第一十四章 数字样机的机构设计与运动仿真实例

第一节 UG NX

运动仿真基础知识

1．进入UG NX运动仿真模块

启动UG NX 8.0中文版软件系统，打开或创建1个装配部件（装配主模型），接着选择“起点”→“所有应用模块”→“运动仿真”菜单命令，即进入UG NX 8.0的运动仿真模块（见图14-1）。注意，此时的运动仿真工具栏全部命令为浅灰色（即未激活，见图14-2上图）。选择“工具”→“定制”菜单命令，在“定制”对话框的“工具条”选项卡中，选择“运动”和“运动分析”两个工具栏，并选择“文本在图标下面”，则全部命令（含次级命令）加亮（见图14-2下图）。单击“关闭”按钮后，全部命令重新为浅灰色。

图14-1 进入运动仿真模块

图14-2 “运动”和“运动分析”工具条

2．何谓运动仿真模块

运动仿真模块属于计算机辅助工程分析的1个应用软件，用于建立机构运动学和动力学仿真模型，分析机构运动规律和动力特性。UG NX运动仿真模块会自动仿真主模型的装配文件，并建立一系列不同的运

动仿真，每个运动仿真都可以独立修改，而不影响装配主模型，一旦完成机构优化设计方案，即可直接更新装配主模型，以反映机构优化设计的结果。

3．创建新的运动仿真

在运动导航器中选择装配主模型（如“

QBYGJG

”）后，右击→单击“新建仿真”按钮→弹出“环境”对话框→默认“分析类型”为“动力学”→默认“仿真名”为“motion_1”→单击“确定”按钮→弹出“机构运动副向导”对话框→单击“确定”按钮（见图14-3和图14-4）。此时，“运动”工具栏上的大部分命令加亮。如果运动副不合格，则会出现如图14-5所示的提示框。单击“是”按钮，则会出现如图14-6所示的画面。

图14-3 新建运动仿真1“motion_1”

图14-4 成功创建运动仿真实例

图14-5 “主模型到仿真的配对条件/约束转换”提示框

图14-6 未成功创建运动仿真的实例

4．运动仿真模块支持的运动分析类型（解算方案）

UG NX可以执行的运动分析类型，即解算方案如下。

（1）运动学仿真

机构运动学是研究机构运动的一门科学，其研究对象是连杆（构件）的位移、速度和加速度，及其与时间的关系，而不考虑运动发生的原因。因此，在机构运动学仿真分析中只考虑运动驱动，其他的因素（如作用力、摩擦力、重力，以及零件的材料、质量）都不用考虑。

机构运动学仿真就是在不考虑力等因素影响的情况下，分析机构运动的变化规律，包括线性位移或角度位移、线性速度或角度速度、线性加速度或角度加速度随着时间变化的规律曲线，以及机构是否发生干涉和自锁，跟踪构件（UG NX称为连杆）的运动轨迹等。通过运动学仿真，修改和运动有关的机构参数，实现机构运动参数的优化。

（2）动力学仿真

机构动力学远比机构运动学复杂，它不仅涵盖了运动学分析的内容，而且还要考虑机构发生运动的真正原因，如作用力、摩擦力、重力，以及零件的材料、质量和惯性等。

机构动力学仿真就是在考虑力等因素影响的情况下，不仅分析机构运动的变化规律，包括线性位移或角度位移、线性速度或角度速度、线性加速度或角度加速度随着时间变化的规律曲线，以及机构是否发生干涉和自锁，跟踪构件（UG NX称为连杆）的运动轨迹等，而且还可以分析运动副中的作用力（矩）、反作用力（矩）。通过动力学仿真不仅可以解决运动学方面的问题，而且可以解决机构动力特性方面的问题（如修改材料选择，零件的具体结构）。

（3）静态平衡

在有限元分析中，静态表示的是结构模型被约束而不能进行刚体运动（存在静态平衡），同时也表示假设载荷是“缓慢施加”的，不会造成动力效应。

静态平衡分析类型即进行静力学分析，就是将模型移动到平衡位置，并输出运动副上的反作用力。选择该分析类型后，时间和步数的输入项将变为灰色而不可选。

当选择运动学/动力学分析类型进行求解，并指定包含作为起点的静态平衡分析时，求解器RecurDyn（Adams不支持此解算方案）首先以静态平衡分析方式运行仿真。静态平衡分析可以确定影响机构的所有内力和外力达到平衡的位置。将所有速度和加速度均设置为零。然后，求解器从机构的平衡位置开始运行动态分析。

