1、引言

在现代产品设计中，传统的经验设计、类比设计和静态设计已不能满足工程需要，必须进行动态分析和动态设计。因此现在产品设计必须突破二维图样电子化的框架转向以三维实体建模、动力学模拟仿真和有限元分析为主的机械系统动态仿真设计。而随着计算机的出现及其发展，出现了计算机辅助设计。真正的计算机辅助设计不仅是简单的二维设计的电子化,还应当包括零部件的结构工艺性、可装配性和可制造性分析，以及用FEA (有限元) 技术分析零部件的结构强度、刚度和模态等。

虚拟样机技术(Virtual Prototype Technology)是一项新兴的工程技术，它以计算机仿真和建模技术为支持；在计算机上通过CAD/CAM/CAE等技术将产品的设计资料集成到一个可视化环境中，在产品实际加工之前对产品的性能、行为、功能和产品的可制造性进行仿真、分析、预测，从而对设计方案进行评估和优化、改进产品设计、提高产品性能[1]，是一种基于智能设计、并行工程、仿真工程及网络技术的先进制造技术。是国际上80年代随着计算机技术的发展而迅速发展起来的一项计算机辅助工程（CAE）技术。工程师在计算机上建立样机模型，用数字化形式的虚拟样机代替传统的实物样机，对虚拟样机进行各种性能分析，然后再改进样机设计方案。

2、Pro/E及ADAMS简介

虚拟样机技术所使用的分析软件主要包括三维设计软件、有限元分析软件和多体动力学分析软件。其中三维设计软件包括Pro/E、UG、Solid Works等，有限元分析软件包括ANSYS、IDEAS、MSC.MARC等，多体动力学分析软件包括ADAMS、DADS等。本文主要介绍Pro/E和ADAMS两种软件。

Pro/ENGINEER软件产品的总体设计思想体现了MDA(Mechanical Design Automation)软件的新发展，是一款功能强大的基于特征的三维造型软件，它以单一数据库、参数化、基于特征、全相关及工程数据库再利用等概念改变了传统机械设计的概念，成为当今机械CAD领域的新业界标准。利用此概念开发的第三代MDA产品Pro/ENGINEER软件，能将设计至生产的全过程集成于一起，让所有的用户同时进行同一产品的设计制造工作，即并行工程。它实现了对特征的尺寸驱动和3D实体与2D工程图的双向关联驱动、实体特征建模、标准件库的建立、零部件的装配、机械动态仿真、有限元分析、干涉检查、NC加工、产品快速变形等功能，克服了二维图形不能包含产品所有设计信息，不能满足复杂图形参数化的稳定性、正确性和通用性，相关参数容易丢失的缺点。Pro/E提供了和大多CAD、CAE软件的接口，同时支持多种数据格式，如IGES、STEP、Para solid等。

ADAMS 是美国 Mechanical Dynamics Inc公司研制的可视化仿真分析软件, 使用交互式图形环境和零件库、约束库、力库，创建完全参数化的机械系统几何模型，其求解器采用多刚体系统动力学理论中的拉格朗日方程方法，建立系统动力学方程，对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析，输出位移、速度、加速度和反作用力曲线。ADAMS软件的仿真可用于预测机械系统的性能、运动范围、峰值载荷以及计算有限元的输入载荷等。借助于ADAMS软件的强大功能，我们可以方便、快速地创建机械系统几何模型，并对其进行完全参数化设计[2]。设计人员可以直接在ADAMS中创建所需的三维几何模型，也可以将从其他的三维软件中创建的实体模型导入到ADAMS环境中，然后根据实际运动情况在导入的三维模型上添加约束、施加载荷，最后对模型进行运动仿真，并可按需求对模型参数进行调整，以得到与工程实际相符合的仿真结果。

