ADAMS彈簧掛鎖大作業(yè)任務(wù)

1、計算機(jī)輔助工程與分析大作業(yè)彈簧掛鎖案例分析名:號:20152203016級:任課教師:日 期:2016年6月5日上世紀(jì)九十年代以前以C3P (CAD/CAE/CAM/PDM )為代表的計算機(jī)輔助設(shè)計 工具CAX在工業(yè)界得到廣泛普及，并產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，“數(shù)字化” 作為顯著時代技術(shù)特征初露端倪。C3P首次用計算機(jī)取代人完成產(chǎn)品開發(fā)過程中機(jī)械、 繁瑣、重復(fù)的繪圖、計算和例程管理類工作，大大提高了產(chǎn)品開發(fā)效率，但由于學(xué)科 的融合度較低，各類設(shè)計工具更多地表現(xiàn)為單一學(xué)科技術(shù)的軟件化，其相互集成亦是 軟件接口實(shí)現(xiàn)所謂的數(shù)據(jù)集成，因此，以C3P為代表的計算機(jī)輔助設(shè)計工具對更高層 次的設(shè)計活動

2、如綜合分析、系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計乃至創(chuàng)新設(shè)計缺乏有效的可操作的支持。針 對這些不足，上世紀(jì)九十年代中期以來，計算機(jī)輔助設(shè)計更多地強(qiáng)調(diào)了基于多體系統(tǒng) 復(fù)雜機(jī)械產(chǎn)品的系統(tǒng)動態(tài)設(shè)計、基于多學(xué)科協(xié)同集成框架的優(yōu)化設(shè)計、基于本構(gòu)融合 的多領(lǐng)域統(tǒng)一建?？芍赜脵C(jī)、電、液、控數(shù)字化功能樣機(jī)分析的研究和開發(fā)。因此，為了更加深入地了解計算機(jī)輔助給我們帶來的影響，本文以國際上具有代 表性的復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)建模及仿真平臺 ADAMS為例，對一個彈簧掛鎖進(jìn)行多體 系統(tǒng)動力學(xué)分析和討論。關(guān)鍵詞：計算機(jī)輔助設(shè)計；多體系統(tǒng)動力學(xué)； ADAMS ;彈簧掛鎖第一章引言隨著柔性多體系統(tǒng)動力學(xué)的發(fā)展，基于相關(guān)理論的許多大型通用分析軟件（如

3、 ADAMS、DADS等）的出現(xiàn)為復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)分析提供了可靠的手段。機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)分析和仿真軟件 ADAMS是一種用于虛擬樣機(jī)分析的應(yīng)用軟件， 可對整個機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行靜力學(xué)、運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)等分析，主要用于剛體動力學(xué)分析。 ADAMS多體系統(tǒng)由幾個部分組成：部件、約束、作用力、自定義的代數(shù)-微分方程。同時，隨著多體動力學(xué)的不斷深入發(fā)展和完善，為工程實(shí)踐及科學(xué)研究提供了一 個較好的平臺。ADAMS軟件的成熟以及在各大企業(yè)中的應(yīng)用，不僅縮短了產(chǎn)品的研 發(fā)周期，降低了產(chǎn)品的生產(chǎn)成本，提高了經(jīng)濟(jì)效益，為各大企業(yè)創(chuàng)造了可觀的利潤， 更加帶動了整個行業(yè)的發(fā)展。因此，機(jī)械系統(tǒng)動態(tài)仿真技術(shù)作為21世紀(jì)先進(jìn)制

4、造模式的關(guān)鍵性能技術(shù)，現(xiàn)已成為各國紛紛研究的熱點(diǎn)，它有著廣闊的發(fā)展前景和市場。 它面向系統(tǒng)的全生命周期和全系統(tǒng)，使研究、開發(fā)研制和使用者之間的聯(lián)系更為有效， 加速了新技術(shù)向產(chǎn)品轉(zhuǎn)化的開發(fā)、研制與使用過程，提高產(chǎn)品質(zhì)量，增強(qiáng)企業(yè)競爭力。第二章ADAMS軟件案例分析2.1ADAMS 軟件介紹ADAMS軟件，即機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)自動分析軟件 ADAMS (Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems )，是美國 MDI 公司(Mechanical Dynamics Inc.) 開發(fā)的虛擬樣機(jī)分析軟件。目前，ADAMS已經(jīng)被世界各行各業(yè)的數(shù)百家主要制造上

