本發(fā)明涉及機(jī)械結(jié)構(gòu)仿真設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域，具體來(lái)說(shuō)，涉及一種基于網(wǎng)格變形技術(shù)的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)副磨損仿真方法。

背景技術(shù)：

機(jī)械產(chǎn)品的一個(gè)主要失效形式就是零部件表面磨損。絕大多數(shù)零件都與別的零件發(fā)生靜或動(dòng)的接觸和配合關(guān)系，載荷作用于表面，摩擦和磨損就發(fā)生了，磨損積累到一定程度，零件的尺寸變化超出允許范圍造成零件報(bào)廢。零件的使用壽命在很大程度上收到表面磨損的限制。

零件表面的磨損機(jī)理十分復(fù)雜，不僅與零件本身的材料性質(zhì)有關(guān)，而且與零件之間的相互作用有著密切聯(lián)系，目前對(duì)于零部件表面磨損的理論研究和試驗(yàn)研究都有著較高的技術(shù)難度。網(wǎng)格變形法是一種從應(yīng)變量換算應(yīng)力分布的構(gòu)造模擬法。先在模型表面劃出規(guī)則的小網(wǎng)格(網(wǎng)格可為方形、矩形或者三角形)，然后對(duì)模型施加載荷，用讀數(shù)顯微鏡度量加載前后網(wǎng)格坐標(biāo)之差求出線應(yīng)變或角應(yīng)變，根據(jù)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系求出應(yīng)力分布。網(wǎng)格變形技術(shù)是數(shù)字幾何處理的一個(gè)核心技術(shù)，近年來(lái)得到了國(guó)內(nèi)外研究者的極大關(guān)注，且在逆向工程、工業(yè)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)及計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

1953年阿查德提出了磨損體積與載荷、滑動(dòng)距離成正比、接觸面中較軟金屬的硬度成反比的經(jīng)驗(yàn)?zāi)p表達(dá)式。阿查德磨損方程為：

式中：V為磨損掉的材料體積，S接觸面相對(duì)滑動(dòng)距離，F(xiàn)是接觸面間法向載荷，H是較軟材料布氏硬度值，K是產(chǎn)生磨粒的概率即磨損系數(shù)。阿查德磨損方程左右兩邊同除以面積A可得如下表達(dá)式：

又dS＝vdt，用表示磨損深度，那么式(2)可以表示為：

δ＝∫kpvdt (3)

式中，是與材料有關(guān)的磨損系數(shù)，v表示接觸面相對(duì)滑動(dòng)速度，是單位面積接觸壓力。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提出一種基于網(wǎng)格變形技術(shù)的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)副磨損仿真方法，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)零件表面磨損情況的仿真。

為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的：

一種基于網(wǎng)格變形技術(shù)的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)副磨損仿真方法，包括以下步驟：

1)創(chuàng)立機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)副模型，判斷機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)副模型的接觸區(qū)域，記為目標(biāo)區(qū)域，采用網(wǎng)格劃分所述目標(biāo)區(qū)域，并輸出網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的編號(hào)和原始坐標(biāo)；

2)在所述網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)處創(chuàng)建無(wú)質(zhì)量的小球模型，并用小球模型代替目標(biāo)區(qū)域與機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)副模型接觸，建立起小球模型與機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)副模型的動(dòng)力學(xué)仿真模型；

3)執(zhí)行動(dòng)力學(xué)仿真，獲取小球模型與機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)副模型間的相互作用力及相對(duì)滑動(dòng)速度；

4)根據(jù)阿查德磨損計(jì)算公式計(jì)算網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)處的磨損深度，所述阿查德磨損計(jì)算公式如下所示：

δ＝∫kpvdt

其中：δ表示磨損深度，k為磨損系數(shù)，p為壓強(qiáng)，v是小球模型與機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)副接觸面間的相對(duì)滑動(dòng)速度；

5)根據(jù)所述磨損深度計(jì)算出網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的新坐標(biāo)。

進(jìn)一步的，步驟1)中采用網(wǎng)格劃分軟件將目標(biāo)區(qū)域劃分為由若干矩形單元和三角形單元組成的混合網(wǎng)格，并將網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的編號(hào)和原始坐標(biāo)輸出并保存于如下的矩陣A中，

其中：矩陣A的第一列為網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的編號(hào)，其余三列為網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的原始坐標(biāo)。

