機電產品虛擬設計與仿真2

1、目錄目錄 第一部分第一部分 虛擬樣機技術簡介虛擬樣機技術簡介 第二部分第二部分 機械系統(tǒng)動力學分析與仿真機械系統(tǒng)動力學分析與仿真 多體系統(tǒng)動力學多體系統(tǒng)動力學 計算多體系統(tǒng)動力學計算多體系統(tǒng)動力學 第三部分第三部分 ADAMS ADAMS軟件簡介軟件簡介 ADAMS軟件案例分析軟件案例分析第一部分第一部分 虛擬樣機技術簡介虛擬樣機技術簡介 產品開發(fā)流程產品開發(fā)流程對比對比n大大減少大大減少 “設計設計- 樣機樣機 - 試驗試驗 - 改進改進 ”循環(huán)所需時間循環(huán)所需時間 n提高產品質量提高產品質量n降低成本降低成本第一部分第一部分 虛擬樣機技術簡介虛擬樣機技術簡介 虛擬樣機技術虛擬樣機技術 面向

2、系統(tǒng)級設計的、應用于基于仿真設計過程的面向系統(tǒng)級設計的、應用于基于仿真設計過程的技術，包含技術，包含數字化物理樣機數字化物理樣機(Digital Mock-up)、功能虛擬樣機功能虛擬樣機(Functional Virtual Prototyping)、和、和虛擬工廠仿真虛擬工廠仿真(Virtual Factory Simulation) 數字化物理樣機對應于產品的裝配過程（數字化物理樣機對應于產品的裝配過程（裝配性裝配性能能）、功能虛擬樣機對應于產品分析過程（）、功能虛擬樣機對應于產品分析過程（功能功能性能性能）、虛擬工廠仿真對應于產品制造過程（）、虛擬工廠仿真對應于產品制造過程（制制造性能

3、造性能）第一部分第一部分 虛擬樣機技術簡介虛擬樣機技術簡介 虛擬樣機技術虛擬樣機技術第一部分第一部分 虛擬樣機技術簡介虛擬樣機技術簡介 虛擬樣機與傳統(tǒng)虛擬樣機與傳統(tǒng)CAX(CAD/CAE/CAM)技術對技術對比比 虛擬樣機技術是面向系統(tǒng)的設計虛擬樣機技術是面向系統(tǒng)的設計/分析分析/制造，以提高制造，以提高產品產品整體整體質量和性能降低開發(fā)與制造成本為目的質量和性能降低開發(fā)與制造成本為目的 CAX技術是面向零部件的設計技術是面向零部件的設計/分析分析/制造，以提高制造，以提高零零部件部件的質量和性能為目的的質量和性能為目的第一部分第一部分 虛擬樣機技術簡介虛擬樣機技術簡介 虛擬樣機與傳統(tǒng)虛擬樣機

4、與傳統(tǒng)CAX(CAD/CAE/CAM)技術對技術對比比第一部分第一部分 虛擬樣機技術簡介虛擬樣機技術簡介 虛擬樣機技術的應用虛擬樣機技術的應用 在發(fā)達國家，如美國、德國、日本等得到廣泛應用在發(fā)達國家，如美國、德國、日本等得到廣泛應用 典型領域：汽車制造、工程機械、航空航天業(yè)、造典型領域：汽車制造、工程機械、航空航天業(yè)、造船業(yè)、機械電子工業(yè)船業(yè)、機械電子工業(yè) 典型應用案例：波音典型應用案例：波音777、火星探測器、火星探測器“探路號探路號”、Caterpillar公司利用虛擬試驗設計工程機械公司利用虛擬試驗設計工程機械第一部分第一部分 虛擬樣機技術簡介虛擬樣機技術簡介 虛擬樣機技術的應用案例虛擬

