虛擬樣機技術

1、 1、概念： 機械工程中的虛擬樣機技術又稱為機械系統(tǒng)動態(tài)仿真技術，是國際上機械工程中的虛擬樣機技術又稱為機械系統(tǒng)動態(tài)仿真技術，是國際上2020世紀世紀8080年代發(fā)展起來的一項計算機輔助工程（年代發(fā)展起來的一項計算機輔助工程（CAECAE）技術。工程師在）技術。工程師在計算機上建立樣機模型，對模型進行各種計算機上建立樣機模型，對模型進行各種動態(tài)性能分析動態(tài)性能分析，然后改進樣機，然后改進樣機設計方案，用數(shù)字化形式代替?zhèn)鹘y(tǒng)的實物樣機實驗設計方案，用數(shù)字化形式代替?zhèn)鹘y(tǒng)的實物樣機實驗。 2、研究范圍主要是機械系統(tǒng)的運動學和動力學分析，其核心是利用計算機輔助分析主要是機械系統(tǒng)的運動學和動力學分析，其核

2、心是利用計算機輔助分析技術進行機械系統(tǒng)的運動學和動力學分析，以確定系統(tǒng)及其各構件在任技術進行機械系統(tǒng)的運動學和動力學分析，以確定系統(tǒng)及其各構件在任意時刻的位置、速度和加速度，同時，通過求解代數(shù)方程組確定引起系意時刻的位置、速度和加速度，同時，通過求解代數(shù)方程組確定引起系統(tǒng)及其各構件運動所需的作用力和反作用力統(tǒng)及其各構件運動所需的作用力和反作用力第一章第一章 緒論緒論1 1、1 1虛擬樣機技術虛擬樣機技術在機械系統(tǒng)中有三種不同性質的分析1 1、機械系統(tǒng)的靜力學分析：剛性系統(tǒng)、機械系統(tǒng)的靜力學分析：剛性系統(tǒng)2 2、機械系統(tǒng)的運動學分析：主要涉及系統(tǒng)及其構件的運、機械系統(tǒng)的運動學分析：主要涉及系統(tǒng)及

3、其構件的運動分析動分析 當機構的自由度當機構的自由度=0=0時時, ,進行運動學分析進行運動學分析3 3、機械系統(tǒng)的動力學分析：主要涉及由外力作用引起的、機械系統(tǒng)的動力學分析：主要涉及由外力作用引起的系統(tǒng)運動分析系統(tǒng)運動分析 當機構的自由度當機構的自由度0時時,進行動力學分析進行動力學分析3、虛擬樣機技術的應用、虛擬樣機技術的應用 廣泛應用于汽車制造、工程機械、航天航空、造船、廣泛應用于汽車制造、工程機械、航天航空、造船、航海、機械電子和通用機械各領域。航海、機械電子和通用機械各領域。1 1、2 2 虛擬樣機技術軟件虛擬樣機技術軟件比較有影響的有美國比較有影響的有美國MSCMSC公司的公司的A

4、DAMSADAMS、比利時、比利時LMSLMS公司公司的的DADSDADS以及德國航天局的以及德國航天局的SIMPACKSIMPACK。 ADAMSADAMS 占據(jù)市場占據(jù)市場50%50%以上份額。其他軟件還有：以上份額。其他軟件還有：Working ModelWorking Model、Flow3DFlow3D、IDEASIDEAS、PhoenicsPhoenics、ANSYSANSYS和和PamcrashPamcrash。ADAMSADAMS（Automatic DynamicAutomatic DynamicAnalysis Mechanical Analysis Mechanical

5、SystemSystem）軟件是美國）軟件是美國MDIMDI公司（現(xiàn)已并入公司（現(xiàn)已并入MSCMSC公司）開發(fā)的機公司）開發(fā)的機械系統(tǒng)動力學仿真分析軟件，械系統(tǒng)動力學仿真分析軟件，是目前世界上最具權威的，使是目前世界上最具權威的，使用最廣的機械動力學分析軟件。用最廣的機械動力學分析軟件。ADAMSADAMS軟件的仿真可用于預測機械系統(tǒng)的性能、運動軟件的仿真可用于預測機械系統(tǒng)的性能、運動范圍、碰撞檢測、峰值載荷以及計算有限元的輸入載荷等。范圍、碰撞檢測、峰值載荷以及計算有限元的輸入載荷等。包括包括ADAMS/View ADAMS/SolverADAMS/View ADAMS/Solver及其他擴