（4）控制/动力学（协同仿真）

用户要在“环境”对话框中选择“协同仿真”复选框，“解算方案”对话框中的“控制/动力学”分析类型才会被激活，即可以从MATLAB® Simulink®中直接启动协同仿真。然后，可以在运动仿真或MATLAB Simulink中查看动画结果。协同仿真支持MATLAB Simulink版本R2007a、R2007b、R2008a和R2008b。

（5）柔体动力学

典型的运动仿真对象是使用刚体的机构，其中的刚体根据约束以规定的自由度进行移动。这些刚体运

动仿真无法表示某些动力学特性，尤其是那些由于某些条件（如尖锐影响、运动中的突然变化，或元件非常柔软而导致影响机构的运动）而引起的特性。对于这些情况，

UG NX

可以使用柔性体分析来组合弹性变形与刚体运动。

此类分析需要选择带RecurDyn求解器的NX运动仿真和带NX Nastran求解器的NX高级仿真。

5．“运动仿真”工具栏

如图14-2所示的“运动仿真”工具栏，只是运动仿真工具的一部分。在下拉菜单中选择“工具”/“定制”菜单命令→在弹出的“定制”对话框的“命令”选项卡中选择“运动”命令，即可看到用于运动仿真的全部命令（见图14-7）。用户可以根据需要将某个命令拖动到运动工具条中。此外，如图14-8～图14-12所示的工具栏也是用于运动仿真的。

图14-7 运动仿真全部命令

图14-8 “连杆及运动副”工具栏

图14-9 “连接器和载荷”工具栏

图

14-10 “模型准备”工具栏

图14-11 “运动控制”工具栏

图14-12 “动画控制”工具栏

下面对运动主工具栏中的命令（工具）进行简要说明。

（1）环境：用于设置解算方案类型，如运动学、动力学或控制。

（2）连杆：用于定义机构中为刚性体的构件。UG NX的连杆和机械原理教材中所说的连杆是有区别的。UG NX的连杆实质上就是作为运动单元的构件，应该看成是个刚体。用户定义连杆时，必须选择装配主模型中所有一起运动的模型几何体（零件）。在某些情况下，需要将装配主模型中所有不运动的几何体（零件）也定义为1个连杆（机架）。这样，连杆（构件）就可分为运动的和固定的两种类型其中固定的连杆称为机架。注意，同1个对象不能属于两个连杆（构件）；在创建固定连杆时，要先选择连杆对话框中的“固定连杆”复选框。

（3）运动副：由于定义机构中连杆（构件）间的受约束运动，有些地方又翻译为连接（Joint），这一说法和机械原理教材讲的完全一致。实际上它就是既添加了约束，又仍然保持一定自由度的可动连接。

（4）齿轮副：用于定义两个运动副间的相对旋转运动。单击齿轮右边的黑色三角形，可以展开其级联菜单（见前面图14-2）。用户还可以定义齿轮齿条副、线缆副和2-3传动副：齿轮齿条副用于定义滑动副和旋转副之间的相对运动；线缆副用于定义两个滑动副间的相对运动；2-3传动副用于定义两个或三个旋转副、滑动副和柱面副之间的相对运动。

（5）弹簧：用于创建1个柔性单元，以在两个连杆（活动构件）之间，1个连杆（活动构件）和框架（机架）之间，在1个移动副或旋转副上施加作用力或力矩。单击弹簧右边的黑色三角形，可以展开其级联菜单，还可以定义阻尼器、衬套、3D接触和2D接触。阻尼器用于在两个连杆（活动构件）之间或1个连杆（活动构件）和框架（机架）之间，在1个移动副或旋转副上施加反作用力或力矩。衬套创建1个常规或圆柱形弹性衬套，以在两连杆（构件）之间定义1个柔性关系。3D接触用于在1个体和1个静止对象之间，或在两个移动体之间，或为针对1个体支撑另外1个体定义接触。2D接触用于在两个共面的曲线之间创建接触，以使附着到这些曲线上的连杆（构件）产生与材料有关的影响。

（6）点在曲线上：用于约束连杆（构件）上的1个点，以保持与曲线的接触。单击点在曲线上右边的黑色三角形，可以展开其级联菜单，还可以定义“线在线上副”和“点在曲面上”：线在线上副用于约束连杆（构件）上的1条，以保持与另外1条曲线的接触；点在曲面上用于约束连杆（构件）上的1个点，以保持与曲面的接触。

