Adams實(shí)驗(yàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)論文

1、(2010-2011學(xué)年第二學(xué)期)課程論文題目：實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)在ADAMS 優(yōu)化問題中的運(yùn)用課程名稱實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)課程類別學(xué)位課 非學(xué)位課任課教師所在學(xué)院學(xué)科專業(yè)姓名 學(xué)號(hào)提交日期2011年6月18日注意事項(xiàng)：1、以上各項(xiàng)由研究生認(rèn)真填寫；2、研究生課程論文應(yīng)符合一般學(xué)術(shù)規(guī)范，具有一定學(xué)術(shù)價(jià)值，嚴(yán)禁網(wǎng)上下載或抄襲；凡檢查或抽查不合格者，一律取消該門課程成績(jī)和學(xué)分，并按有關(guān)規(guī)定追究相關(guān)人員責(zé)任；3、論文得分由批閱教師填寫（見封底），并簽字確認(rèn)；批閱教師應(yīng)根據(jù)作業(yè)質(zhì)量客觀、公正的在文后簽寫批閱意見；4、原則上要求所有課程論文均須用A4紙打印，加裝本封面封底，左側(cè)裝訂；5、課程論文由各學(xué)院（部）統(tǒng)一保存，以備查

2、用。4、卷紙不夠?qū)?，可另附紙。?shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)在ADAMS優(yōu)化問題中的運(yùn)用摘要: 本文首先介紹了實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)目前的發(fā)展?fàn)顩r和常用的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，并對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)在虛擬樣機(jī)研究領(lǐng)域中的發(fā)展前景進(jìn)行展望。本文通過摩托車平順性仿真分析的項(xiàng)目結(jié)合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法中的析因?qū)嶒?yàn)設(shè)計(jì)技術(shù)對(duì)摩托車的懸架進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。基于虛擬樣機(jī)技術(shù),建立摩托車多體動(dòng)力學(xué)模型。以B級(jí)路面譜為振動(dòng)激勵(lì)對(duì)某款摩托車進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)分析。綜合研究摩托車懸架彈簧剛度和阻尼、后懸架彈簧與擺臂連接位置對(duì)舒適性的影響?；谔摂M樣機(jī)技術(shù)的產(chǎn)品設(shè)計(jì),大大提高了產(chǎn)品設(shè)計(jì)效率,縮短了產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期。關(guān)鍵詞： 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)；ADAMS；仿真；優(yōu)化設(shè)計(jì)前言在三十、四十年代

3、，英、美、蘇等國(guó)對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)法進(jìn)行了進(jìn)一步研究，并將其逐步推廣到工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中，在冶金、建筑、紡織、機(jī)械、醫(yī)藥等行業(yè)都有所應(yīng)用。二戰(zhàn)期間，英美等國(guó)在工業(yè)試驗(yàn)中采用實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)法取得了顯著效果，戰(zhàn)后，日本將其作為管理技術(shù)之一從英美引進(jìn)，對(duì)其的經(jīng)濟(jì)復(fù)蘇起了促進(jìn)作用。今天，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)已成為日本企業(yè)界人士、工程技術(shù)人員、研究人員和管理人員必備的一種通用技術(shù)。五十年代，田口玄一博士借鑒實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)法提出了信噪比實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，并逐步發(fā)展為以質(zhì)量損失函數(shù)、三次設(shè)計(jì)為基本思想的田口方法。八十年代，田口方法進(jìn)入美國(guó)，得到了普遍關(guān)注。如今，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)突破了傳統(tǒng)的工業(yè)過程改進(jìn)和產(chǎn)品設(shè)計(jì)范疇，廣泛地滲透到商業(yè)布局、商

