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。