6、展模塊。及其他擴展模塊。第二 章 ADAMS軟件2、1 ADAMS軟件模塊介紹軟件模塊介紹 ADAMS由基本模塊、擴展模塊、接口模塊、由基本模塊、擴展模塊、接口模塊、專業(yè)領域模塊組成專業(yè)領域模塊組成基本模塊：基本模塊：ADAMSADAMS軟件包包括三個最基本的解題模塊：軟件包包括三個最基本的解題模塊：ADAMS/ViewADAMS/View（基本環(huán)境）（基本環(huán)境） ADAMS/SolverADAMS/Solver（求解器）（求解器） ADAMS/PostProcessorADAMS/PostProcessor（后處理）（后處理）ADAMS/ViewADAMS/View（界面模塊）：樣機建摸、樣

7、機模型（界面模塊）：樣機建摸、樣機模型數(shù)據(jù)的輸入和編輯、與求解器和后處理等程序的數(shù)據(jù)的輸入和編輯、與求解器和后處理等程序的自動連接、虛擬樣機分析參數(shù)的設置、各種數(shù)據(jù)自動連接、虛擬樣機分析參數(shù)的設置、各種數(shù)據(jù)的輸入和輸出、同其他應用程序的接口。的輸入和輸出、同其他應用程序的接口。ADAMS/SolverADAMS/Solver（求解器）：求解機械系統(tǒng)的運動和動力學問題的（求解器）：求解機械系統(tǒng)的運動和動力學問題的程序程序ADAMS/PostProcessorADAMS/PostProcessor（后處理）：回放仿真結果、繪制各種分（后處理）：回放仿真結果、繪制各種分析曲線析曲線擴展模塊擴展模塊-

8、ADAMS/linear-ADAMS/linear模塊（線形化分析模塊）：進行系統(tǒng)仿模塊（線形化分析模塊）：進行系統(tǒng)仿真時將系統(tǒng)非線形的運動學和動力學進行線形化處理真時將系統(tǒng)非線形的運動學和動力學進行線形化處理專業(yè)模塊專業(yè)模塊ADAMS/Aaircraft:ADAMS/Aaircraft:是專門用來構造飛機起落架模型和飛機模型的是專門用來構造飛機起落架模型和飛機模型的軟件環(huán)境軟件環(huán)境ADAMS/CarADAMS/Car（轎車模塊）：是（轎車模塊）：是MDIMDI公司與公司與AudiAudi、BMWBMW、VolvoVolvo等公司等公司合作開發(fā)的整車設計模塊，能夠快速建造高精度的整車虛擬樣機。

9、合作開發(fā)的整車設計模塊，能夠快速建造高精度的整車虛擬樣機。ADAMS/Chassis(ADAMS/Chassis(底盤模塊底盤模塊):):可以建立標準的汽車子系統(tǒng)和部件或可以建立標準的汽車子系統(tǒng)和部件或者管理大量的懸架或整車實驗數(shù)據(jù)者管理大量的懸架或整車實驗數(shù)據(jù)ADAMS/Driverline:ADAMS/Driverline:用戶可快速的建立、測試具有完整傳動系統(tǒng)用戶可快速的建立、測試具有完整傳動系統(tǒng)或或傳動部件的功能化虛擬樣機或或傳動部件的功能化虛擬樣機ADAMS/EngineADAMS/Engine：可以快速創(chuàng)建配氣機構、曲柄連桿、正時帶以及：可以快速創(chuàng)建配氣機構、曲柄連桿、正時帶以及其

10、他驅動附件的虛擬模型其他驅動附件的虛擬模型ADAMS/RailADAMS/Rail：專門用于研究鐵路機車、車輛、列車和線路相互作：專門用于研究鐵路機車、車輛、列車和線路相互作用的模塊用的模塊接口模塊：接口模塊：ADAMS/ControlsADAMS/Controls：用戶可以將基于幾何外形的完整的系：用戶可以將基于幾何外形的完整的系統(tǒng)模型，便捷的放到所使用的控制系統(tǒng)設計軟件所定統(tǒng)模型，便捷的放到所使用的控制系統(tǒng)設計軟件所定義的框圖中。義的框圖中。ADAMS/FlexADAMS/Flex（柔性分析模塊）：提供了（柔性分析模塊）：提供了ADAMSADAMS軟件與其軟件與其他有限元軟件之間的雙向數(shù)據(jù)

