第一十四章 數字樣機的機構設計與運動仿真實例
第一節 UG NX運動仿真基礎知識
1．進入UG NX運動仿真模塊
啟動UG NX 8.0中文版軟件系統，打開或創建1個裝配部件（裝配主模型），接著選擇“起點”→“所有應用模塊”→“運動仿真”菜單命令，即進入UG NX 8.0的運動仿真模塊（見圖14-1）。注意，此時的運動仿真工具欄全部命令為淺灰色（即未激活，見圖14-2上圖）。選擇“工具”→“定制”菜單命令，在“定制”對話框的“工具條”選項卡中，選擇“運動”和“運動分析”兩個工具欄，并選擇“文本在圖標下面”，則全部命令（含次級命令）加亮（見圖14-2下圖）。單擊“關閉”按鈕后，全部命令重新為淺灰色。
圖14-1 進入運動仿真模塊
圖14-2 “運動”和“運動分析”工具條
2．何謂運動仿真模塊
運動仿真模塊屬于計算機輔助工程分析的1個應用軟件，用于建立機構運動學和動力學仿真
模型，分析機構運動規律和動力特性。UG NX運動仿真模塊會自動仿真主模型的裝配文件，并建立一系列不同的運動仿真，每個運動仿真都可以獨立修改，而不影響裝配主模型，一旦完成機構優化設計方案，即可直接更新裝配主模型，以反映機構優化設計的結果。
3．創建新的運動仿真
在運動導航器中選擇裝配主模型（如“QBYGJG”）后，右擊→單擊“新建仿真”按鈕→彈出“環境”對話框→默認“分析類型”為“動力學”→默認“仿真名”為“motion_1”→單擊“確定”按鈕→彈出“機構運動副向導”對話框→單擊“確定”按鈕（見圖14-3和圖14-4）。此時，“運動”工具欄上的大部分命令加亮。如果運動副不合格，則會出現如圖14-5所示的提示框。單擊“是”按鈕，則會出現如圖14-6所示的畫面。
圖14-3 新建運動仿真1“motion_1”
圖14-4 成功創建運動仿真實例
圖14-5 “主模型到仿真的配對條件/約束轉換”提示框
圖14-6 未成功創建運動仿真的實例
4．運動仿真模塊支持的運動分析類型（解算方案）
UG NX可以執行的運動分析類型，即解算方案如下。
（1）運動學仿真
機構運動學是研究機構運動的一門科學，其研究對象是連桿（構件）的位移、速度和加速度，及其與時間的關系，而不考慮運動發生的原因。因此，在機構運動學仿真分析中只考
慮運動驅動，其他的因素（如作用力、摩擦力、重力，以及零件的材料、質量）都不用考慮。
機構運動學仿真就是在不考慮力等因素影響的情況下，分析機構運動的變化規律，包括線性位移或角度位移、線性速度或角度速度、線性加速度或角度加速度隨著時間變化的規律曲線，以及機構是否發生干涉和自鎖，跟蹤構件（UG NX稱為連桿）的運動軌跡等。通過運動學仿真，修改和運動有關的機構參數，實現機構運動參數的優化。
（2）動力學仿真
機構動力學遠比機構運動學復雜，它不僅涵蓋了運動學分析的內容，而且還要考慮機構發生運動的真正原因，如作用力、摩擦力、重力，以及零件的材料、質量和慣性等。
機構動力學仿真就是在考慮力等因素影響的情況下，不僅分析機構運動的變化規律，包括線性位移或角度位移、線性速度或角度速度、線性加速度或角度加速度隨著時間變化的規律曲線，以及機構是否發生干涉和自鎖，跟蹤構件（UG NX稱為連桿）的運動軌跡等，而且還可以分析運動副中的作用力（矩）、反作用力（矩）。通過動力學仿真不僅可以解
決運動學方面的問題，而且可以解決機構動力特性方面的問題（如修改材料選擇，零件的具體結構）。
（3）靜態平衡
在有限元分析中，靜態表示的是結構模型被約束而不能進行剛體運動（存在靜態平衡），同時也表示假設載荷是“緩慢施加”的，不會造成動力效應。
靜態平衡分析類型即進行靜力學分析，就是將模型移動到平衡位置，并輸出運動副上的反作用力。選擇該分析類型后，時間和步數的輸入項將變為灰色而不可選。
當選擇運動學/動力學分析類型進行求解，并指定包含作為起點的靜態平衡分析時，求解器RecurDyn（Adams不支持此解算方案）首先以靜態平衡分析方式運行仿真。靜態平衡分析可以確定影響機構的所有內力和外力達到平衡的位置。將所有速度和加速度均設置為零。然后，求解器從機構的平衡位置開始運行動態分析。
（4）控制/動力學（協同仿真）
用戶要在“環境”對話框中選擇“協同仿真”復選框，“解算方案”對話框中的“控制/動力學”分析類型才會被激活，即可以從MATLAB? Simulink?中直接啟動協同仿真。然后，可以在運動仿真或MATLAB Simulink中查看動畫結果。協同仿真支持MATLAB Simulink版本R2007a、R2007b、R2008a和R2008b。
（5）柔體動力學
典型的運動仿真對象是使用剛體的機構，其中的剛體根據約束以規定的自由度進行移動。這些剛體運動仿真無法表示某些動力學特性，尤其是那些由于某些條件（如尖銳影響、運動中的突然變化，或元件非常柔軟而導致影響機構的運動）而引起的特性。對于這些情況，UG NX可以使用柔性體分析來組合彈性變形與剛體運動。
此類分析需要選擇帶RecurDyn求解器的NX運動仿真和帶NX Nastran求解器的NX高級仿真。
5．“運動仿真”工具欄
如圖14-2所示的“運動仿真”工具欄，只是運動仿真工具的一部分。在下拉菜單中選擇“工具”/
“定制”菜單命令→在彈出的“定制”對話框的“命令”選項卡中選擇“運動”命令，即可看到用于運動仿真的全部命令（見圖14-7）。用戶可以根據需要將某個命令拖動到運動工具條中。此外，如圖14-8～圖14-12所示的工具欄也是用于運動仿真的。
圖14-7 運動仿真全部命令
圖14-8 “連桿及運動副”工具欄
圖14-9 “連接器和載荷”工具欄
圖14-10 “模型準備”工具欄
圖14-11 “運動控制”工具欄
圖14-12 “動畫控制”工具欄
下面對運動主工具欄中的命令（工具）進行簡要說明。
（1）環境：用于設置解算方案類型，如運動學、動力學或控制。
（2）連桿：用于定義機構中為剛性體的構件。UG NX的連桿和機械原理教材中所說的連桿是有區別的。UG NX的連桿實質上就是作為運動單元的構件，應該看成是個剛體。用戶定義連桿時，必須選擇裝配主模型中所有一起運動的模型幾何體（零件）。在某些情況下，
需要將裝配主模型中所有不運動的幾何體（零件）也定義為1個連桿（機架）。這樣，連桿（構件）就可分為運動的和固定的兩種類型其中固定的連桿稱為機架。注意，同1個對象不能屬于兩個連桿（構件）；在創建固定連桿時，要先選擇連桿對話框中的“固定連桿”復選框。