（7）标量力：用于在两个连杆（构件）之间或1个连杆（活动构件）与1个框架（机架）之间创建1个标量力。单击标量力右边的黑色三角形，可以展开其级联菜单（见图14-13），还可以定义“标量扭矩”和“矢量力”、“矢量扭矩”：标量扭矩用于围绕旋转副的轴创建1个标量扭矩；矢量力用于以既定的Z轴或以绝对CSYS的轴为中心，在两个连杆（构件）之间或1个连杆（活动构件）与1个框架（机架）之间创建1个力；矢量扭矩用于在两个连杆（构件）之间或1个连杆（活动构件）与1个框架（机架）之间创建1个扭矩，作用于定义的Z轴或绝对坐标系的轴。

（8）智能点：用于创建1个与选定几何体关联的点（但是不在使用相同几何体的连杆中自动包含它）。单击智能点右边的黑色三角形，可以展开其级联菜单（见图14-13），还可以定义“标记”和“传感器”：

标记用于在需要分析结果的连杆（构件）上创建1个标记；传感器用于创建传感器对象，以监控运动对象

相对于仿真对象的位置。

（9）驾驶员：在机构的运动副中创建1个独立的驱动。

图14-13 部分级联菜单

（10）干涉：用于检查机构是否与选定的几何体在运动的每一步存在碰撞。单击干涉右边的黑色三角形，可以展开其级联菜单（见图14-13），还可以定义“测量”和“追踪”：测量用于计算运动中每一步两组几何体之间的最小距离或最小夹角；追踪用于在运动的每一步创建选定几何对象的副本。

（11）解算方案：用于创建新解算方案。其中定义了分析类型、解算方案类型以及特定于解算方案的载荷和运动驱动。

（12）求解：用于解算运动解算方案并生成结果集。

（13）动画：用于根据机构在指定时间内的仿真步数，执行基于时间的运动仿真。单击动画右边的黑色三角形，可以展开其级联菜单，还可以定义“作图”、“填充电子表格”、“创建序列”和“载荷传递”：作图用于为选定的运动副和标记，创建指定可观察的图表；填充电子表格用于将仿真中每一步的位移数据填充到1个电子表格文件；创建序列用于为所有被定义为机构连杆（构件）的组件定义运动副装配序列；载荷传递用于计算反作用载荷以进行结构分析。

其余与运动仿真相关工具栏中的命令（工具）在后面用到时再作说明。

6．UG NX运动仿真阶段

UG NX软件将机构看成是一组连接在一起运动的连杆（构件）的集合。在有了装配主模型以后，用UG NX软件进行机构运动仿真需要经历前处理、求解和后处理3个阶段。

（1）创建运动仿真模型是整个分析过程的前处理阶段，有如下3个步骤。

1）创建连杆，即在运动机构中创建代表运动构件的连杆。

2）创建运动副，即创建约束连杆运动的运动副。在某些情况下，可以同时创建其他的运动约束特征，如弹簧、阻尼、弹性衬套和接触单元等。

3）定义运动驱动。运动驱动使机构产生运动。每个运动副可以包含6种可能的运动驱动中的一种。 完成这样3个步骤，实际上就是为运动仿真创建了1个机构模型，由此得到的信息会生成内部的求解器输入数据文件，再传送到解算器。

（2）求解

在求解阶段，解算器处理输入数据（确定递交的运动仿真的求解方案），并生成内部的输出数据文件，再传送到运动仿真模块中。

UG NX运动仿真模块提供了RecurDyn解算器和Adams解算器。这两种解算器都是嵌入于UG NX运动仿真模块中的。用户可以选择其中一种解算器进行运动仿真求解。用户设置默认求解器的方法是：

1）选择“文件”/“实用工具”/“用户默认设置”菜单命令→弹出“用户默认设置”对话框，如图14-14所示。

图14-14 用户默认设置

2）在“用户默认设置”对话框中选择“Pre Processor（预处理器）”菜单命令→展开如图 14-15 所示的“Solver and Environment（求解器和环境）”选项卡→进行“Solver and Environment（求解器和环境）”设置。

