显示ADAMS所得出的求解结果。
　　利用ADAMS软件里的分析模块，通过模块里的点轨迹追踪的功能可以清晰的显示出摇杆点C的运动轨迹，与普通作图法相比较，左右极限点位置一样，但是ADAMS追踪出来的轨迹更直观准确。传动角是鉴别平面四连杆机构传力状况优劣的一项重要参数，通过ADAMS软件分析可知，传动角越大传动情况越好，但是通过传统的作图法和解析法不能直接地体现传动角随时间的变化情况，不能分析出曲柄的传动特性，通过ADAMS软件的运动仿真分析功能，可以测出传动角随时间变化的规律曲线，如图6所示。通过ADAMS可以分析出摇杆的运动特性曲线，通过摇杆点C的位移、速度来表现摇杆CD的运动特性，如图7所示。通过曲线可以分析出摇杆作往复运动，同时可以知道曲柄正转时用的时间比曲柄回位使用的时间长，与运动学理论相符合。图7直观地显示了摇杆的运动特性，这是作图法和解析法都不能体现的，因此通过ADAMS的分析研究模块为平面四杆机构的研究提供了便利，不断对机構进行优化设计，使目标达到设计所需。
　　4  结论
　　本文通过ADAMS动力学运动仿真软件对平面四连杆机构进行分析，分析出了摇杆传动角、位移、速度的运动特性，弥补了作图法和解析法的不足，增强了机械系统求解问题的方法，直观的体现了多体动力学的运动情况。有利于多体动力学理论的研究，缩短了机械系统创新设计的周期，使机械系统研究更具科学性，对多体动力学理论理解更为深刻。
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