5、樣機技術的應用案例“目標是將開發(fā)時間從目標是將開發(fā)時間從60個月降為個月降為12個月，和個月，和把成本從把成本從60-70億降為億降為10億美元億美元”Boeing, Commercial Airplane Group第一部分第一部分 虛擬樣機技術簡介虛擬樣機技術簡介 虛擬樣機技術的應用案例虛擬樣機技術的應用案例汽車汽車機械機械鐵路、工程機械鐵路、工程機械航空、航天、國防航空、航天、國防第一部分第一部分 虛擬樣機技術簡介虛擬樣機技術簡介 虛擬樣機技術的三個重要內容中，虛擬樣機技術的三個重要內容中，“功能虛擬功能虛擬樣機或數字化功能樣機樣機或數字化功能樣機”起著重要作用起著重要作用 數字化功能樣

6、機內容中，數字化功能樣機內容中，機械系統(tǒng)動力學分析機械系統(tǒng)動力學分析與仿真起著重要作用與仿真起著重要作用第一部分第一部分 虛擬樣機技術簡介虛擬樣機技術簡介 功能虛擬樣機實現過程功能虛擬樣機實現過程NVH: Noise, Vibration, Harshness第一部分第一部分 虛擬樣機技術簡介虛擬樣機技術簡介 功能虛擬樣機實現過程圖示功能虛擬樣機實現過程圖示第一部分第一部分 虛擬樣機技術簡介虛擬樣機技術簡介 數字化功能樣機數字化功能樣機 (FDP-Functional Digital Prototyping)是對虛擬功能樣是對虛擬功能樣機技術機技術(FVP-Functional Virtual

7、 Prototyping)的擴展，的擴展，是在是在CAX技術和一般虛擬樣機技術基礎上發(fā)展起來，理技術和一般虛擬樣機技術基礎上發(fā)展起來，理論技術為論技術為計算多體系統(tǒng)動力學計算多體系統(tǒng)動力學、結構有限元理論結構有限元理論、其它其它領域物理系統(tǒng)建模與仿真理論領域物理系統(tǒng)建模與仿真理論，以及，以及多領域物理系統(tǒng)混多領域物理系統(tǒng)混合建模與仿真理論合建模與仿真理論。側重于系統(tǒng)層次的性能分析與優(yōu)化。側重于系統(tǒng)層次的性能分析與優(yōu)化，通過虛擬試驗，精確、快速地預測產品系統(tǒng)性能。，通過虛擬試驗，精確、快速地預測產品系統(tǒng)性能。第一部分第一部分 虛擬樣機技術簡介虛擬樣機技術簡介 數字化功能樣機數字化功能樣機數字化功

8、能樣機內容、基礎理論及支持系統(tǒng)數字化功能樣機內容、基礎理論及支持系統(tǒng)第一部分第一部分 虛擬樣機技術簡介虛擬樣機技術簡介 數字化功能樣機數字化功能樣機 發(fā)展趨勢發(fā)展趨勢 軟件系統(tǒng)功能集成：同一個軟件系統(tǒng)，基于某些相軟件系統(tǒng)功能集成：同一個軟件系統(tǒng)，基于某些相近的理論實現多功能的基礎，如有限元軟件近的理論實現多功能的基礎，如有限元軟件ANSYS 圍繞某類產品的分析與仿真實現全分析功能的集成圍繞某類產品的分析與仿真實現全分析功能的集成：如汽車開發(fā)的分析與仿真，涉及到運動特性、結：如汽車開發(fā)的分析與仿真，涉及到運動特性、結構、振動和噪聲、應力疲勞、碰撞與沖擊、控制、構、振動和噪聲、應力疲勞、碰撞與沖擊

9、、控制、電子燈特性或領域。（實現系統(tǒng)見前頁圖）電子燈特性或領域。（實現系統(tǒng)見前頁圖）第二部分第二部分 機械系統(tǒng)動力學分析與仿真機械系統(tǒng)動力學分析與仿真 多體系統(tǒng)動力學多體系統(tǒng)動力學 是機械系統(tǒng)動力學分析與仿真技術的理論基礎是機械系統(tǒng)動力學分析與仿真技術的理論基礎 是指系統(tǒng)是指是指系統(tǒng)是指多個物體多個物體通過通過運動副運動副連接的復雜機械系統(tǒng)連接的復雜機械系統(tǒng) 在經典剛體系統(tǒng)動力學的基礎上，經歷了在經典剛體系統(tǒng)動力學的基礎上，經歷了多剛體系統(tǒng)動力學多剛體系統(tǒng)動力學和和計算多體系統(tǒng)動力學計算多體系統(tǒng)動力學兩個發(fā)展階段兩個發(fā)展階段 根據物體的力學特性，多體系統(tǒng)可分為根據物體的力學特性，多體系統(tǒng)可分為