11、接口。他有限元軟件之間的雙向數(shù)據(jù)接口。2、3虛擬樣機仿真分析基本步驟虛擬樣機仿真分析基本步驟機械系統(tǒng)機械系統(tǒng)的建模的建模仿真分析仿真分析仿真結果仿真結果分析分析驗證仿真驗證仿真分析結果分析結果精制機械精制機械系統(tǒng)模型系統(tǒng)模型重復仿真重復仿真分析分析機械系統(tǒng)機械系統(tǒng)優(yōu)化分析優(yōu)化分析YN第三章 ADAMS操作初步3、1 ADAMS的啟動及窗口基本操作的啟動及窗口基本操作3、2 幾何建模幾何建模3、3 約束模型機構約束模型機構3、4施加載荷施加載荷3 3、1 ADAMS1 ADAMS的啟動及窗口基本操作的啟動及窗口基本操作StartProgramMSC.SoftwareMSC.ADAMS 2005A

12、viewADAMS-ADAMS-View 啟動程序后，出現(xiàn)對話框有啟動程序后，出現(xiàn)對話框有4種不同的啟動方式：種不同的啟動方式：（1）creat a new model 產(chǎn)生一個新的模型文產(chǎn)生一個新的模型文件件（2）open an existing database打開已經(jīng)存在打開已經(jīng)存在的模型文件的模型文件（3）import a file 調(diào)入一個命令文件調(diào)入一個命令文件（4）exit 退出退出ADAMSADAMS/View建模環(huán)境。建模環(huán)境。ADAMS/View窗口簡介窗口簡介3、2 幾何建模幾何建模的預備知識幾何建模的預備知識 1、幾何體類型、幾何體類型 剛體、柔性體、點質量、大地剛體、

13、柔性體、點質量、大地 2、幾何體的命名、幾何體的命名 點質量：點質量：POINT_MASS_1 剛體剛體:PART_2建模前的準備工作建模前的準備工作 1、工作柵格的設置、工作柵格的設置 2、坐標系的設置、坐標系的設置 3、單位的設置、單位的設置 4、確定當前所繪幾何形體屬于：新的構件、向現(xiàn)有、確定當前所繪幾何形體屬于：新的構件、向現(xiàn)有構件添加的幾何形體、添加在地基上的幾何構件。構件添加的幾何形體、添加在地基上的幾何構件。創(chuàng)建幾何體創(chuàng)建幾何體 1、創(chuàng)建關鍵點、創(chuàng)建關鍵點 2、創(chuàng)建坐標標記點、創(chuàng)建坐標標記點 3、創(chuàng)建直線和多線段、創(chuàng)建直線和多線段 4、創(chuàng)建圓弧和圓、創(chuàng)建圓弧和圓 5、創(chuàng)建多義線、

14、創(chuàng)建多義線創(chuàng)建實體創(chuàng)建實體 1、創(chuàng)建矩形塊、創(chuàng)建矩形塊 2、創(chuàng)建圓柱體、創(chuàng)建圓柱體 3、創(chuàng)建球體、創(chuàng)建球體 4、創(chuàng)建錐臺、創(chuàng)建錐臺 5、創(chuàng)建圓環(huán)、創(chuàng)建圓環(huán) 6、創(chuàng)建連桿、創(chuàng)建連桿 7、創(chuàng)建平板、創(chuàng)建平板 8、創(chuàng)建拉伸實體、創(chuàng)建拉伸實體 9、創(chuàng)建旋轉體、創(chuàng)建旋轉體創(chuàng)建復雜幾何圖形創(chuàng)建復雜幾何圖形 P40P40 1、連接線性建構幾何圖形幻燈片、連接線性建構幾何圖形幻燈片 15 2、組合幾何體幻燈片、組合幾何體幻燈片 16 3、添加幾何體細節(jié)特征幻燈片、添加幾何體細節(jié)特征幻燈片 17將線框幾何圖形連接成復雜的剖面形狀將線框幾何圖形連接成復雜的剖面形狀,然后然后通過拉伸或旋轉通過拉伸或旋轉,創(chuàng)建實體或

15、開口幾何體創(chuàng)建實體或開口幾何體.注意注意:被被連接的幾何體必須在端點處相接觸連接的幾何體必須在端點處相接觸,并且不能為封閉圖形并且不能為封閉圖形.創(chuàng)建了單獨的零件后創(chuàng)建了單獨的零件后,可以通過可以通過ADAMS提供的提供的布爾運算工具布爾運算工具,將它們組合成復雜的幾何體將它們組合成復雜的幾何體. 1、兩個實體求和、兩個實體求和 2、兩個實體求交、兩個實體求交 3、用一個實體切另一個實體、用一個實體切另一個實體 4、重生成求交或求割前的各零件、重生成求交或求割前的各零件 5、合并幾何體、合并幾何體包括：邊緣倒角、邊緣圓角、開孔、添加凸臺、包括：邊緣倒角、邊緣圓角、開孔、添加凸臺、抽殼等。抽殼等