3）在“用户默认设置”对话框中选择“Analysis（分析）”菜单命令→出现如图14-16

所示的画面→对

RecurDyn

或Adams

的参数进行设置。

图14-15 设置求解器和环境

图14-16 设置RecurDyn或Adams的参数

4）设置完后，单击“用户默认设置”对话框下部的“确定”按钮。

5）退出UG NX系统后，重新启动UG NX系统，“用户默认设置”方可生效，如图14-17所示。

（3）后处理 图14-17 “用户默认设置”提示框

在后处理阶段，运动仿真模块解释解算器输出数据文件，并转换成动画、图表或报表文件，其用户默认设置如图14-18所示。

图14-18 后处理的默认设置

7．运动驱动

运动驱动是赋给旋转副、滑动副和柱面副等运动副上控制运动的运动副参数。因此，运动驱动总是与运动副相关。用户既可以定义一个默认的运动驱动，也可以创建一个仅与指定求解方案中的运动副相关的独立驱动。对任何运动副，在一个求解方案中只能包含一个独立驱动。但是，允许对某一特定运动设置多个不同特性的运动驱动，并将其中一个设为正常驱动，再将其他几个驱动作为替代驱动加到不同的求解方

案中，然后分别求解比较结果。例如，对于1个铰链四杆机构，在“运动“工具栏上选择“驾驶员”命令 ，出现如图14-19a所示的“驱动”对话框，在运动导航器中选择1个旋转副（如J001）后，再单击“无”右边的黑色三角形，可见共有4种运动驱动可供选择。又例如，对于1个铰链四杆机构，在“运动“工具栏上选择“运动副”命令，在出现的“运动副”对话框中展开“驱动”选项卡，再单击“无”右边的黑色三角形，可见共有5种运动驱动可供选择（见图14-19b）。再比如，当用户在“环境”对话框中选择了“动力学”和“电动机驱动”复选项时，便会在“驱动”对话框中添加“电动机驱动”类型，如图14-19c所示。因此，UG NX 8的运动驱动共有如下6种类型。

（1）无

“无”驱动即没有外加的运动赋在运动副上。在1个机构中除了连接原动件（如曲柄）的运动副应该施加后面介绍的某种运动驱动外，其余的运动副都应该选择“无”驱动。

（2）常数（以前版本翻译为“恒定”）

“常数”运动驱动设运动副为恒定运动（旋转或平移）。这类运动驱动要设置需要的初始位移或初始速度或初始加速度。一般设定初始速度为大于零的某个常数，如图14-20所示。

（3）简谐

“简谐”运动驱动生成一个光滑的向前或向后的正弦运动。这类运动驱动需要设置的运动参数为振幅、频率、相位角和位移，如图14-21所示。

（4）功能（以前版本翻译为“函数”或“运动函数”）

“功能”运动驱动是用位移或速度或加速度的某种函数关系式驱动的，可以用于定义由开环或闭环系统控制的动力学求解方案（见图14-22），这是一种复杂运动驱动。

图14-19 旋转驱动类型

a)“驱动”对话框中的驱动类型 b)“运动副”对话框中的驱动类型 c) 添加“电动机”驱动类型

图14-20

常数运动驱动

图14-21 简谐运动驱动

（5）铰链运动驱动（以前版本翻译为“关节运动驱动”）

铰链运动驱动要在“运动副”对话框中设置。铰链运动驱动就是设某一个运动副以特定的步长和特定的步数运动，所需要的输入参数为步长和步数。

（6）电动机驱动（以前版本翻译为“马达驱动”）

如前所述，只有当用户在“环境”对话框中选择了“动力学”和“电动机驱动”复选框时，才会在“驱动”对话框中添加“电动机驱动”类型（注意，在“运动副”对话框中并不添加），如图14-23所示。电动机驱动需要分配一个电动机和信号图驱动运动副。

图14-22 功能（函数）运动驱动

图14-23 电动机驱动

a) 添加“电动机”驱动类型 b) 新建电动机和信号图

8．运动副类型及其说明

UG NX运动仿真模块将运动副类型分为常规运动副、基本运动副，以及约束与连接副三大类型。其中常规运动副有旋转副、滑动副、万向节、恒速副、固定副、球面副、柱面副、平面副和螺旋副等；基本运动副有在点上、在线上、在面上、方位、平行和正交等；约束与连接副有点在线上约束、线在线上约束、点在面上约束、线缆副、齿轮副和齿轮/齿条副等。

常规运动副的说明如表14-1所示，基本运动副的说明如表14-2所示，约束与连接副的说明如表14-3所示。

表14-1 常规运动副的说明

表

14-2 基本运动副的说明

表14-3 约束与连接副的说明