10、多剛體系統(tǒng)多剛體系統(tǒng)、柔性多柔性多體系統(tǒng)體系統(tǒng)和和剛柔混合多體系統(tǒng)剛柔混合多體系統(tǒng)第二部分第二部分 機械系統(tǒng)動力學分析與仿真機械系統(tǒng)動力學分析與仿真 多體系統(tǒng)案例多體系統(tǒng)案例 第二部分第二部分 機械系統(tǒng)動力學分析與仿真機械系統(tǒng)動力學分析與仿真 多體系統(tǒng)案例多體系統(tǒng)案例第二部分第二部分 機械系統(tǒng)動力學分析與仿真機械系統(tǒng)動力學分析與仿真 多體系統(tǒng)案例多體系統(tǒng)案例汽車懸掛系統(tǒng)，含柔性輪胎汽車懸掛系統(tǒng)，含柔性輪胎第二部分第二部分 機械系統(tǒng)動力學分析與仿真機械系統(tǒng)動力學分析與仿真 多體系統(tǒng)四要素多體系統(tǒng)四要素 物體物體 鉸鉸 外力（力偶）外力（力偶） 力元：包括彈簧、梁、襯套等力元：包括彈簧、梁、襯套等

11、 多體系統(tǒng)研究內容多體系統(tǒng)研究內容 運動學運動學：從幾何角度研究物體的運動規(guī)律，如位移、速度、加速度等（不考慮從幾何角度研究物體的運動規(guī)律，如位移、速度、加速度等（不考慮力和質量）力和質量） 動力學動力學：研究運動與作用力之間的關系，動力學正問題研究運動與作用力之間的關系，動力學正問題已知運動求力；動已知運動求力；動力學逆問題力學逆問題已知力求運動（考慮力和質量）已知力求運動（考慮力和質量） 靜平衡靜平衡：研究在與時間無關的力作用下系統(tǒng)的平衡位置。靜平衡分析一種特殊研究在與時間無關的力作用下系統(tǒng)的平衡位置。靜平衡分析一種特殊的動力學分析。的動力學分析。第二部分第二部分 機械系統(tǒng)動力學分析與仿真

12、機械系統(tǒng)動力學分析與仿真 計算多體系統(tǒng)動力學建模與求解過程計算多體系統(tǒng)動力學建模與求解過程 建模階段：物理模型和數學模型建模階段：物理模型和數學模型 求解階段：根據情況應用求解器中的運動學、動力求解階段：根據情況應用求解器中的運動學、動力學、靜力平衡或逆向動力學分析算法，迭代求解。學、靜力平衡或逆向動力學分析算法，迭代求解。第二部分第二部分 機械系統(tǒng)動力學分析與仿真機械系統(tǒng)動力學分析與仿真 計算多體系統(tǒng)動力學建模與求解過程計算多體系統(tǒng)動力學建模與求解過程 運動學運動學分析案例分析案例案例：案例：桿桿OA以角速度以角速度為為10/s 逆時針旋轉逆時針旋轉, 求當點求當點A 在在x =- 60,

13、y = 80 時（圖示時（圖示A位置）位置）, 桿桿A B 和和B C 的角速度的角速度?第二部分第二部分 機械系統(tǒng)動力學分析與仿真機械系統(tǒng)動力學分析與仿真用解析法做機構的運動學分析：復數矢量法用解析法做機構的運動學分析：復數矢量法(method of complex vector)和矩陣法和矩陣法(matrix method)復數矢量法復數矢量法1: 作出機構的封閉矢量多邊形作出機構的封閉矢量多邊形2：構建封閉矢量位置方程：構建封閉矢量位置方程3：將封閉矢量位置方程表達：將封閉矢量位置方程表達為復數矢量形式，推導位置方為復數矢量形式，推導位置方程式程式4：對位置方程式求導得到速：對位置方程式