4、品陳列、廣告設(shè)計(jì)及產(chǎn)品包裝的應(yīng)用之中1。1常用的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法1.1完全隨機(jī)設(shè)計(jì)不考慮個(gè)體差異的影響，僅涉及一個(gè)處理因素，但可以有兩個(gè)或多個(gè)水平，所以亦稱單因素實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)常用于將受試對(duì)象按隨機(jī)化原則分配到處理組和對(duì)照組中，各組樣本例數(shù)可以相等，也可以不等，但相等時(shí)效率高。完全隨機(jī)設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)計(jì)和統(tǒng)計(jì)分析方法簡(jiǎn)單易行；缺點(diǎn)是只分析一個(gè)因素，沒有考慮個(gè)體間的差異，因而要求各觀察單位要有較好的同質(zhì)性，否則，需擴(kuò)大樣本含量。先將實(shí)驗(yàn)對(duì)象編號(hào)，按預(yù)先規(guī)定，利用隨機(jī)排列表或隨機(jī)數(shù)字表產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)字將實(shí)驗(yàn)對(duì)象隨機(jī)分配到各組中去（用隨機(jī)排列表進(jìn)行分組時(shí)，各組例數(shù)相等；用隨機(jī)數(shù)字表進(jìn)行分組時(shí)，各組例數(shù)常不

5、相等，故常用前者）。1.2配對(duì)設(shè)計(jì)與配伍組設(shè)計(jì) 先按配比條件將受試對(duì)象配成對(duì)子或區(qū)組，再將各對(duì)或各區(qū)組中的個(gè)體按隨機(jī)分配的原則給予不同的處理。該類設(shè)計(jì)考慮了個(gè)體差異的影響，可分析處理因素和個(gè)體差異對(duì)實(shí)驗(yàn)效應(yīng)的影響，所以又稱兩因素實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，比完全隨機(jī)設(shè)計(jì)的檢驗(yàn)效率高。配對(duì)設(shè)計(jì)是將受試對(duì)象按配對(duì)條件配成對(duì)子，每對(duì)中的個(gè)體接受不同的處理。配對(duì)設(shè)計(jì)一般以主要的非實(shí)驗(yàn)因素作為配比條件，而不以實(shí)驗(yàn)因素作為配比條件。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中，常將同性別、同窩別、體重相近的兩個(gè)動(dòng)物配成一對(duì)；人群試驗(yàn)中，常將性別和年齡、生活條件、工作條件相同或相近的兩個(gè)人配成對(duì)子，再按隨機(jī)化原則把每對(duì)中的受試對(duì)象分別分配到實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組，或

6、不同處理組。此外，某些醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)研究中的自身對(duì)照也可看作是配對(duì)設(shè)計(jì)，如某指標(biāo)治療前后的比較；同一受試對(duì)象不同部位、不同器官的比較；同一標(biāo)本不同檢測(cè)方法的比較。1.3交叉設(shè)計(jì)它是在自身配對(duì)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。該設(shè)計(jì)考慮了一個(gè)處理因素（A、B兩水平），兩個(gè)與處理因素?zé)o交互作用的非處理因素（試驗(yàn)階段和受試對(duì)象）對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。首先將條件相近的觀察對(duì)象配對(duì)并依次編號(hào)（如1.1，1.2；2.1，2.2；3.1，3.2；或1,2；3,4；5,6；），再用隨機(jī)的方法將各對(duì)觀察對(duì)象分配到A、B兩組；其中一個(gè)觀察對(duì)象在第階段接受A處理，第階段接受B處理；另一個(gè)觀察對(duì)象在第階段接受B處理，第階段接受A處理。因而

7、要求觀察對(duì)象的例數(shù)為偶數(shù)。由于A、B兩種處理在全部試驗(yàn)過程中“交叉”進(jìn)行，故稱為交叉試驗(yàn)設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)中A、B處理方式處于先后兩個(gè)試驗(yàn)階段的機(jī)會(huì)是均等的，因而平衡了試驗(yàn)順序的影響；能把處理方法之間的差別與時(shí)間先后之間的差別分開來分析。1.4拉丁方設(shè)計(jì)它是按拉丁方陣的字母、行和列安排實(shí)驗(yàn)（或試驗(yàn)）的三因素等水平的設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)同時(shí)考慮三個(gè)因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。利用拉丁方陣安排實(shí)驗(yàn)（或試驗(yàn)）。拉丁方陣亦稱階拉丁方或×拉丁方，是用個(gè)拉丁字母排成行列的方陣，每個(gè)字母在每行每列中只出現(xiàn)一次。設(shè)計(jì)的基本要求：必須是三個(gè)因素的實(shí)驗(yàn)，且三個(gè)因素的水平數(shù)相等（若三因素的水平數(shù)略有不同，應(yīng)以主要處理因素的水

