本發(fā)明屬于機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建模，具體涉及一種基于simulink平臺(tái)的花鍵副瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)建模方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、花鍵聯(lián)接具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、易于安裝等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于航空、航天和船舶領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)機(jī)械的力矩傳遞?；ㄦI副的核心部件為外花鍵和內(nèi)花鍵，沿徑向分為多個(gè)鍵齒和鍵槽，鍵齒和鍵槽之間為小間隙配合，在外部轉(zhuǎn)動(dòng)部件軸系力矩的作用下鍵齒、鍵槽相互嚙合產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。受限于加工制造水平，內(nèi)、外花鍵的安裝位置和鍵齒和鍵槽的幾何形狀、初始接觸狀態(tài)等往往與設(shè)計(jì)值之間存在誤差，隨著各類機(jī)械系統(tǒng)對(duì)于控制精度的要求日益增加，對(duì)于花鍵副瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)特性的研究也愈發(fā)重要。

2、近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于花鍵副的建模方法進(jìn)行了諸多研究，并取得了一定的成果。一部分學(xué)者采用簡(jiǎn)化的單自由度動(dòng)力學(xué)模型分析進(jìn)行分析，建立轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程之后采用newmark-β方法進(jìn)行數(shù)值求解，該方法可以對(duì)旋轉(zhuǎn)軸系上各節(jié)點(diǎn)的振動(dòng)特性進(jìn)行分析，但該方法對(duì)于旋轉(zhuǎn)副的形狀結(jié)構(gòu)做了過多簡(jiǎn)化，無(wú)法分析花鍵副在瞬態(tài)運(yùn)動(dòng)過程中復(fù)雜的接觸狀態(tài)；另一部分學(xué)者則借助于商用有限元軟件如ansys或abaqus對(duì)花鍵副進(jìn)行三維動(dòng)力學(xué)仿真，該方法能夠分析更為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，但存在模型的通用性不夠的問題，當(dāng)與控制系統(tǒng)耦合在一起進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)仿真和優(yōu)化時(shí)，計(jì)算效率低，無(wú)法滿足實(shí)際工程需求。

3、綜上，花鍵副瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)建模的主要難點(diǎn)在于建模時(shí)要考慮鍵齒和鍵槽之間接觸面的屬性，同時(shí)要對(duì)多自由度運(yùn)動(dòng)方程進(jìn)行高效求解。因此，基于更為開放通用的平臺(tái)，發(fā)展一種參數(shù)化的模型創(chuàng)建方法，對(duì)于旋轉(zhuǎn)機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、分析與優(yōu)化具有十分重要的意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的就是為了解決上述背景技術(shù)存在的不足，提供一種基于simulink平臺(tái)的花鍵副瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)建模方法及系統(tǒng)，充分考慮鍵齒和鍵槽之間接觸面的屬性，實(shí)現(xiàn)對(duì)多自由度運(yùn)動(dòng)方程的高效求解。

2、本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：一種基于simulink平臺(tái)的花鍵副瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)建模方法，包括以下步驟：

3、在simulink平臺(tái)中，基于solid模塊分別建立內(nèi)花鍵和外花鍵的幾何模型；

4、基于內(nèi)花鍵的幾何模型的幾何特征進(jìn)行分區(qū)，根據(jù)分區(qū)的特點(diǎn)采用不同的曲面方程生成接觸面的點(diǎn)云模型；

5、在simulink平臺(tái)中，設(shè)置內(nèi)外花鍵幾何模型的初始位置關(guān)系，基于接觸面的點(diǎn)云模型和外花鍵的幾何模型，按照設(shè)定的接觸參數(shù)、載荷和約束條件進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，得到內(nèi)花鍵與外花鍵相互接觸碰撞作用下的加速度、速度和位移。

6、上述技術(shù)方案中，基于solid模塊建立外花鍵的幾何模型的過程包括：按照外花鍵的尺寸，通過brick?solid模塊生成長(zhǎng)方體單鍵或采用extruded?solid模塊建立其他形狀的單鍵，通過cylindrical?solid模塊生成圓柱體；將若干個(gè)單鍵和圓柱體組合拼接形成外花鍵的幾何模型后設(shè)置材料密度。

7、上述技術(shù)方案中，基于solid模塊建立內(nèi)花鍵的幾何模型的過程包括：首先通過extruded?solid模塊建立內(nèi)花鍵的二分之一幾何模型，然后復(fù)制該幾何模型；采用rigidtransform連接兩個(gè)內(nèi)花鍵二分之一模型，并設(shè)置坐標(biāo)變換為繞y軸旋轉(zhuǎn)180°，得到完整的內(nèi)花鍵幾何模型。

8、上述技術(shù)方案中，通過extruded?solid模塊建立內(nèi)花鍵的二分之一幾何模型的過程包括：將半個(gè)內(nèi)花鍵的截面進(jìn)行線段劃分，得到相應(yīng)的圓弧段和折線段構(gòu)成的封閉曲線；按照內(nèi)花鍵的尺寸對(duì)封閉曲線分別進(jìn)行參數(shù)化建模；將建模后的封閉曲線的所有坐標(biāo)點(diǎn)組裝為一個(gè)矩陣變量；新建一個(gè)extruded?solid模塊，將其截面類型設(shè)置為普通，將其界面形成設(shè)置為組裝形成的矩陣變量，并按照內(nèi)花鍵的尺寸設(shè)置拉伸長(zhǎng)度和材料密度，得到內(nèi)花鍵的二分之一幾何模型。

