一种基于网格变形技术的机构运动副磨损仿真方法技术领域
本发明涉及机械结构仿真设计技术领域，具体来说，涉及一种基于网格变形技术
的机构运动副磨损仿真方法。
背景技术
机械产品的一个主要失效形式就是零部件表面磨损。绝大多数零件都与别的零件
发生静或动的接触和配合关系，载荷作用于表面，摩擦和磨损就发生了，磨损积累到一定程
度，零件的尺寸变化超出允许范围造成零件报废。零件的使用寿命在很大程度上收到表面
磨损的限制。
零件表面的磨损机理十分复杂，不仅与零件本身的材料性质有关，而且与零件之
间的相互作用有着密切联系，目前对于零部件表面磨损的理论研究和试验研究都有着较高
的技术难度。网格变形法是一种从应变量换算应力分布的构造模拟法。先在模型表面划出
规则的小网格(网格可为方形、矩形或者三角形)，然后对模型施加载荷，用读数显微镜度量
加载前后网格坐标之差求出线应变或角应变，根据应力应变关系求出应力分布。网格变形
技术是数字几何处理的一个核心技术，近年来得到了国内外研究者的极大关注，且在逆向
工程、工业品创新设计及计算机动画等领域得到了广泛的应用。
1953年阿查德提出了磨损体积与载荷、滑动距离成正比、接触面中较软金属的硬
度成反比的经验磨损表达式。阿查德磨损方程为：
![]()
式中：V为磨损掉的材料体积，S接触面相对滑动距离，F是接触面间法向载荷，H是
较软材料布氏硬度值，K是产生磨粒的概率即磨损系数。阿查德磨损方程左右两边同除以面
积A可得如下表达式：
![]()
又dS＝vdt，用![]()
表示磨损深度，那么式(2)可以表示为：
δ＝∫kpvdt (3)
式中，![]()
是与材料有关的磨损系数，v表示接触面相对滑动速度，![]()
是单
位面积接触压力。
发明内容
本发明的目的在于提出一种基于网格变形技术的机构运动副磨损仿真方法，能够
实现对零件表面磨损情况的仿真。
为实现上述发明目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种基于网格变形技术的机构运动副磨损仿真方法，包括以下步骤：
1)创立机构运动副模型，判断机构运动副模型的接触区域，记为目标区域，采用网
格划分所述目标区域，并输出网格节点的编号和原始坐标；
2)在所述网格节点处创建无质量的小球模型，并用小球模型代替目标区域与机构
运动副模型接触，建立起小球模型与机构运动副模型的动力学仿真模型；
3)执行动力学仿真，获取小球模型与机构运动副模型间的相互作用力及相对滑动
速度；
4)根据阿查德磨损计算公式计算网格节点处的磨损深度，所述阿查德磨损计算公
式如下所示：
δ＝∫kpvdt
其中：δ表示磨损深度，k为磨损系数，p为压强，v是小球模型与机构运动副接触面
间的相对滑动速度；
5)根据所述磨损深度计算出网格节点的新坐标。
进一步的，步骤1)中采用网格划分软件将目标区域划分为由若干矩形单元和三角
形单元组成的混合网格，并将网格节点的编号和原始坐标输出并保存于如下的矩阵A中，
![]()
其中：矩阵A的第一列为网格节点的编号，其余三列为网格节点的原始坐标。
进一步的，所述机构运动副模型包括支架模型、电磁铁模型、两个抱爪模型、两个
连接臂模型和导向块模型，两个所述抱爪模型通过销轴模型对称设于支架模型的横向两
端，所述导向块模型包括中间的导架模型，所述导架模型的横向尺寸沿纵向向下逐渐增大，
所述导架模型上沿纵向设有滑道模型，所述滑道模型内设有挡块模型，所述挡块模型固定
设于支架模型上，两个所述连接臂模型之间连接有拉簧模型，两个所述连接臂模型的两端
在拉簧模型的作用下分别与导架模型的横向两端和抱爪模型靠近销轴模型的一端相抵接，
所述电磁铁模型设于导架模型的下面，所述导架模型在电磁铁模型的作用下能够在所述滑
道模型的行程内沿纵向向下滑动，所述导架模型还连接有用于使导架模型向上滑动的复位
弹簧模型。
进一步的，步骤5)中按照如下公式计算出网格节点的新坐标
![]()
其中：Δh＝δ表示磨损深度，![]()
表示磨损方向，A′表示磨损后网格节点的编号坐标
矩阵。
进一步的，步骤2)中所述小球模型的半径小于0.1mm，且其球心与网格节点相重
合。
进一步的，步骤2)中采用matlab编写并输出ADAMS的命令流CMD文件的方式来设置
小球模型的分布，其中CMD文件的作用为在DAMS工作环境中，通过命令在网格节点处创建无
质量小球模型，并在小球模型和导向块模型之间创建接触。
本发明的有益效果：本发明通过将网格变形技术应用于机构运动副的仿真，具体
来说，通过划分网格的方式将目标区域离散，建立起接触压力、运动副元素间相对滑动速度
与磨损量之间的定量关系，并通过可视化展现目标区域磨损后特征；本发明基于网格变形
技术的运动副磨损仿真法为机构的结构设计、寿命设计提供了参考。
附图说明
图1是本发明所述的抱爪机构模型的仿真结构示意图；
图2是本发明所述的抱爪机构模型的局部仿真结构示意图；
图3是本发明所述的磨损仿真的流程示意图；