8、平數(shù)為主，其它兩因素的水平數(shù)可進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整）；三因素間是相互獨(dú)立的，均無交互作用；各行、列、字母所得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的方差齊。設(shè)計(jì)步驟：根據(jù)主要處理因素的水平數(shù)，確定基本型拉丁方，并從專業(yè)角度使另兩個(gè)次要因素的水平數(shù)與之相同；先將基本型拉丁方隨機(jī)化，然后按隨機(jī)化后的拉丁方陣安排實(shí)驗(yàn)?？赏ㄟ^對(duì)拉丁方的任兩列交換位置，及任兩行交換位置實(shí)現(xiàn)隨機(jī)化；規(guī)定行、列、字母所代表的因素與水平，通常用字母表示主要處理因素。1.5析因?qū)嶒?yàn)設(shè)計(jì)它是一種將兩個(gè)或多個(gè)因素的各水平交叉分組，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)（或試驗(yàn)）的設(shè)計(jì)。它不僅可以檢驗(yàn)各因素內(nèi)部不同水平間有無差異，還可檢驗(yàn)兩個(gè)或多個(gè)因素間是否存在交互作用。若因素間存在交互作用，表示各

9、因素不是獨(dú)立的，一個(gè)因素的水平發(fā)生變化，會(huì)影響其它因素的實(shí)驗(yàn)效應(yīng)；反之，若因素間不存在交互作用，表示各因素是獨(dú)立的，任一因素的水平發(fā)生變化，不會(huì)影響其它因素的實(shí)驗(yàn)效應(yīng)。該設(shè)計(jì)是通過各因素不同水平間的交叉分組進(jìn)行組合的。因此，總的實(shí)驗(yàn)組數(shù)等于各因素水平數(shù)的乘積。例如，兩個(gè)因素各有3個(gè)水平時(shí)，實(shí)驗(yàn)組數(shù)為3×3=9；四個(gè)因素各有2個(gè)水平時(shí)，實(shí)驗(yàn)組數(shù)為24=16。所以，應(yīng)用析因?qū)嶒?yàn)設(shè)計(jì)時(shí)，分析的因素?cái)?shù)和各因素的水平數(shù)不宜過多。一般因素?cái)?shù)不超過4，水平數(shù)不超過3。2虛擬樣機(jī)技術(shù)的發(fā)展前景虛擬樣機(jī)技術(shù)以機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)和控制理論為核心,借助成熟的三維計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)、基于圖形的用戶界面技術(shù)、

10、信息技術(shù)和集成技術(shù)等,將分散的產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)和分析過程集成在一起,使產(chǎn)品的設(shè)計(jì)者、使用者和制造者在產(chǎn)品研制的早期,在虛擬環(huán)境中直觀形象地對(duì)虛擬的產(chǎn)品原型進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化、性能測(cè)試、制造仿真和使用仿真,為產(chǎn)品的研發(fā)提供全新的數(shù)字化設(shè)計(jì)方法。機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的研究方法有:NewtonEuler方程法、Langrage方程法、圖論(Roberson-Wittenburg)方法、KaneHouston方法和變分方法。機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真分析軟件ADAMS在虛擬樣機(jī)技術(shù)中應(yīng)用比較廣泛,其建模的精度和可靠性在各動(dòng)力學(xué)分析軟件中也名列前茅。應(yīng)用它可以方便地建立參數(shù)化的實(shí)體模型,并采用多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)原

11、理進(jìn)行仿真計(jì)算2。摩托車是比較復(fù)雜的空間機(jī)構(gòu)，以往傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算方法在進(jìn)行系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析時(shí)有很大困難，過去多采用簡(jiǎn)化條件下的圖解法和分析計(jì)算法對(duì)摩托車的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)進(jìn)行分析，用多自由度的質(zhì)量阻尼剛體數(shù)學(xué)模型對(duì)摩托車的性能進(jìn)行仿真，所得的結(jié)果誤差較大。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，特別是20世紀(jì)80年代以來，這種情況得到了改變，而多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的成熟，使摩托車的建模與仿真產(chǎn)生了巨大的飛躍，特別是ADAMS軟件的成功應(yīng)用使得虛擬樣機(jī)技術(shù)脫穎而出?；贏DAMS的虛擬試驗(yàn)技術(shù)，可以把摩托車視為多個(gè)相互連接，彼此能夠相互運(yùn)動(dòng)的多體系統(tǒng)，其運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真比以往通過幾個(gè)自由度的質(zhì)量剛體數(shù)學(xué)模型描述