9、上述技術(shù)方案中，內(nèi)花鍵的接觸面的點(diǎn)云模型生成過程包括：根據(jù)內(nèi)花鍵的幾何特征將結(jié)構(gòu)拆分為多個(gè)矩形特征面和圓弧特征面的組合；針對(duì)矩形特征面，采用meshgrid函數(shù)生成矩形點(diǎn)陣；針對(duì)圓弧特征面，采用參數(shù)化曲線生成圓弧，再通過均勻平移復(fù)制圓弧生成圓弧面點(diǎn)陣；基于矩形點(diǎn)陣和圓弧面點(diǎn)陣，通過矩陣的平移和旋轉(zhuǎn)操作形成用于表征內(nèi)花鍵的接觸面屬性的多組鍵槽點(diǎn)陣和圓弧面點(diǎn)陣；將所有的點(diǎn)陣組裝為一個(gè)矩陣變量；將生成的矩陣變量導(dǎo)入到simulink的point?cloud模塊并設(shè)置單個(gè)點(diǎn)的半徑，形成內(nèi)花鍵的接觸面的點(diǎn)云模型。

10、上述技術(shù)方案中，通過from?workspace模塊將設(shè)定的載荷曲線導(dǎo)入至simulink平臺(tái)，在仿真過程中按照設(shè)定的采樣頻率和插值方式進(jìn)行插值，作為內(nèi)花鍵和外花鍵的輸入載荷。

11、上述技術(shù)方案中，仿真前，根據(jù)內(nèi)花鍵和外花鍵的連接狀態(tài)，在rigid?transform模塊中設(shè)置坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)和平移參數(shù)。

12、上述技術(shù)方案中，所述接觸參數(shù)包括接觸剛度和阻尼系數(shù)。

13、本發(fā)明提供了一種基于simulink平臺(tái)的花鍵副瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)建模系統(tǒng)，用于實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)方案所述的一種基于simulink平臺(tái)的花鍵副瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)建模方法。

14、本發(fā)明提供了一種計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)，其上存儲(chǔ)有計(jì)算機(jī)程序，該計(jì)算機(jī)程序被處理器執(zhí)行時(shí)實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)方案所述的基于simulink平臺(tái)的花鍵副瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)建模方法。

15、本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)花鍵副仿真模型的高效搭建，對(duì)接觸碰撞和不對(duì)中誤差等問題進(jìn)行深入仿真分析，為基于花鍵副的旋轉(zhuǎn)機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、分析與優(yōu)化提供支撐。本發(fā)明通過solid模塊分別建立內(nèi)花鍵和外花鍵的幾何模型，以及接觸面點(diǎn)云模型，以用于后續(xù)花鍵副的瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)建模，可以高效實(shí)現(xiàn)花鍵副中各部件的參數(shù)化建模，鍵齒、鍵槽等參數(shù)靈活可調(diào)。本發(fā)明基于simulink平臺(tái)進(jìn)行仿真，可求解內(nèi)外花鍵的六自由度運(yùn)動(dòng)方程以及計(jì)算接觸碰撞力，使得所構(gòu)建的花鍵模型具有良好的工程實(shí)踐運(yùn)用價(jià)值。本發(fā)明在進(jìn)行花鍵副接觸面點(diǎn)云建模時(shí)，只需建立一個(gè)部件的接觸面點(diǎn)云模型即可，通常選取形狀更為復(fù)雜的凹形體(concave?shape)的表面建立點(diǎn)云模型，在花鍵副宜選取內(nèi)花鍵的表面進(jìn)行點(diǎn)云建模，在節(jié)約計(jì)算成本提高建模效率的同時(shí)，保證所構(gòu)建的點(diǎn)云模型能夠充分反映接觸面的特點(diǎn)，提高仿真精度。本發(fā)明基于點(diǎn)云模型的方法模擬接觸面，可以進(jìn)行復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)的接觸碰撞分析。

16、進(jìn)一步地，絕大部分商用有限元方法僅支持用四面體或六面體網(wǎng)格對(duì)幾何模型進(jìn)行剖分，不適用于復(fù)雜的曲面形狀，而本方法在建立幾何體模型和點(diǎn)云模型時(shí)，可基于實(shí)際幾何體的曲線/曲面方程進(jìn)行自編代碼生成曲面的幾何模型和點(diǎn)云模型，能夠有效適應(yīng)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的建模需求。

17、進(jìn)一步地，本發(fā)明采用三維空間中的密集點(diǎn)云模型基于幾何模型實(shí)現(xiàn)對(duì)花鍵接觸面的復(fù)雜幾何形貌進(jìn)行模擬，與幾何模型的實(shí)際情況更接近，進(jìn)而保證仿真計(jì)算結(jié)果更準(zhǔn)確。

18、進(jìn)一步地，本發(fā)明基于simulink數(shù)學(xué)計(jì)算平臺(tái)實(shí)現(xiàn)，可以iyek被廣泛應(yīng)用于機(jī)械工程、電氣工程、航空航天等領(lǐng)域，可拓展性和運(yùn)算能力強(qiáng)，具備與完善、成熟的控制、信號(hào)處理及優(yōu)化系統(tǒng)相結(jié)合的能力，對(duì)于構(gòu)建的模型的大系統(tǒng)分析與研究具備更好的適應(yīng)性和拓展性。