图4是本发明所述的抱爪模型与连接臂模型作用区域的小球模型分布示意图；
图5是本发明所述的抱爪模型与连接臂模型作用区域的磨损结构示意图；
图6是本发明所述的抱爪模型与连接臂模型作用区域的磨损量投影图。
图中所示：
1-支架模型；2-电磁铁模型；3-抱爪模型；4-连接臂模型；5-导向块模型；6-导架模
型；7-滑道模型；8-挡块模型；9-拉簧模型；10-销轴模型。
具体实施方式
下面结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。
如图3所示，本发明实施例所述的一种基于网格变形技术的机构运动副磨损仿真
方法，包括以下步骤：
1)创立机构运动副模型，判断机构运动副模型的接触区域，记为目标区域，采用网
格划分所述目标区域，并输出网格节点的编号和原始坐标；
在本实施例中，如图1-2所示，所述机构运动副模型包括支架模型1、电磁铁模型2、
两个抱爪模型3、两个连接臂模型4和导向块模型5，两个所述抱爪模型3通过销轴模型10对
称设于支架模型1的横向两端，所述导向块模型5包括中间的导架模型6，所述导架模型6的
横向尺寸沿纵向向下逐渐增大，所述导架模型6上沿纵向设有滑道模型7，所述滑道模型7内
设有挡块模型8，所述挡块模型8固定设于支架模型1上，两个所述连接臂模型4之间连接有
拉簧模型9，两个所述连接臂模型4的两端在拉簧模型9的作用下分别与导架模型6和抱爪模
型3相抵接，所述电磁铁模型2设于导架模型6的下面，所述导架模型6在电磁铁模型2的作用
下能够在所述滑道模型7的行程内沿纵向向下滑动，所述导架模型6还连接有用于使导架模
型6向上滑动的复位弹簧模型(图中未示)。
在本实施例中，步骤1)中采用网格划分软件将目标区域划分为由若干矩形单元和
三角形单元组成的混合网格，并将网格节点的编号和原始坐标输出并保存于如下的矩阵A
中，
![]()
其中：矩阵A的第一列为网格节点的编号，其余三列为网格节点的原始坐标。
上述矩形单元或三角形单元是平直不可弯曲的区域面，其数量和尺寸决定了网格
表面的几何精度和磨损表面的平滑程度。
2)在所述网格节点处创建无质量的小球模型，并用小球模型代替目标区域与机构
运动副接触，建立起小球模型与机构运动副的动力学仿真模型；
在本实施例中，采用matlab编写并输出ADAMS的命令流CMD文件的方式来设置小球
模型的分布，其中CMD文件的作用为在DAMS工作环境中，通过命令在网格节点处创建无质量
小球模型，并在小球模型和连接臂模型之间创建接触。在小球模型的创建过程中，要求所述
小球模型的半径小于0.1mm，且其球心与网格节点相重合。在网格节点处创建无质量小球模
型目的是用离散的小球模型代替目标表面与导向块模型接触，理论上小球模型数目越多越
接近实际情况，本实施例共创建了964个小球，参考图4显示了创建后小球的分布。
3)执行动力学仿真，获取小球模型与机构运动副间的相互作用力及相对滑动速
度；
抱爪模型3与连接臂模型4属于点面的接触，抱爪模型3与连接臂模型4接触部位
(即目标区域)容易磨损，当磨损量累积到一定程度，抱爪模型3就难以抱紧物料而失效。考
虑到两个抱爪模型3的对称性，取左抱爪模型作为目标进行磨损仿真分析，右抱爪模型将具
有与其相似的磨损特征。
具体操作时，在ADAMS工作环境中，导架模型6在电磁铁模型2和复位弹簧模型的作
用下上下移动，从而控制抱爪模型3的张合。抱爪模型3在张开和闭合过程中目标区域表面
受到挤压和摩擦，记录目标区域表面的接触信息。执行动力学仿真时，运动副元素间的碰撞
摩擦过程划分为若干时间步长，记录每个时间步长下目标区域表面的接触信息，接触信息
包括运动副元素间接触点位置、接触力、接触过程中的速度位移。
4)根据阿查德磨损计算公式计算网格节点处的磨损深度，所述阿查德磨损计算公
式如下所示：
δ＝∫kpvdt
其中：δ表示磨损深度，k为磨损系数，p为压强，v是小球模型与机构运动副接触面
间的相对滑动速度；
接触面相对滑动速度v通过步骤3)的动力学仿真得来；单位面积接触压力
![]()
其中FN是法向接触压力，![]()
式中Si表示节点所在单元面积，三角形单元时a
＝3，四边形单元时a＝4；磨损系数k是根据接触面间材料属性和润滑条件查表得到。
5)根据所述磨损深度计算出网格节点的新坐标。如此得到了磨损后目标表面的磨
损特征，如下循环实现了机构运动副磨损的动态仿真。图5和图6显示了目标表面的磨损特
征.
在本实施例中，步骤5)中按照如下公式计算出网格节点的新坐标
![]()
其中：Δh＝δ表示磨损深度，![]()
表示磨损方向，即为运动副接触面上网格节点位置
的法向向量，A′表示磨损后网格节点的编号坐标矩阵。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精
神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。