14、求導得到速度方程式度方程式5：對速度方程式求導得到加：對速度方程式求導得到加速度方程式速度方程式計算過程計算過程第二部分第二部分 機械系統(tǒng)動力學分析與仿真機械系統(tǒng)動力學分析與仿真用解析法做機構的運動學分析：復數矢量法用解析法做機構的運動學分析：復數矢量法(method of complex vector)和矩陣法和矩陣法(matrix method)復數矢量法復數矢量法31 11233221 113223sin()/ sin()sin()/ sin()llll 2223tan(/ 2)()/ ()AABCBC1 313114222221341 412sin2 ( cos)2cosAl lBl

15、llClllll l2222tan(/ 2)()/()DDEFEF1 211 212 4222212431 412sin2cos22cosDl lEl ll lFlllll l第二部分第二部分 機械系統(tǒng)動力學分析與仿真機械系統(tǒng)動力學分析與仿真 計算多體系統(tǒng)動力學建模與求解過程計算多體系統(tǒng)動力學建模與求解過程 動力學動力學分析案例分析案例求該質量塊的位移、速求該質量塊的位移、速度和加速度度和加速度第三部分第三部分 ADAMS ADAMS軟件軟件（機械系統(tǒng)動力學自動分析軟件，（機械系統(tǒng)動力學自動分析軟件，A Automatic utomatic D Dynamic ynamic A Analysi

16、s of nalysis of MMechanical echanical S Systemsystems）是集建）是集建模、求解、可視化技術于一體的虛擬樣機軟件模、求解、可視化技術于一體的虛擬樣機軟件, , 是目前世界上使用范圍最廣、最負盛名的機械是目前世界上使用范圍最廣、最負盛名的機械系統(tǒng)仿真分析軟件。使用這套軟件可以產生復系統(tǒng)仿真分析軟件。使用這套軟件可以產生復雜機械系統(tǒng)的虛擬樣機雜機械系統(tǒng)的虛擬樣機, , 真實地仿真其運動過真實地仿真其運動過程程, , 并且可以迅速地分析和比較多種參數方案并且可以迅速地分析和比較多種參數方案, , 直至獲得優(yōu)化的工作性能直至獲得優(yōu)化的工作性能第三部分第

17、三部分 ADAMS ADAMS軟件的特點軟件的特點利用交互式圖形環(huán)境和零件庫、約束庫、力庫建利用交互式圖形環(huán)境和零件庫、約束庫、力庫建立機械系統(tǒng)三維參數化模型立機械系統(tǒng)三維參數化模型; ;分析類型包括運動學、靜力學和準靜力學分析以分析類型包括運動學、靜力學和準靜力學分析以及線性和非線性動力學分析及線性和非線性動力學分析, , 包含剛體和柔性體分包含剛體和柔性體分析析; ;具有先進的數值分析技術和強有力的求解器具有先進的數值分析技術和強有力的求解器, , 使使求解快速、準確求解快速、準確; ;具有組裝、分析和動態(tài)顯示不同模型或同一個模具有組裝、分析和動態(tài)顯示不同模型或同一個模型在某一個過程變化的

18、能力型在某一個過程變化的能力, , 提供多種提供多種“虛擬樣機虛擬樣機”方案方案; ;具有一個強大的函數庫供用戶自定義力和運動發(fā)具有一個強大的函數庫供用戶自定義力和運動發(fā)生器生器; ;第三部分第三部分 ADAMS ADAMS軟件的特點軟件的特點具有開放式結構具有開放式結構, , 允許用戶集成自己的子程序允許用戶集成自己的子程序; ; 自動輸出位移、速度、加速度和反作用力曲線自動輸出位移、速度、加速度和反作用力曲線, , 仿仿真結果顯示為動畫和曲線圖形真結果顯示為動畫和曲線圖形; ;可預測機械系統(tǒng)性能、運動范圍、碰撞、包裝、可預測機械系統(tǒng)性能、運動范圍、碰撞、包裝、峰值載荷以及計算有限元的輸入載