16、。修改構件特性修改構件質量、轉動慣量和慣性積修改構件質量、轉動慣量和慣性積幾何建模.ADAMS實例教程實例教程.pdf3、3 約束模型機構模型構件創(chuàng)建結束后，要定義構件間的連接方式和相對模型構件創(chuàng)建結束后，要定義構件間的連接方式和相對運動方式，就是對模型施加約束運動方式，就是對模型施加約束約束類型約束類型 1 1、理想約束。包括轉動副、移動副和圓柱副理想約束。包括轉動副、移動副和圓柱副等等 2、虛約束。限制構件某個運動方向、虛約束。限制構件某個運動方向 3、運動產(chǎn)生器。例如，規(guī)定一個構件遵循某、運動產(chǎn)生器。例如，規(guī)定一個構件遵循某個時間函數(shù)按指定的軌跡規(guī)律運動。個時間函數(shù)按指定的軌跡規(guī)律運動。

17、 4、接觸約束。定義兩構件在運動中發(fā)生接觸、接觸約束。定義兩構件在運動中發(fā)生接觸時是怎樣相互約束的。時是怎樣相互約束的。約束的命名約束的命名 系統(tǒng)自動生成的約束名為系統(tǒng)自動生成的約束名為JOINT_1JOINT_1常用約束常用約束常用理想約束常用理想約束虛約束虛約束高副約束高副約束定義機構的運動定義機構的運動3、4施加載荷施加力施加力施加力矩施加力矩創(chuàng)建彈簧創(chuàng)建彈簧3.5 仿真和動畫如果模型的自由度如果模型的自由度=0 進行運動學仿真進行運動學仿真如果模型的自由度如果模型的自由度=1 進行動力學仿真進行動力學仿真第四章 ADAMS建模與仿真實例曲柄連桿機構曲柄連桿機構 曲柄連桿機構入圖，曲柄曲

18、柄連桿機構入圖，曲柄AC長長90mm，OC距距離離300mm。計算。計算=30度時度時r,r, ACO本案例主要分以下幾個步驟：本案例主要分以下幾個步驟：建立模型，設置單位和重力建立模型，設置單位和重力建立零件和鏈接建立零件和鏈接運動仿真運動仿真繪制結果繪制結果單擺結構如圖單擺結構如圖,桿為勻質桿桿為勻質桿.質量質量2KG,長長450mm,在垂在垂直平面內(nèi)擺動直平面內(nèi)擺動,當當=30=30度時角速度為度時角速度為3rad/s,3rad/s,求此時求此時A A點的支撐力點的支撐力凸輪機構(1)通過連接13個點繪出凸輪的輪廓線凸輪機構的設計(2)凸輪機構的設計一般采用反轉法凸輪機構的設計一般采用反

19、轉法,是在選定從動件的運是在選定從動件的運動規(guī)律和確定凸輪機構基本尺寸動規(guī)律和確定凸輪機構基本尺寸(基圓半徑和偏距基圓半徑和偏距)的的前提下前提下,采用反轉法原理設計出凸輪的輪廓曲線采用反轉法原理設計出凸輪的輪廓曲線從動件運動規(guī)律:S=(h/)(0度180度)S=(h/2)*(1+cos(pi/ )*(-180)(180度360度)其中，h=100mm, =180； =tIF(expr1:expr2,expr3,expr4)仿真結果后處理ADAMS/PostProcessorADAMS/PostProcessor模塊主要提供了兩個功能：仿真模塊主要提供了兩個功能：仿真結果回放功能和分析曲線繪制

20、功能。結果回放功能和分析曲線繪制功能。進入進入ADAMS/PostProcessorADAMS/PostProcessor的方法的方法窗口簡介窗口簡介Step函數(shù)函數(shù) 格式格式:step(x,x0,h0,x1,h1)(x0,h0)(x1,h1)樣機的參數(shù)化分析ADAMS提供了提供了3種類型的參數(shù)化分析方法種類型的參數(shù)化分析方法 設計研究（設計研究（Design study） 試驗研究（試驗研究（Design of Experiments,DOE） 優(yōu)化研究（優(yōu)化研究（Optimization）設計研究（Design study）主要考慮和研究：如果某個變量發(fā)生變化，或主要考慮和研究：如果某個變量發(fā)生變化，或者取不同的值，樣機的性能將會發(fā)生怎樣的變者取不同的值，樣機的性能將會發(fā)生怎樣的變化?；?。通過設計分析，將得到以下分析結果：通過設計分析，將得到以下分析結果：樣機的有關性能可能的變化范圍樣機的有關性能可能的變化范圍樣機有關性能的變化對設計參