12、更加真實(shí)反映摩托車的綜合性能，也比圖解法更加直接、方便。摩托車虛擬試驗(yàn)技術(shù)是解決摩托車復(fù)雜工作過程仿真和分析的主要手段，是最有效的現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)。所謂摩托車試驗(yàn)技術(shù)采用的虛擬樣機(jī)實(shí)際上是一種能描述摩托車產(chǎn)品各項(xiàng)性能的計(jì)算機(jī)數(shù)值模型，可仿真特定摩托車在真實(shí)工作條件下的動(dòng)態(tài)行為，并以三維動(dòng)畫方式供人觀察和測(cè)量。利用摩托車虛擬樣機(jī)可以實(shí)現(xiàn)摩托車整車及其主要零部件的各項(xiàng)技術(shù)性能及疲勞壽命等的分析和預(yù)測(cè)，并容易進(jìn)行這些性能的影響因素定量分析，從而可以實(shí)現(xiàn)摩托車性能的優(yōu)化設(shè)計(jì)。3 基于ADAMS的摩托車平順性仿真與優(yōu)化3.1多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程摩托車平順性仿真試驗(yàn)中的虛擬樣機(jī)技術(shù)以多體動(dòng)力學(xué)為理論基礎(chǔ)，采用機(jī)

13、械系統(tǒng)仿真軟件ADAMS進(jìn)行懸架運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，應(yīng)用拉格朗日乘子法建立系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方程3。在ADAMS軟件中，選擇適當(dāng)?shù)膹V義坐標(biāo)對(duì)物體進(jìn)行描述，對(duì)剛體i，采用質(zhì)心在慣性參考系中的笛卡爾坐標(biāo)和反映剛體方位的歐拉角作為廣義坐標(biāo)，即： （1）每個(gè)剛體用6個(gè)廣義坐標(biāo)描述，根據(jù)拉格朗日乘子法，建立多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程為： （2）式中：完整約束方程；非完整約束方程； T系統(tǒng)動(dòng)能； q系統(tǒng)廣義坐標(biāo)列陣； Q廣義力列陣； P對(duì)應(yīng)于完整約束的拉氏乘子列陣； 對(duì)應(yīng)于非完整約束的拉氏乘子列陣。式（2）包括了機(jī)構(gòu)連接所要求的運(yùn)動(dòng)學(xué)約束，對(duì)式（2）數(shù)值積分，并且每步校核是否滿足約束就是解決機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)數(shù)值仿真問題。3.2 摩托車

14、虛擬樣機(jī)模型的建立由于發(fā)動(dòng)機(jī)的外形、結(jié)構(gòu)太過復(fù)雜,在建模中沒有考慮實(shí)體發(fā)動(dòng)機(jī)的建模,而是對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的外形進(jìn)行了簡(jiǎn)化,但其質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等力學(xué)參數(shù)保持與實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)一致,以保證動(dòng)力學(xué)分析的結(jié)果4。摩托車整體性能受摩托車乘員的質(zhì)量及油箱的質(zhì)量影響很大,在摩托車模型中也考慮了這些因素的影響,在實(shí)際的建模過程中,乘員和油箱的質(zhì)量是用兩個(gè)點(diǎn)質(zhì)量代替,點(diǎn)質(zhì)量的具體位置分別位于真實(shí)的乘員和油箱的質(zhì)心位置。在建立模型時(shí),考慮到摩托車是一個(gè)包含慣性、彈性、阻尼等動(dòng)力學(xué)特征的復(fù)雜系統(tǒng),其特點(diǎn)是運(yùn)動(dòng)構(gòu)件多、受力復(fù)雜,由于組成摩托車各機(jī)械系統(tǒng)之間的相互耦合作用,使摩托車的動(dòng)態(tài)特征非常復(fù)雜要建立摩托車動(dòng)力學(xué)仿真模型,需將復(fù)