5、 采用。根據(jù)1999年機(jī)械系統(tǒng)動態(tài)仿真分析軟件國際市場份額的統(tǒng)計資料，ADAMS軟件銷售總額近8千萬美元、占據(jù)了 51%的份額。ADAMS軟件使用交互式圖形環(huán)境和零件庫、約束庫、力庫，創(chuàng)建完全參數(shù)化的 機(jī)械系統(tǒng)幾何模型，其求解器采用多剛體系統(tǒng)力學(xué)理論中的拉格朗日方程方法，建立 系統(tǒng)動力學(xué)方程，對虛擬機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行靜力學(xué)、運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)分析，輸出位移、速 度、加速度和反作用力曲線。ADAMS軟件的仿真可用于預(yù)測機(jī)械系統(tǒng)的性能、運(yùn)動 范圍、碰撞檢測、峰值載荷以及計算有限元的輸入載荷等。ADAMS 一方面是虛擬樣機(jī)分析的應(yīng)用軟件，用戶可以運(yùn)用該軟件非常方便地對 虛擬機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行靜力學(xué)、運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)分

6、析。另一方面，又是虛擬樣機(jī)分析開發(fā) 工具，其開放性的程序結(jié)構(gòu)和多種接口，可以成為特殊行業(yè)用戶進(jìn)行特殊類型虛擬樣 機(jī)分析的二次開發(fā)工具平臺。ADAMS軟件有兩種操作系統(tǒng)的版本：UNIX版和Win dows NT/2000 版。ADAMS軟件由基本模塊、擴(kuò)展模塊、接口模塊、專業(yè)領(lǐng)域模塊及工具箱5類模塊組成。用戶不僅可以采用通用模塊對一般的機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行仿真，而且可以采用專用 模塊針對特定工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域的問題進(jìn)行快速有效的建模與仿真分析。2.2多體系統(tǒng)動力學(xué)案例分析2.2.1案例以及軟件的選擇本次案例分析選擇的是彈簧掛鎖。 首先要說明的是，本次案例來源于ADAMS教 程實(shí)例中的一個案例。因?yàn)橹安]有接

7、觸過 ADAMS這個軟件，而且多體動力學(xué)相關(guān)的知識設(shè)計也 少。最重要的是，現(xiàn)在自己的研究方向是綠色設(shè)計制造，因此，對于這類有限元分析 軟件的使用也非常少。所以，這次的案例參考了 ADAMS教程中的實(shí)例，并自己親手 操作和分析了這個案例。軟件我選用的是 ADAMS-2012 版本的軟件，這個軟件相對于課上老師使用的2010版本，有一個好處就是操作界面更為簡潔明了，能夠很快地熟悉并操作這個軟 件。222彈簧掛鎖介紹彈簧掛鎖的物理樣機(jī)模型如圖2-1所示，虛擬樣機(jī)模型如圖2-2所示。HtxikOHandleSliderP i VO I圖2-1彈簧掛鎖物理樣機(jī)模型圖2-2彈簧掛鎖虛擬樣機(jī)模型圖2-1中h

8、an die、p ivot、slider和hook分別對應(yīng)圖2-2中的手柄、曲柄、連 桿和掛鉤。圖2-2中還給出了彈簧和手柄力的位置所在，其中彈簧是反映彈簧掛鎖的 鎖緊力，手柄力則表示正常情況下我們需要多大的力就能使彈簧掛鎖鎖緊。彈簧掛鎖的工作原理如下：在手柄力處下壓操作手柄（handle），掛鎖就能夾緊。 下壓期間，曲柄（Pivot）將會繞著最下面一點(diǎn)做順時針轉(zhuǎn)動，從而通過其中部的點(diǎn)使掛鉤（hook ）向后運(yùn)動，從而產(chǎn)生夾緊力。此時，連桿（slider）上與手柄連接的點(diǎn) 向下運(yùn)動，直到該點(diǎn)與掛鉤上左側(cè)和右側(cè)點(diǎn)在同一條直線上時，彈簧掛鎖的夾緊力達(dá) 到最大值。本次案例中設(shè)計的目標(biāo)是：只需要 80

