徐石磊 甘忠 韩琦

(西北工业大学,西安710072)

摘要:针对树脂基复合材料树脂与其固化剂的配比要求,结合连杆机构的运动特点,设计了一套配比机构,用机械的 方法实现了树脂与固化剂的配比输送。在运动学仿真软件ADAMS下建立了机构的虚拟样机,并对该样机进行了运动学分 析,验证了机构工作的可行性,并说明了机构的优化方法。

关键词:配比机构;虚拟设计; ADAMS;仿真;优化

中图分类号: TP391·9　文献标识码: A　文章编号: 1001-3881 (2007) 9-074-2

0　引言

由于先进树脂基复合材料具有诸多金属材料无法 比拟的优点,如重量轻、可设计、耐腐蚀、有利于减低噪声污染等,在航空工业中的应用越来越广泛,环氧树脂便是当前航空工业中最常用的树脂体系之一。环氧树脂通常以单一组分出售,使用时需加入固化剂。固化剂的种类繁多,可以赋予树脂体系不同的工艺性能和材料性能。环氧树脂通常与胺发生固化反应,胺/环氧的反应灵活性很大,可以通过调节反应的配方得到不同的工艺性能和材料性能。虽然现在也有单组分环氧树脂,使用中不需再加入固化剂,只要加热到合适的工艺温度即可发生固化反应。但是对于种类众多、性能差异很大的环氧类树脂来说,只是非常少的一部分,选用单组分树脂缩小了可选树脂的范围,所以为了获得广泛的适用性,需要设计配比装 置。

现今配比装置的方案实现方法都相对复杂,国内鲜见针对航空工业树脂体系的配比机构的研发方面的报导,为此笔者设计了一套机械连杆配比机构,并运用ADAMS的虚拟样机技术对机械连杆配比机构进行了仿真优化,为机械连杆配比机构的设计提供了理论依据。

1　工作原理

整套装置主要组成部分见图1,其中液压缸与树脂泵固连在机架上,液压缸的活塞杆与树脂泵的活塞杆相互固连,活塞杆与杆1、杆1与杆2、杆2与杆3 依次铰接,杆3与机架构成水平滑动副。而固化剂泵的活塞杆铰接在杆1上,固化剂泵缸体垂直固连在杆 3上。

当树脂泵活塞杆处于最上端位置时,杆2处于竖直状态。当液压缸的上腔泵入液压油时,推动液压缸的活塞在油压下向下运动,进而带动固连在液压缸活塞杆下部的树脂泵活塞杆向下运动,杆1绕其质心逆 时针转动,杆2绕其质心顺时针转动。杆3及固连在其上的固化剂泵缸体沿机架向右平动,固化剂泵活塞 杆沿着缸的内壁向下运动,在整个装置运动的过程中,通过调整各个连杆的长度及位置,只要能够找到满足使两活塞杆运动速度成比例的设计方案,即可满足配比要求。

2　建立模型

2·1　模型分析

混合配比装置的核心问题是设计的机构能够满足给定的运动要求,即两活塞杆运动的速度成一固定比例。整个机构在运动过程中,应尽可能保证树脂泵活塞杆运动方向与固化剂泵活塞杆运动方向始终相同, 这样利于实现两活塞运动速度成比例的要求。将保证 两活塞杆的运动速度的方向相同作为首先确定的条件 (见机构运动简图2(a)),即杆1与杆5的运动方向 相同。杆1代表树脂泵活塞杆,被与机架固连的点F 处滑动副约束,所形成的运动副实际为树脂泵的缸内 壁与树脂泵活塞杆构成的滑动副。杆5在点E处穿过 与杆4垂直固连的滑动副,所以运动方向始终竖直向 下,如果杆5代表固化剂泵的活塞,只要将固化剂泵 缸体垂直固连在杆4上,即可实现确定的运动。点G处的滑动副实际上为整个机构增加了一个平面内的自由度,使整个机构的自由度为1。

由图2(a)可知A、B、C、D、E、G各点的位置 决定了机构中各构件的尺寸和相对位置,若以点G 为原点, A、B、C、D、E各点则为设计的关键点。 通过这些设计点建立虚拟样机模型。图2(b)即为环 氧树脂和固化剂的配比比例为100∶40时的样机。

2·2　模型的参数化

在ADAMS中,以点 A—E为设计点建立模型 后以-10mm/s的速度驱 动样机进行初次仿真输出的固化剂的瞬时速度测试曲线如图3所示。由ADAMS的数据统计功 能可知其最大速度和最小速度分别为-4·0mm/s和-4·031 3mm/s,而设计预 期为-4·0mm/s,可见设计的模型是反映了真实配比 要求,可以进行仿真和优化。为了获得最佳的设计要 求,需要进一步优化。以A—E设计点的x、y坐标为设计量,进行模型优化。当各点的坐标值发生变化时 各构件的尺寸也相应发生变化,系统会自动修改模型不需要人工操作,大大提高了优化效率。

3　仿真优化

优化的目的是要在满足约束条件的前提下,尽量使速度配比误差最小。利用系统的设计功能,针对速度配比误差对各设计变量进行设计分析,通过 ADAMS/View的“Design Evaluation”功能进行设计研 究,核心是设定设计变量的取值范围和缺省的步距。 ADAMS/View根据设定步距在此范围内自动地进行仿 真,提供设计变量到每个实验步骤进而得出不同的仿 真结果,通过比较这些结果,最终确定样机的设计参 数的影响。见表1,在100∶40配比比例条件下,通 过对各个设计变量优化研究发现Ay、Bx、By、Cx4 个坐标对速度配比误差有较大影响。选定4个坐标作 为设计变量,以速度配比误差平均值的最小值为目标函数,利用ADAMS/View的“Design Evaluation”功 能进行优化分析计算,即得优化结果。

由表1可知经过优 化的配比机构其速度配 比误差由0·572 226%变 为0·084 648%,配比误差缩小了85·21%,由 图4可知优化后的固化剂速度变化更平缓也最接近预期速度,瞬时配比误差很小,得到了比较满意 的结果。当配比比例变化,变量的优化结果也会发生变化。但在100∶40比例下优化得到的机构依然可以满足配比要求,配比误差依然很小。

4　结束语

本文结合实际要求设计了一套适合实验研究用的配比装置,通过对机构的工作原理和工作要求进行分 析,并运用机械系统动力学仿真分析软件ADAMS进 行了仿真优化计算,提高了优化设计效率,得到了比常规设计更合理的参数。

参考文献

【1】韩琦·RTM注射装置研究[D]·西北工业大学, 2006·

【2】徐灏·机械设计手册(第5卷) [M]·机械工业出版 社, 1992·1·

【3】郑建荣·虚拟样机技术入门与提高[M]·机械工业 出版社, 2002·

作者简介:徐石磊(1981—),男,汉族,河南禹州 人,西北工业大学机电学院硕士研究生,航空宇航制造工 程专业。电话: 029 – 88493962 – 607, 13186040287。 E-mai:l xushilei111@ 126·com。