15、雜的摩托車振動(dòng)系統(tǒng)作簡(jiǎn)化處理,去掉與研究?jī)?nèi)容沒有太多聯(lián)系的部件,在不影響仿真結(jié)果的前提下,對(duì)模型作適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化,有利于提高計(jì)算速度,減少不相關(guān)因素的影響,故做以下假設(shè): 1)將車架看作剛體,懸架零/部件中,除彈性零/部件外,其余零件全部看作剛體。2)對(duì)于摩托車虛擬樣機(jī)模型中的鉸鏈,都沒有考慮其內(nèi)摩擦。3)假設(shè)摩托車無側(cè)向振動(dòng)。4)由于要對(duì)前/后懸架做參數(shù)化分析,因此對(duì)前/后懸架做簡(jiǎn)化處理。由此建立摩托車虛擬樣機(jī)模型如圖1所示。圖1 摩托車虛擬樣機(jī)模型3.3 摩托車平順性仿真分析本文以60km /h的車速進(jìn)行虛擬機(jī)構(gòu)仿真,在人圖2摩托車動(dòng)力學(xué)模型體質(zhì)心處放置垂向加速度測(cè)試點(diǎn),得到人體質(zhì)心加速度曲線

16、和功率譜密度曲線,如圖2所示。利用ADAMS/View的后處理功能,從曲線圖2可以分析出,此款摩托車的人體質(zhì)心垂直方向振動(dòng)的加速度響應(yīng)均方根值為2·656m/s2;在1·03·5Hz內(nèi)存在多個(gè)共振峰值;整車的實(shí)際樣車路試測(cè)試座墊部位垂直方向振動(dòng)加速度響應(yīng)均方根值為3·05m/s2,誤差為12·94%5。圖2 人體質(zhì)心加速度和功率譜密度曲線3.4 懸架結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析影響摩托車乘坐舒適性的因素很多,其中摩托車懸架彈簧剛度和阻尼、后懸擺臂長(zhǎng)度、后懸彈簧與擺臂間夾角對(duì)舒適性的影響最大。因此選擇前/后減振器剛度系數(shù)、阻力系數(shù)、后減振器與搖臂的連接點(diǎn)x、y坐

17、標(biāo)共6個(gè)設(shè)計(jì)變量,進(jìn)行參數(shù)化分析。分別對(duì)6個(gè)設(shè)計(jì)變量敏感度進(jìn)行設(shè)計(jì)研究6,結(jié)果見表1從中確定出對(duì)模型性能影響最大(敏感度最大)的3個(gè)設(shè)計(jì)變量(前/后減振器的阻尼系數(shù),后減振器與搖臂的連接點(diǎn)x坐標(biāo)),并進(jìn)行優(yōu)化,得到最優(yōu)化結(jié)果,見表2從表2看出,該車的平順性有所改善,加速度均方根值由2·656m/s2優(yōu)化為2·001m/s2。4 總結(jié)1)本文首先介紹了實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)目前的發(fā)展?fàn)顩r和常用的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，并對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)在虛擬樣機(jī)研究領(lǐng)域中的發(fā)展前景進(jìn)行展望。本文通過嘉陵摩托車平順性仿真分析的項(xiàng)目結(jié)合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法中的析因?qū)嶒?yàn)設(shè)計(jì)技術(shù)對(duì)摩托車的懸架進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。2)基于ADAMS的虛擬樣機(jī)技術(shù),可以把摩托車系統(tǒng)視為多體系統(tǒng),進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真,虛擬樣機(jī)仿真可提供大量的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)參數(shù)結(jié)果,這些結(jié)果可用于分析機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特性。通過對(duì)改款摩托車虛擬樣機(jī)模型的測(cè)試結(jié)果和實(shí)際車輛的測(cè)試結(jié)果的比較可以判斷,該模型建模及簡(jiǎn)化是正確有效的,模型構(gòu)建合理,ADAMS虛擬樣機(jī)技術(shù)仿真具有較高的求解精度。3)在該模型的基礎(chǔ)上對(duì)摩托車懸架性能參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化分析,對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行反復(fù)優(yōu)化對(duì)比分析,使得平順性得到改善,降低了整車的振動(dòng)。在摩托車振動(dòng)分析中,ADAMS虛擬樣機(jī)技術(shù)可提高設(shè)計(jì)質(zhì)量,縮短開發(fā)周期,并降低開發(fā)成本。參考文獻(xiàn)1劉文卿