9、N的手柄力就能使彈簧掛鎖產(chǎn)生不小于 800N的鎖緊力。223彈簧掛鎖案例分析本次案例分析的流程分以下3步:（1）建模。首先對彈簧掛鎖的各個部件進(jìn)行建模，并在它們之間建立起正確的 約束；（2）測試。首先測試環(huán)境；其次，建立鎖緊力和鎖緊角度的測量環(huán)境； 最后，對 部件施加合適的載荷；（3）分析。對輸出的鎖緊力和鎖緊角度的曲線進(jìn)行分析，并判斷彈簧掛鎖是否 符合使用條件。本次案例的使用條件如下：（1）彈簧掛鎖的鎖緊力不小于800N ；（2）操作人員提供的力為80N ；接下來，我們開始進(jìn)入彈簧掛鎖的多體系統(tǒng)動力學(xué)分析。開啟ADAMS的證書認(rèn)證，服務(wù)器啟動成功后，進(jìn)入ADAMS-View2012 。選擇

10、New Model，然后會彈出如圖2-3所示的對話框。我們在 Model Name 一欄輸入 “ tan hua ngguasuo ”作為文件名，重力方向、單位均默認(rèn)，文件保存路徑可以自行 修改。設(shè)置結(jié)束后，點(diǎn) 0K，正式進(jìn)入ADAMS，其操作界面如圖2-4所示。UnitsMM1K3 - mm kgH,s,degWorking DirectoryD:wofkssa?G of a damsOKApply I CancelCreate New ModelModel Name tanhuangguasuolGravityEarth Morinal ( Globial Y)圖2-3圖2-4操作界面5

11、na-!卜、IbMflH I . I* feta I IMW I.亠>勺* pm* HiF>* « * # 陀 I# *-接下來，為方便建模，我們通過Sett in gs-U nits ,將長度單位改為Cen timeter ,如圖2-5所示。然后通過Setting-Working Grid設(shè)置工作柵格，柵格尺寸設(shè)置為25X25，格距為1，如圖2-6所示。最后通過Sett in g-lco ns 設(shè)置圖標(biāo)的大小，將尺寸 改為2，如圖2-7所示。這樣一來，我們的建模環(huán)境就設(shè)置好了，接下來將工作區(qū)調(diào) 整好合適的大小就可以。為方便建模，這里介紹幾個快捷鍵。F4:顯示點(diǎn)坐標(biāo)；“按

12、住鍵盤 Z ” + “按住 鼠標(biāo)左鍵”向上（下）滑動：放大（縮小）；“按住鍵盤R” + “按住鼠標(biāo)左鍵”：旋轉(zhuǎn)模型；“按住鍵盤T” + “按住鼠標(biāo)左鍵”：移動模型。X 3LengthMassForceTimeVorkirg Grid Setting%Show Working GridRectangular 廣 Pel arSizeSpacing 1 0I KilogramI NewtonI SecondI DegreeAngleFreq,uency | HertzMMKS MKSCGS IPSOK圖2-5Cancel IColorSet LocationWeightK3Set Onertati

13、on .二jHH rL._OK ._j ApplyCancelrQ Icor Settings! Visibilky rfEslih/oddfcursX ir1'Currint Def* litOnJ Nflw Value1Mo ChangeJ-Sijf For ft Mndsl IconsCurtem Difauli5.0FJr'a?P Sa/e new giz& as defajl3pecrfy Allritrite5 fcr1 PaneMsibilicyC On- Irhert1廠DftF Mo ChangeJ Sir已 of tonsd|Color1Narr V

14、is bihty1 No'Change二|OK J App>y JCancsl 1圖2-7圖2-6接下來，對各個部件進(jìn)行建模。（1）首先，要建立3個點(diǎn)，各點(diǎn)坐標(biāo)如下:X坐標(biāo)Y坐標(biāo)Z坐標(biāo)100023303280然后，通過Bodies-Solids里的曲柄模塊對曲柄建模，曲柄半徑和厚度均為1cm， 依次選取上面建好的三個點(diǎn)，單擊右鍵，建好后如圖2-8所示。圖2-8曲柄(2)然后，再建立點(diǎn)4，坐標(biāo)為(-10,22,0 )。然后通過Bodies-Solids里的連桿模塊，選取點(diǎn)3和點(diǎn)4建立手柄模型。建好后如圖2-9所示。-;圖2-9(3)接著，通過Bodies-Solids中的拉伸模塊，

