本發(fā)明涉及機械結構仿真設計技術領域，具體來說，涉及一種基于網格變形技術的機構運動副磨損仿真方法。

背景技術：

機械產品的一個主要失效形式就是零部件表面磨損。絕大多數零件都與別的零件發(fā)生靜或動的接觸和配合關系，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。

零件表面的磨損機理十分復雜，不僅與零件本身的材料性質有關，而且與零件之間的相互作用有著密切聯系，目前對于零部件表面磨損的理論研究和試驗研究都有著較高的技術難度。網格變形法是一種從應變量換算應力分布的構造模擬法。先在模型表面劃出規(guī)則的小網格(網格可為方形、矩形或者三角形)，然后對模型施加載荷，用讀數顯微鏡度量加載前后網格坐標之差求出線應變或角應變，根據應力應變關系求出應力分布。網格變形技術是數字幾何處理的一個核心技術，近年來得到了國內外研究者的極大關注，且在逆向工程、工業(yè)品創(chuàng)新設計及計算機動畫等領域得到了廣泛的應用。

1953年阿查德提出了磨損體積與載荷、滑動距離成正比、接觸面中較軟金屬的硬度成反比的經驗磨損表達式。阿查德磨損方程為：

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

又dS＝vdt，用表示磨損深度，那么式(2)可以表示為：

δ＝∫kpvdt (3)

式中，是與材料有關的磨損系數，v表示接觸面相對滑動速度，是單位面積接觸壓力。

技術實現要素：

本發(fā)明的目的在于提出一種基于網格變形技術的機構運動副磨損仿真方法，能夠實現對零件表面磨損情況的仿真。

為實現上述發(fā)明目的，本發(fā)明的技術方案是這樣實現的：

一種基于網格變形技術的機構運動副磨損仿真方法，包括以下步驟：

1)創(chuàng)立機構運動副模型，判斷機構運動副模型的接觸區(qū)域，記為目標區(qū)域，采用網格劃分所述目標區(qū)域，并輸出網格節(jié)點的編號和原始坐標；

2)在所述網格節(jié)點處創(chuàng)建無質量的小球模型，并用小球模型代替目標區(qū)域與機構運動副模型接觸，建立起小球模型與機構運動副模型的動力學仿真模型；

3)執(zhí)行動力學仿真，獲取小球模型與機構運動副模型間的相互作用力及相對滑動速度；

4)根據阿查德磨損計算公式計算網格節(jié)點處的磨損深度，所述阿查德磨損計算公式如下所示：

δ＝∫kpvdt

其中：δ表示磨損深度，k為磨損系數，p為壓強，v是小球模型與機構運動副接觸面間的相對滑動速度；

5)根據所述磨損深度計算出網格節(jié)點的新坐標。

進一步的，步驟1)中采用網格劃分軟件將目標區(qū)域劃分為由若干矩形單元和三角形單元組成的混合網格，并將網格節(jié)點的編號和原始坐標輸出并保存于如下的矩陣A中，

其中：矩陣A的第一列為網格節(jié)點的編號，其余三列為網格節(jié)點的原始坐標。

進一步的，所述機構運動副模型包括支架模型、電磁鐵模型、兩個抱爪模型、兩個連接臂模型和導向塊模型，兩個所述抱爪模型通過銷軸模型對稱設于支架模型的橫向兩端，所述導向塊模型包括中間的導架模型，所述導架模型的橫向尺寸沿縱向向下逐漸增大，所述導架模型上沿縱向設有滑道模型，所述滑道模型內設有擋塊模型，所述擋塊模型固定設于支架模型上，兩個所述連接臂模型之間連接有拉簧模型，兩個所述連接臂模型的兩端在拉簧模型的作用下分別與導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，所述電磁鐵模型設于導架模型的下面，所述導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沿縱向向下滑動，所述導架模型還連接有用于使導架模型向上滑動的復位彈簧模型。

進一步的，步驟5)中按照如下公式計算出網格節(jié)點的新坐標

其中：Δh＝δ表示磨損深度，表示磨損方向，A′表示磨損后網格節(jié)點的編號坐標矩陣。

進一步的，步驟2)中所述小球模型的半徑小于0.1mm，且其球心與網格節(jié)點相重合。

進一步的，步驟2)中采用matlab編寫并輸出ADAMS的命令流CMD文件的方式來設置小球模型的分布，其中CMD文件的作用為在DAMS工作環(huán)境中，通過命令在網格節(jié)點處創(chuàng)建無質量小球模型，并在小球模型和導向塊模型之間創(chuàng)建接觸。

本發(fā)明的有益效果：本發(fā)明通過將網格變形技術應用于機構運動副的仿真，具體來說，通過劃分網格的方式將目標區(qū)域離散，建立起接觸壓力、運動副元素間相對滑動速度與磨損量之間的定量關系，并通過可視化展現目標區(qū)域磨損后特征；本發(fā)明基于網格變形技術的運動副磨損仿真法為機構的結構設計、壽命設計提供了參考。