19、荷峰值載荷以及計算有限元的輸入載荷; ;支持同大多數支持同大多數CADCAD、FEA FEA 和控制設計軟件包之間和控制設計軟件包之間的雙向通訊。的雙向通訊。第三部分第三部分 ADAMS ADAMS軟件的組成軟件的組成 核心模塊核心模塊：用戶界面（用戶界面（view)，求解器（，求解器（solver）和后）和后處理（處理（PostProcessor） 功能擴展模塊：試驗設計與分析，振動分析，耐用性分功能擴展模塊：試驗設計與分析，振動分析，耐用性分析，液壓系統(tǒng)，高速動畫，系統(tǒng)模態(tài)分析，數字化裝配析，液壓系統(tǒng)，高速動畫，系統(tǒng)模態(tài)分析，數字化裝配回放等回放等 專業(yè)模塊：轎車模塊，概念化懸架模塊，動力

20、傳動系統(tǒng)專業(yè)模塊：轎車模塊，概念化懸架模塊，動力傳動系統(tǒng)模塊，駕駛員模塊，經驗動力學模型，柔性體生成器模模塊，駕駛員模塊，經驗動力學模型，柔性體生成器模塊，輪胎模塊，配氣機構模塊，鐵道模塊塊，輪胎模塊，配氣機構模塊，鐵道模塊第三部分第三部分 ADAMS ADAMS軟件的組成軟件的組成 工具箱：虛擬試驗工具箱，鋼板彈簧工具箱，軟件開發(fā)工具箱：虛擬試驗工具箱，鋼板彈簧工具箱，軟件開發(fā)工具包，履帶工具包，履帶/輪胎式車輛工具箱，模態(tài)應力恢復與疲輪胎式車輛工具箱，模態(tài)應力恢復與疲勞工具包，齒輪傳動工具箱，飛機起落架工具箱勞工具包，齒輪傳動工具箱，飛機起落架工具箱 接口模塊：接口模塊：Pro/e接口，圖

21、形接口模塊，接口，圖形接口模塊，CATIA專業(yè)接專業(yè)接口模塊，控制模塊，柔性分析模塊口模塊，控制模塊，柔性分析模塊第三部分第三部分 ADAMS ADAMS軟件的核心模塊軟件的核心模塊 用戶界面用戶界面ADAMS/view（重點學習部分）（重點學習部分）交互式圖形建模、仿真計算、動畫顯示、X-Y曲線圖處理、結果分析、數據打印等。分層建模，具有零件幾何圖形庫、約束庫和力/力矩庫，支持布爾運算，parosolid作為實體建模的核心。具有自定義的高級編程語言，支持命令行輸入命令和C+語言。第三部分第三部分 ADAMS ADAMS軟件的核心模塊軟件的核心模塊 用戶界面用戶界面ADAMS/view（重點學

22、習部分）（重點學習部分）第三部分第三部分 ADAMS ADAMS軟件的核心模塊軟件的核心模塊 ADAMS/Solver:可以自動生成機械系統(tǒng)結算模型及可以自動生成機械系統(tǒng)結算模型及方程，提供靜力學、運動學和動力學的解算結果。方程，提供靜力學、運動學和動力學的解算結果。存在各種建模和求解選項，以便精確有效地解決各種工程應用問題。可輸出用戶自定義的數據可以通過運動副、運動激勵、高副接觸、用戶定義的子程序等添加不同的約束可求解運動副之間的作用力和反作用力第三部分第三部分 ADAMS ADAMS軟件的核心模塊軟件的核心模塊 ADAMS/Postprocessor輸出各種動畫、數據、曲線可進行曲線編輯及數字信號處理完備的曲線數據統(tǒng)計功能：均值，極值、斜率具有豐富的