基于Mworks的机械系统仿真实验研究

李斌?陈立平?黄正东

摘?要：本文采用Mworks系统的标准件库对双级圆柱齿轮减速器进行了建模仿真，建模过程简捷、仿真效果直观。学生可以直观的在模型中设定系统中电机转速、力矩、齿轮传动比等参数，通过仿真系统自动得到不同设计结果，让学生学习复杂机械产品不断优化的设计过程。

关键词：Mworks系统仿真实验?仿真效果

中图分类号：TU646文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2012）10（a）-0006-02

目前机械产品通常是机械、电子、控制等多领域子系统的组成，因此机械产品设计是一个系统设计过程，是工程分析和优化决策的过程，是产品性能的不断优化的过程，Mworks为产品多学科优化设计提供了一个很好的平台。

MWorks[1-5]是华中科技大学CAD中心（同元软控）历经10余年倾力打造的新一代多领域物理系统建模与仿真平台，完全支持国际多领域统一建模标准语言Modelica，提供了从可视化建模、编译求解到结果后处理的完整功能，并支持基于Modelica模型的多学科多目标优化。

该系统可利用现有大量可重用的Modelica领域库，广泛地满足机械、电子、控制等领域建模仿真与设计优化需求。能使不同领域的研发人员在统一的开发环境中对复杂产品进行多领域协同开发、试验和分析。从而大大提高产品研发效率。目前该系统已经成功应用于中国商用飞机有限公司（国产大飞机）项目，应用效果良好。

本文主要针对本科生《机械设计》课程设计要求，对减速箱基本动力学分析，使用Mworks进行减速箱功率、受力、运动等性能仿真，帮助学生进行机械系统优化设计。

1减速箱仿真模型建立

1.1 几何模型建立

本文以应用广泛、结构相对简单的标准双级圆柱齿轮减速器为例子，首先使用三维CAD软件建立其三维几何、装配模型，能帮助学生能进一步直观掌握减速箱的各零部件的装配关系，完成装配模型后生成爆炸图，如图1所示。将缸体、缸盖、以及固定缸体缸盖的螺栓和螺母拆开，了解减速箱内部结构，使得学生能够非常直观的看到减速箱内部结构，为结构设计打下基础。

1.2 动力仿真模型建立

目前的多领域物理建模平台在不同领域库的支持下，采用可视化拖放建模方法构建仿真模型，其过程如下：先建好底层模型，再在主模型中拖放底层模型作为主模型的部件，或者从Modelica标准库中拖放模型作为主模型的部件。

图2所示为作者开发多领域建模仿真平台Mworks减速箱模型。具体操作步骤如下叙述。

启动MWorks，出现如图所示的启动界面，上面横条为工具栏和菜单栏，可以启动工作、各种操作，右边为视图浏览区、输出信息栏和属性栏。左上部分是系统模型库，包括各种机械、电子等已有的参数化模型，具体如下。

Blocks——连续和离散的输入/输出部件子库，例如滤波器、信号源等。

Constants——提供数学常量、机械相关的常量和自然界其他常量等。

Electrical——电气和电子元件库，例如电阻、二极管、三极管等。

Icons——提供基本图标定义的库，用于可视化建模。

Math——提供数学函数（如sin、cos、log等）和矩阵运算功能的子库。

Mechanics——包括一维和三维机械系统部件（如变速箱、行星齿轮、离合器等）的子库。

SIunits——定义了与ISO 31-1992一致的国际单位类型，如角度、电压、惯量等。

用户可以根据需要用鼠标拖拽的方式拉到设计工作区，左下部分是现有模型视图，以结构树的形式列出当前系统包含的各种组件。模型库右边是主工作区，可以通过拖拽模型库中已有的模型到工作区设计产品。

在左边“系统模型库”树视图上依次展开节点“Modelica”->“Mechanics”->“MultiBody”，显示系统中已经存在模型库，比如电机、传动齿轮等。双击节点“Rotor”，MWorks载入电机模型及其所需的组件，并在视图浏览区显示模型部件结构，左下方“现有模型”视图显示系统标准库和用户库中模型的层次结构，右边的视图浏览区显示已有的模型结构。以此类推，将电机、齿轮、扭矩等组件拖拽进工作区，并添加链接组件，构成减速箱基本传动结构。

选中“Rotor”组件的图标，单击右键，弹出快捷菜单，如图2-4示，通过“Parameters…”调出组件参数对话框（依次点击“Graphics”->“Selected Component”->“Parameters…”也能调出该对话框），在其中可以修改组件的名称、参数等。

在部件视图浏览区双击代表组件的图标（或单击组件图标使之选中，然后通过“Graphics”->“Selected Component”->“Show Component”；或打开右键快捷菜单，选择“Show Component”），可以查看组件模型细节。当鼠标在组件图标上悬停时，会显示组件的类型信息。

“当前模型”树视图和右边显示的组件保持同步。当在部件视图浏览区选中某一组件，左边的“当前模型”树视图也会选中代表该组件的节点；同样，在“当前模型”树视图中选中某节点，部件视图浏览区也会选中该节点所表示的组件。部件视图浏览区显示组件的具体结构，“当前模型”给出了模型的整体结构，使得能够在模型的层次结构中切换和浏览。

现在部件视图浏览区显示的是减速箱组件的结构，包括电机、扭矩、负载、齿轮等，并且左边“当前模型”视图中表示减速箱组件的节点展开了，可以看到减速箱模型内部的组件，当选中某个组件时，属性栏显示组件的基本属性和组件参数，根据设计要求可以修改齿轮传动比、负载等参数，使系统负荷设计要求。

2模型仿真

建好模型后，我们可以仿真的方式检验模型是否能够达到设计要求，并可以调整组件的参数进行优化设计。

选择“Simulation”->“Goto Simulator”菜单项或工具栏的“启动仿真界面”按钮打开仿真界面，如图示。如果要设置仿真参数，通过菜单“Simulation”->“Setup”或工具栏“仿真参数设置”按钮进入设置界面，设置终止时间为1s。

通过菜单“Simulation”->“Simulate”或工具栏“模型求解”按钮进行仿真。MWorks先翻译模型，然后进行求解。求解完成后，变量树视图中显示模型中的变量，选中变量前的复选框，可以绘制出度变化的曲线，如图5示，电机的角速度motor1.Jm.w变化曲线。

在左边变量框，选择相应变量，比如齿轮扭矩等，仿真后可显示相应的动力学曲线。

3结语

本文采用Mworks的标准件库对应用广泛、结构相对简单的标准双级圆柱齿轮减速器进行了建模仿真，学生可以直观的设定系统中电机转速、力矩、齿轮传动比等参数，系统自动得到不同设计结果，让学生体会到机械产品不断优化的设计过程。这样将有利于学生掌握机械设计过程，提高产品设计能力，为将来从事相关工作打下坚实的基础，同时也为工科学生的工程学习提供新的途径。

参考文献

[1]吴义忠，刘敏，陈立平.多领域物理系统混合建模平台开发[J].计算机辅助设计与图形学学报，2006，18（1）： 120-124.

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