附圖說明

圖1是本發(fā)明所述的抱爪機構模型的仿真結構示意圖；

圖2是本發(fā)明所述的抱爪機構模型的局部仿真結構示意圖；

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)域的磨損結構示意圖；

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-導向塊模型；6-導架模型；7-滑道模型；8-擋塊模型；9-拉簧模型；10-銷軸模型。

具體實施方式

下面結合本發(fā)明的附圖，對本發(fā)明的技術方案進行清楚、完整地描述。

如圖3所示，本發(fā)明實施例所述的一種基于網格變形技術的機構運動副磨損仿真方法，包括以下步驟：

1)創(chuàng)立機構運動副模型，判斷機構運動副模型的接觸區(qū)域，記為目標區(qū)域，采用網格劃分所述目標區(qū)域，并輸出網格節(jié)點的編號和原始坐標；

在本實施例中，如圖1-2所示，所述機構運動副模型包括支架模型1、電磁鐵模型2、兩個抱爪模型3、兩個連接臂模型4和導向塊模型5，兩個所述抱爪模型3通過銷軸模型10對稱設于支架模型1的橫向兩端，所述導向塊模型5包括中間的導架模型6，所述導架模型6的橫向尺寸沿縱向向下逐漸增大，所述導架模型6上沿縱向設有滑道模型7，所述滑道模型7內設有擋塊模型8，所述擋塊模型8固定設于支架模型1上，兩個所述連接臂模型4之間連接有拉簧模型9，兩個所述連接臂模型4的兩端在拉簧模型9的作用下分別與導架模型6和抱爪模型3相抵接，所述電磁鐵模型2設于導架模型6的下面，所述導架模型6在電磁鐵模型2的作用下能夠在所述滑道模型7的行程內沿縱向向下滑動，所述導架模型6還連接有用于使導架模型6向上滑動的復位彈簧模型(圖中未示)。

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

其中：矩陣A的第一列為網格節(jié)點的編號，其余三列為網格節(jié)點的原始坐標。

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

2)在所述網格節(jié)點處創(chuàng)建無質量的小球模型，并用小球模型代替目標區(qū)域與機構運動副接觸，建立起小球模型與機構運動副的動力學仿真模型；

在本實施例中，采用matlab編寫并輸出ADAMS的命令流CMD文件的方式來設置小球模型的分布，其中CMD文件的作用為在DAMS工作環(huán)境中，通過命令在網格節(jié)點處創(chuàng)建無質量小球模型，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)建過程中，要求所述小球模型的半徑小于0.1mm，且其球心與網格節(jié)點相重合。在網格節(jié)點處創(chuàng)建無質量小球模型目的是用離散的小球模型代替目標表面與導向塊模型接觸，理論上小球模型數目越多越接近實際情況，本實施例共創(chuàng)建了964個小球，參考圖4顯示了創(chuàng)建后小球的分布。

3)執(zhí)行動力學仿真，獲取小球模型與機構運動副間的相互作用力及相對滑動速度；

抱爪模型3與連接臂模型4屬于點面的接觸，抱爪模型3與連接臂模型4接觸部位(即目標區(qū)域)容易磨損，當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。考慮到兩個抱爪模型3的對稱性，取左抱爪模型作為目標進行磨損仿真分析，右抱爪模型將具有與其相似的磨損特征。

具體操作時，在ADAMS工作環(huán)境中，導架模型6在電磁鐵模型2和復位彈簧模型的作用下上下移動，從而控制抱爪模型3的張合。抱爪模型3在張開和閉合過程中目標區(qū)域表面受到擠壓和摩擦，記錄目標區(qū)域表面的接觸信息。執(zhí)行動力學仿真時，運動副元素間的碰撞摩擦過程劃分為若干時間步長，記錄每個時間步長下目標區(qū)域表面的接觸信息，接觸信息包括運動副元素間接觸點位置、接觸力、接觸過程中的速度位移。

4)根據阿查德磨損計算公式計算網格節(jié)點處的磨損深度，所述阿查德磨損計算公式如下所示：

δ＝∫kpvdt

其中：δ表示磨損深度，k為磨損系數，p為壓強，v是小球模型與機構運動副接觸面間的相對滑動速度；

接觸面相對滑動速度v通過步驟3)的動力學仿真得來；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)點所在單元面積，三角形單元時a＝3，四邊形單元時a＝4；磨損系數k是根據接觸面間材料屬性和潤滑條件查表得到。

5)根據所述磨損深度計算出網格節(jié)點的新坐標。如此得到了磨損后目標表面的磨損特征，如下循環(huán)實現了機構運動副磨損的動態(tài)仿真。圖5和圖6顯示了目標表面的磨損特征.

在本實施例中，步驟5)中按照如下公式計算出網格節(jié)點的新坐標

其中：Δh＝δ表示磨損深度，表示磨損方向，即為運動副接觸面上網格節(jié)點位置的法向向量，A′表示磨損后網格節(jié)點的編號坐標矩陣。

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