摘 要：通过Pro/E建立龙带传动系统三维模型，联合ANSYS和ADAMS对龙带进行动力学仿真分析，得出了动态过程中龙带张力的应力变化图。新方法能够为精确设计龙带传动系统提供依据，同时能够指导龙带传动系统的优化。
关键词：龙带传动系统；Pro/E；ANSYS；ADAMS
中图分类号：TP391.9
龙带传动系统中，当龙带在高速运转的时候，龙带锭子处的张力是不断变化的。通过理论分析计算了临界状态下各段的龙带的理论张力；同时根据变形协调关系和实验的方法得出龙带的瞬时动态张力。为更好的分析龙带，精确选择龙带的型号，提高其传递功率及防止龙带打滑现象，提高龙带寿命，同时对理论龙带张力进行验证，需对龙带进行动态仿真分析。
文献[1]对V带传功进行有限元建模分析，但是在定义接触条件的时候，采用的刚性体与刚性体的接触。文献[2]从理论上结合刚性有限元理论和多体动力学理论，通过龙带传动系统离散化，并对相邻节点进行坐标转化和递推的方法以及面面接触的方法，建立龙带系统的动力学模型。其原理是用以等效的柔性连接力来描述龙带的柔性变形。具体是通过把柔性带离散为一定数量的刚体单元，各刚体单元之间采用弹簧阻尼单元来连接，连接力的刚度矩阵和阻尼矩阵中各元素由欧拉梁方程进行计算。而V带或是龙带都属于大变形结构单元，必须定义为柔性体，接触也应该定义刚柔混合的模型，否则与实际有很大的差别。所以采用Pro/E_ANSYS和ADAMS联合仿真的方法去分析龙带系统中龙带的应力、应变和动态龙带的瞬时张力。
1 Pro/E_ANSYS和ADAMS联合仿真
联合仿真基本流程如图1所示，首先在Pro/E中建立龙带传动系统各个零件的三维实体模型，进行装配后，定义简单的约束和运动关系，并进行简单的运动仿真；通过Pro/E和ADAMS的接口将龙带传动系统模型导入ADAMS或是在Pro/E中把龙带传动系统装配图存为.x_t格式文件[3]，在ADAMS中直接读入.x_t格式文件生成龙带传动系统刚性体模型并且进行运动仿真；然后把龙带这个柔性的零件从Pro/E中导入ANSYS，在ANSYS生成龙带的柔性体中性文件；在ADAMS中建立龙带传动系统刚柔耦合模型，进行动力学仿真，输出节点力的载荷文件；最后在ANSYS中对柔性体进行处理，得出应力云图。
图1 联合仿真的基本流程图
1.1 龙带传动系统测试平台的Pro/E建模
根据龙带传动系统测试平台的基本尺寸，在Pro/E中建立该系统的三维模型如图2所示：
图2 龙带传动系统的Pro/E模型
其中，锭子包角为2.54°，龙带长度2060mm，主从动轮直径206mm，锭子直径为34mm，锭子间横向距离为240.55mm，锭子间纵向距离为96.75mm。当零件建立完成以后，通过施加约束来完成整个龙带传动系统的装配图。但是此时龙带并不能够随着主动轮的转动而转动，在Pro/E_5.0机构模块中，通过主从带轮间的距离、龙带弹性系数及其截面积的乘积来定义虚拟的带，从而实现龙带系统的运动仿真模型。
通过对龙带传动系统的测试平台的建模，不仅可以直观观察实验平台的运动过程以及零件间的运动关系，同时为下一步的动力学仿真分析奠定了基础。
1.2 ADAMS中生成龙带系统刚柔耦合模型及动力学分析
在ADAMS中建立龙带传动系统的刚体模型（如图3所示）。直接导入模型，定义材料的属性、主从动轮、锭子的旋转副约束和主动轮的驱动力矩。对于带轮和龙带直接的定义作如下分析：当两个构件的表面之间发生接触时，这两个构件就会在接触的位置产生接触力。在这里通过ADAMS提供的定义接触按钮 来对主从动轮以及锭子与龙带进行接触类型、接触力以及一个构件在另一个构件上滑动时摩擦力的计算方法等的确定，以便仿真更接近真实情况。由于模型是导入的Parasolid格式的几何体，所以创建接触的类型就可以定义为Solid-Solid，这样很容易实现。
图3 龙带系统的刚体模型
龙带作为一个大变形结构，不能直接定义为刚体，所以把龙带定义为是柔性体。因此在仿真过程中，要把龙带柔性化。在ANSYS中打开龙带的Pro/E模型，通过对其定义单元类型、材料属性和网格划分以及关键点和刚性区域的创建，最后实现龙带的柔性化，如图4所示：
图4 龙带的柔性体模型
在ADAMS中导入龙带柔性体模型，通过与龙带刚体模型固定，完成龙带传动系统的刚柔混合模型的建立，如图5所示：
图5 龙带系统的刚柔混合模型
给主动轮添加驱动，进行龙带传动的动力学仿真，生成龙带上瞬时动态力的载荷文件。
1.3 ANSYS中龙带应力应变分析
在ANSYS中打开龙带的柔性模型，然后导入力的载荷文件，从而得到龙带的应力图，如图6：
图6 龙带的应力变化图
通过龙带的应力图得知，龙带在接触部分受力大，同时紧边拉力要大于松边拉力。从图中可以得出对于带轮来说，它的紧边拉力最大，松边拉力最小。在不考虑弯曲应力和离心应力的情况下，带的拉力由紧边向松边逐步减小。同时对于锭子来说，因为每个定义都相当于负载，所以受力情况类似于从动轮，而且它的紧边拉力大于松边拉力，锭子处龙带的龙带拉力也是由紧边向松边逐步减小，这与理论分析结果相同。测试每段中节点上龙带张力的大小分别为[4]：F1=85.81N，F2=84.57，F3=83.33N，F4=82.98N，F5=81.90N，F6=80.65N。
联合Pro/E_ANSYS和ADAMS对龙带的动力学仿真，不仅可以观察相互零件间的运动关系，而且通过应力图看出龙带的受力变化情况。通过与理论数据进行比对，验证其与理论变化趋势相吻合。
2 结束语
（1）联合Pro/E_ANSYS和ADAMS软件对龙带传动系统进行运动和动力学仿真，并对龙带进行有限元建模，分析其运动过程中瞬时的动态张力变化情况。数据可靠，符合实际应用条件，可以指导对龙带传动系统的理论研究。
（2）仿真结果完全符合理论变化趋势，便于龙带传动系统的优化。同时该方法可以应用与其他领域的动态仿真。
参考文献：
[1]王韬，关详毅.V带传动有限元建模[J].机械电子，2009（31）：147-148.
[2]姚廷强，迟毅林.带传动系统的多体动力学建模与接触振动研究[J].系统仿真学报，2009（16）：4945-4950.
[3]杨敏，殷晨，波姜涛.Pro/E与ADAMS/View之间图形数据传递方法[J].中国工程机械学报，2005（03）：332-335.
[4]付园，徐海平.龙带传动系统中锭子功耗的精确测试方法[J].纺织机械，2012（03）：10-14.
作者简介：崔广军（1974.10-），男，江苏徐州人，本科，研究方向：机械设计制造及软件开发等。
作者单位：徐州机电工程高等职业学校，江苏徐州 221000