進(jìn)一步的，所述機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)副模型包括支架模型、電磁鐵模型、兩個(gè)抱爪模型、兩個(gè)連接臂模型和導(dǎo)向塊模型，兩個(gè)所述抱爪模型通過(guò)銷軸模型對(duì)稱設(shè)于支架模型的橫向兩端，所述導(dǎo)向塊模型包括中間的導(dǎo)架模型，所述導(dǎo)架模型的橫向尺寸沿縱向向下逐漸增大，所述導(dǎo)架模型上沿縱向設(shè)有滑道模型，所述滑道模型內(nèi)設(shè)有擋塊模型，所述擋塊模型固定設(shè)于支架模型上，兩個(gè)所述連接臂模型之間連接有拉簧模型，兩個(gè)所述連接臂模型的兩端在拉簧模型的作用下分別與導(dǎo)架模型的橫向兩端和抱爪模型靠近銷軸模型的一端相抵接，所述電磁鐵模型設(shè)于導(dǎo)架模型的下面，所述導(dǎo)架模型在電磁鐵模型的作用下能夠在所述滑道模型的行程內(nèi)沿縱向向下滑動(dòng)，所述導(dǎo)架模型還連接有用于使導(dǎo)架模型向上滑動(dòng)的復(fù)位彈簧模型。

進(jìn)一步的，步驟5)中按照如下公式計(jì)算出網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的新坐標(biāo)

其中：Δh＝δ表示磨損深度，表示磨損方向，A′表示磨損后網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的編號(hào)坐標(biāo)矩陣。

進(jìn)一步的，步驟2)中所述小球模型的半徑小于0.1mm，且其球心與網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)相重合。

進(jìn)一步的，步驟2)中采用matlab編寫(xiě)并輸出ADAMS的命令流CMD文件的方式來(lái)設(shè)置小球模型的分布，其中CMD文件的作用為在DAMS工作環(huán)境中，通過(guò)命令在網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)處創(chuàng)建無(wú)質(zhì)量小球模型，并在小球模型和導(dǎo)向塊模型之間創(chuàng)建接觸。

本發(fā)明的有益效果：本發(fā)明通過(guò)將網(wǎng)格變形技術(shù)應(yīng)用于機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)副的仿真，具體來(lái)說(shuō)，通過(guò)劃分網(wǎng)格的方式將目標(biāo)區(qū)域離散，建立起接觸壓力、運(yùn)動(dòng)副元素間相對(duì)滑動(dòng)速度與磨損量之間的定量關(guān)系，并通過(guò)可視化展現(xiàn)目標(biāo)區(qū)域磨損后特征；本發(fā)明基于網(wǎng)格變形技術(shù)的運(yùn)動(dòng)副磨損仿真法為機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、壽命設(shè)計(jì)提供了參考。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明所述的抱爪機(jī)構(gòu)模型的仿真結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明所述的抱爪機(jī)構(gòu)模型的局部仿真結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明所述的磨損仿真的流程示意圖；

圖4是本發(fā)明所述的抱爪模型與連接臂模型作用區(qū)域的小球模型分布示意圖；

圖5是本發(fā)明所述的抱爪模型與連接臂模型作用區(qū)域的磨損結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6是本發(fā)明所述的抱爪模型與連接臂模型作用區(qū)域的磨損量投影圖。

圖中所示：

1-支架模型；2-電磁鐵模型；3-抱爪模型；4-連接臂模型；5-導(dǎo)向塊模型；6-導(dǎo)架模型；7-滑道模型；8-擋塊模型；9-拉簧模型；10-銷軸模型。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合本發(fā)明的附圖，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述。

如圖3所示，本發(fā)明實(shí)施例所述的一種基于網(wǎng)格變形技術(shù)的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)副磨損仿真方法，包括以下步驟：

1)創(chuàng)立機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)副模型，判斷機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)副模型的接觸區(qū)域，記為目標(biāo)區(qū)域，采用網(wǎng)格劃分所述目標(biāo)區(qū)域，并輸出網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的編號(hào)和原始坐標(biāo)；

在本實(shí)施例中，如圖1-2所示，所述機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)副模型包括支架模型1、電磁鐵模型2、兩個(gè)抱爪模型3、兩個(gè)連接臂模型4和導(dǎo)向塊模型5，兩個(gè)所述抱爪模型3通過(guò)銷軸模型10對(duì)稱設(shè)于支架模型1的橫向兩端，所述導(dǎo)向塊模型5包括中間的導(dǎo)架模型6，所述導(dǎo)架模型6的橫向尺寸沿縱向向下逐漸增大，所述導(dǎo)架模型6上沿縱向設(shè)有滑道模型7，所述滑道模型7內(nèi)設(shè)有擋塊模型8，所述擋塊模型8固定設(shè)于支架模型1上，兩個(gè)所述連接臂模型4之間連接有拉簧模型9，兩個(gè)所述連接臂模型4的兩端在拉簧模型9的作用下分別與導(dǎo)架模型6和抱爪模型3相抵接，所述電磁鐵模型2設(shè)于導(dǎo)架模型6的下面，所述導(dǎo)架模型6在電磁鐵模型2的作用下能夠在所述滑道模型7的行程內(nèi)沿縱向向下滑動(dòng)，所述導(dǎo)架模型6還連接有用于使導(dǎo)架模型6向上滑動(dòng)的復(fù)位彈簧模型(圖中未示)。