3、仿真系统开发流程
在Pro/E中进行三维建模时，如果模型过于细致，虽然外观上更加逼真，但对增加仿真分析工作量。建模及简化要遵循以下原则：


(1)．根据运动副对模型进行简化，各个零件之间的运动副要表示清楚。
(2)．在不影响视觉效果的前提下，模型外形应尽量简化。
(3)．多个零件固定连接时，可以只用一个零件表示，以节省运动副数量。因为运动链越长，计算误差越大。 构造系统虚拟样机的主要流程如下：
(a) Pro/E 建立机构简图,进行运动方案设计；
(b) 用Pro/E 建立三维模型，在Pro/E 环境中建立各零部件，然后进行装配；
(c) 用ADAMS/ Exchange 模块将三维模型转换成ADAMS 机构模型(也可用ADAMS 内部实体库存建立简单的机构模型) ；
(d) 在ADAMS/ View 工作环境中增加运动约束和驱动，并建立需要观察的动力学参数；
(e) 利用ADAMS/ Solver 模块进行动力学分析；
(f) 利用ADAMS/ Postprocessor 模块进行仿真结果的后处理,绘制曲线图；
(g) 可以将以前物理样机的测试数据输入ADAMS/ Postprocessor 进行曲线绘制，并比较虚拟样机的曲线,从而验证所设计的方案；
(h) 利用Optimize (优化) 功能进行优化设计，满意后输出分析结果。
4、高速电梯系统仿真分析

高速电梯系统是典型的多柔体动力学系统，其虚拟样机模型的建立综合了几何建模、运动约束的添加、多刚体运动学模型以及多柔体动力学模型的分析。为了有效地进行高速电梯系统动力学特性分析，本文综合Pro/E和ADAMS软件的优点，对电梯系统进行整机建模。
采用Pro/E软件建立高速电梯系统中主要部件的三维造型。在Pro/E中建立的轿顶轮、轿厢、轿架等部件的三维造型，如图1所示。


（a）轿顶轮

 （b）轿架


（c）轿厢

（d）张紧装置

图1 高速电梯整机模型主要部件

ADAMS开发了与Pro/E软件专门的接口，可以实现与Pro/E无缝连接。本文采用接口软件ADAMS/Exchange，选用两种软件共同具有的STEP格式，将建立的三维实体模型导入到ADAMS环境中，对模型进行必要的简化。采用轴套力方法[3,4]在ADAMS中建立钢丝绳模型，施加载荷、添加约束、设置驱动力，建立高速电梯系统虚拟样机如图2所示。



图2 高速电梯整机系统虚拟样机图


在曳引机激励及导轨水平激励作用下，得到轿厢动态特性仿真曲线图如图3、图4及图5所示。



图3 轿厢垂直加速度图 

图4 轿厢垂直振动加速度图


图5 轿厢水平振动加速度图



由仿真结果可知，在整个运行过程中，电梯经过了起动、平稳运行和制动三个阶段。在起动与制动过程中，电梯轿厢振动加速度比较大，并且波动幅度比较大，在约4秒时，轿厢加速度最大值达到170mm/s2。在平稳运行阶段，加速度回落，在零值附近扰动。在最后的3秒内，轿厢制动，加速度变化率较大，最大值接近170mm/s2。根据我国电梯制造与安装规范标准：电梯起制动加速度不应大于1.5m/s2，仿真结果符合国标要求。轿厢水平振动加速度最大峰值大于5000mm/s2，超出电梯制造与安装规范标准：轿厢水平振动加速度不大于1.5mm/s2。导致这种偏差的原因是滚动导靴的弹性不足，起不到防晃作用，因此调整滚动导靴参数，增大刚度，将刚度系数由2.7×104N/m增加到1.5×106N/m，得到改进后的轿厢水平振动加速度如图6所示。


图6 改进后的轿厢水平振动加速度图

改进后轿厢水平振动加速度最大值小于150mm/s2，符合国标要求。在实际生产中，合理地选择滚动导靴及轿厢与轿架间的橡胶卡块的刚度，对于减小高速电梯的水平振动，提高其舒适性有着密切关联。

5、结论

本文结合Pro/E及ADAMS软件对高速电梯整机系统进行动态特性分析及优化设计，仿真分析结果表明，电梯整机系统参数设置合理，仿真所得整机模型各项动态特性指标都在电梯行业标准规定的许可范围内。