15、以此選取如下11個點(diǎn)，對掛鉤 進(jìn)行建模，拉伸長度為1cm。為選取方便，在選取點(diǎn)時按住 Ctrl鍵。X坐標(biāo)Y坐標(biāo)Z坐標(biāo)530350-660-1460-1550-1530-1410-1210-1230-530420（4）接著，再建立兩個點(diǎn)，坐標(biāo)分別為點(diǎn) 5（-1,10,0 ）和點(diǎn)6（-6,5,0 ）。通過 Bodies-Solids中的連桿模塊，分別選取這兩個點(diǎn)，建立連桿模型。（5） 接著，建立地塊模型，地塊是為了對掛鉤的運(yùn)行軌跡進(jìn)行約束而建立的。 通 過Bodies-Solids 中的立方體模塊，設(shè)置類型為“ On Ground ”，選?。?2,1,0）， 將鼠標(biāo)拖到點(diǎn)（-18,-1,0 ）處，

16、完成地塊的建模。（6） 最后，增加彈簧構(gòu)件。通過Forces-Flexible Connections中的彈簧模塊， 其中K設(shè)置為800，意味著彈簧剛度系數(shù)是 800N/cm ，C設(shè)置為0.5，意味著阻尼 系數(shù)為0.5N*s/cm。這表明，掛鉤每向后運(yùn)動1cm的距離，就會產(chǎn)生800N的鎖緊 力。建立好的模型如圖2-10所示。圖2-10模型整體示意圖接下來，要對模型進(jìn)行相應(yīng)的約束。（1 ）根據(jù)需要，通過Connectors-Joints中的轉(zhuǎn)動副模塊，我們在手柄和曲柄間、曲柄和掛構(gòu)間、掛鉤和連桿間、連桿和手柄間、曲柄和地面間添加轉(zhuǎn)動副。（2）通過Connectors-Primitives中的點(diǎn)面

17、約束模塊，將掛鉤上約束一點(diǎn)只能在地塊面上運(yùn)動。（3）最后，通過Forces-AppliedForces模塊在手柄末端點(diǎn)處添加點(diǎn)應(yīng)力，其中Run-time Direction設(shè)置為“ Body Moving ”，力大小設(shè)置為80N。這樣一來,我們的工作環(huán)境也設(shè)置好了。圖2-11鎖緊力曲線圖接下來，進(jìn)行仿真模擬以及分析。（1）彈簧掛鎖鎖緊力模擬。首先，通過 Simulatio n-Simulate中的仿真模塊，設(shè)置步長為0.2，步數(shù)為50,進(jìn)行模擬。模擬結(jié)束后，右鍵選取彈簧構(gòu)件，選擇Measure， 將Characteristic內(nèi)容改為force，點(diǎn)OK。此時出現(xiàn)鎖緊力變化的曲線圖。如圖2-11

18、所示。（2）鎖緊角度模擬。通過 Design Ex plorati on-Measure中的角度測量模塊，選擇Advaneed，出現(xiàn)如圖2-12所示對話框。將測量名稱改為“ center_angle ”， 然后在First Marker后的對話框內(nèi)右鍵，選Marker-Pick ，選擇點(diǎn)5,然后在Middle Marker選點(diǎn)3，Last Marker選點(diǎn)6。測量的角度如圖2-13所示。后的對話框內(nèi)右 鍵，選 Marker-Pick，選擇點(diǎn) 5，然后在 Middle Marker 選點(diǎn) 3，Last Marker 選點(diǎn) 6。點(diǎn)OK。測量的角度如圖2-13所示。之后會顯示角度的曲線圖，如圖2-14所示。D Angle Measureh/leasure NameFirst Marker:Middle Marker：Last Marker.XCreate Strip ChartHi*OKApply I Canc&l2-1211圖2-14測量角度曲線(3)仿真分析。我們不難看到，當(dāng)測量的角度值為 0。時，鎖緊力達(dá)到最大值。 我們要找的就是這個最大值是多少。 這就需要我們對這個角度的測量加入一個傳感器。通過Design E