在本實(shí)施例中，步驟1)中采用網(wǎng)格劃分軟件將目標(biāo)區(qū)域劃分為由若干矩形單元和三角形單元組成的混合網(wǎng)格，并將網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的編號(hào)和原始坐標(biāo)輸出并保存于如下的矩陣A中，

其中：矩陣A的第一列為網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的編號(hào)，其余三列為網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的原始坐標(biāo)。

上述矩形單元或三角形單元是平直不可彎曲的區(qū)域面，其數(shù)量和尺寸決定了網(wǎng)格表面的幾何精度和磨損表面的平滑程度。

2)在所述網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)處創(chuàng)建無(wú)質(zhì)量的小球模型，并用小球模型代替目標(biāo)區(qū)域與機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)副接觸，建立起小球模型與機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)副的動(dòng)力學(xué)仿真模型；

在本實(shí)施例中，采用matlab編寫(xiě)并輸出ADAMS的命令流CMD文件的方式來(lái)設(shè)置小球模型的分布，其中CMD文件的作用為在DAMS工作環(huán)境中，通過(guò)命令在網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)處創(chuàng)建無(wú)質(zhì)量小球模型，并在小球模型和連接臂模型之間創(chuàng)建接觸。在小球模型的創(chuàng)建過(guò)程中，要求所述小球模型的半徑小于0.1mm，且其球心與網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)相重合。在網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)處創(chuàng)建無(wú)質(zhì)量小球模型目的是用離散的小球模型代替目標(biāo)表面與導(dǎo)向塊模型接觸，理論上小球模型數(shù)目越多越接近實(shí)際情況，本實(shí)施例共創(chuàng)建了964個(gè)小球，參考圖4顯示了創(chuàng)建后小球的分布。

3)執(zhí)行動(dòng)力學(xué)仿真，獲取小球模型與機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)副間的相互作用力及相對(duì)滑動(dòng)速度；

抱爪模型3與連接臂模型4屬于點(diǎn)面的接觸，抱爪模型3與連接臂模型4接觸部位(即目標(biāo)區(qū)域)容易磨損，當(dāng)磨損量累積到一定程度，抱爪模型3就難以抱緊物料而失效?？紤]到兩個(gè)抱爪模型3的對(duì)稱性，取左抱爪模型作為目標(biāo)進(jìn)行磨損仿真分析，右抱爪模型將具有與其相似的磨損特征。

具體操作時(shí)，在ADAMS工作環(huán)境中，導(dǎo)架模型6在電磁鐵模型2和復(fù)位彈簧模型的作用下上下移動(dòng)，從而控制抱爪模型3的張合。抱爪模型3在張開(kāi)和閉合過(guò)程中目標(biāo)區(qū)域表面受到擠壓和摩擦，記錄目標(biāo)區(qū)域表面的接觸信息。執(zhí)行動(dòng)力學(xué)仿真時(shí)，運(yùn)動(dòng)副元素間的碰撞摩擦過(guò)程劃分為若干時(shí)間步長(zhǎng)，記錄每個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)下目標(biāo)區(qū)域表面的接觸信息，接觸信息包括運(yùn)動(dòng)副元素間接觸點(diǎn)位置、接觸力、接觸過(guò)程中的速度位移。

4)根據(jù)阿查德磨損計(jì)算公式計(jì)算網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)處的磨損深度，所述阿查德磨損計(jì)算公式如下所示：

δ＝∫kpvdt

其中：δ表示磨損深度，k為磨損系數(shù)，p為壓強(qiáng)，v是小球模型與機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)副接觸面間的相對(duì)滑動(dòng)速度；

接觸面相對(duì)滑動(dòng)速度v通過(guò)步驟3)的動(dòng)力學(xué)仿真得來(lái)；單位面積接觸壓力其中F_N是法向接觸壓力，式中S_i表示節(jié)點(diǎn)所在單元面積，三角形單元時(shí)a＝3，四邊形單元時(shí)a＝4；磨損系數(shù)k是根據(jù)接觸面間材料屬性和潤(rùn)滑條件查表得到。

5)根據(jù)所述磨損深度計(jì)算出網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的新坐標(biāo)。如此得到了磨損后目標(biāo)表面的磨損特征，如下循環(huán)實(shí)現(xiàn)了機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)副磨損的動(dòng)態(tài)仿真。圖5和圖6顯示了目標(biāo)表面的磨損特征.

在本實(shí)施例中，步驟5)中按照如下公式計(jì)算出網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的新坐標(biāo)

其中：Δh＝δ表示磨損深度，表示磨損方向，即為運(yùn)動(dòng)副接觸面上網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)位置的法向向量，A′表示磨損后網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的編號(hào)坐標(biāo)矩陣。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。