多體動(dòng)力學(xué)讀書報(bào)告

1、計(jì)算機(jī)輔助工程與分析課程讀書報(bào)告課程名稱：計(jì)算機(jī)輔助工程與分析報(bào)告題目：多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)及ADAMS軟件學(xué) 院： 機(jī)電工程學(xué)院 專 業(yè)：2014機(jī)械工程姓 名：學(xué) 號(hào)：任課老師： 王立華提交日期：2015年6月29 日 目錄1.多體動(dòng)力學(xué)理論- 4 -1.1多體動(dòng)力學(xué)研究對(duì)象- 4 -1.2多體動(dòng)力學(xué)研究現(xiàn)狀- 4 -1.3多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建模- 4 -1.3.1多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)基本概念- 5 -1.3.2計(jì)算多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建模與求解一般過程- 5 -1.3.3多剛體系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)3- 5 -1.3.4多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)- 6 -1.4 多柔體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建模4- 6 -1.4.1多柔體系統(tǒng)坐標(biāo)系- 6

2、-1.4.2多柔體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程的建立- 6 -1.4.3多柔體動(dòng)力學(xué)方程- 7 -1.5多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程的求解- 7 -1.6多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)中的剛性（Stiff）問題- 8 -1.6.1微分方程剛性（Stiff）問題- 8 -1.6.2多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)中Stiff問題- 8 -1.7多體系統(tǒng)仿真模型- 8 -2.ADAMS軟件簡(jiǎn)述- 9 -2.1 ADAMS軟件- 9 -2.2 主要內(nèi)容- 9 -3. 總結(jié)- 9 -4.四自由度機(jī)械手的總體方案- 9 -4.1機(jī)械手自由度的選擇- 9 -4.2 三 維 造 型- 10 -4.2.1三維設(shè)計(jì)軟件proe簡(jiǎn)介- 10 -4.2.2機(jī)械手關(guān)鍵零部件

3、設(shè)計(jì)- 10 -4.2.3機(jī)械手其它零部件設(shè)計(jì)- 11 -4.3 Adams 仿真模型- 12 -5.學(xué)習(xí)心得- 14 -6.學(xué)習(xí)筆記- 14 -6.1 pro/e與adams之間的轉(zhuǎn)化- 14 -6.2 力與驅(qū)動(dòng)的關(guān)系- 15 -3.Marker點(diǎn)與Pointer點(diǎn)區(qū)別- 15 -7.課程反饋意見- 15 -參考文獻(xiàn)- 15 -多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)及ADMS軟件摘要：本文通過對(duì)機(jī)械多體動(dòng)力學(xué)基本理論的綜合和總結(jié)，簡(jiǎn)述ADAMS軟件，并結(jié)合實(shí)際工程問題：四自由度機(jī)械手總體設(shè)計(jì)，運(yùn)用adms軟件對(duì)其進(jìn)行系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析，然后談?wù)勛约簩W(xué)習(xí)本課程的學(xué)習(xí)心得,并列舉3個(gè)困擾自己的三個(gè)問題，最后對(duì)本課程提出意見

4、。關(guān)鍵字：多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)，ADMS軟件，學(xué)習(xí)心得1. 多體動(dòng)力學(xué)理論多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的基本理論，核心問題是建模和求解問題，包括多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建模、多柔體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建模、多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程求解及多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)中的剛性（Stiff）問題。多體動(dòng)力學(xué)是基于經(jīng)典力學(xué)理論的，多體系統(tǒng)最簡(jiǎn)單的情況-自由質(zhì)點(diǎn)和一般簡(jiǎn)單的情況-少數(shù)多個(gè)剛體。通過對(duì)此的學(xué)習(xí)可以對(duì)多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的基本理論有較深入的了解，為具體軟件adams的學(xué)習(xí)打下良好的理論基礎(chǔ)。1.1多體動(dòng)力學(xué)研究對(duì)象多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)是研究由多個(gè)柔性體和（或）剛性體所構(gòu)成的系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律的學(xué)科。它主要研究系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)建模、分析、求解和控制等問題。隨著科技的發(fā)展

5、，在航空、航天、機(jī)器人、車輛等工程領(lǐng)域，對(duì)一些較為復(fù)雜的多體系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和分析提出來更高的要求。例如：如何較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)系統(tǒng)在一定輸入條件下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)以及如何使系統(tǒng)滿足人們預(yù)先給定的運(yùn)動(dòng)要求等，尤其是當(dāng)采用了更輕更柔的材料，并且所要求的運(yùn)轉(zhuǎn)速度和運(yùn)動(dòng)精度更高時(shí)，研究系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性愈加困難。多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的產(chǎn)生為解決這種多維、時(shí)變、高度非線性的復(fù)雜動(dòng)力學(xué)問題提供了一種新的理論分析方法1。1.2多體動(dòng)力學(xué)研究現(xiàn)狀1經(jīng)過30多年的努力，現(xiàn)在有許多大型通用多體動(dòng)力學(xué)軟件可以對(duì)汽車進(jìn)行分析和計(jì)算。在各大汽車廠家及研究機(jī)構(gòu)中，多體軟件的使用呈直線上升趨勢(shì)。其中，美國MDI（Mechanical Dynamic

6、s Inc.）公司（現(xiàn)已經(jīng)并入美國MSC公司）開發(fā)的機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真分析軟件Adams（Automatic Dynamic Analysis of Mechanical System），目前在全球市場(chǎng)占有率最高。該軟件在汽車技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用比例為43%。目前，多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析軟件已成為工業(yè)發(fā)達(dá)國家汽車界CAE（計(jì)算機(jī)輔助工程）系統(tǒng)中不可缺少的組成部分。在汽車設(shè)計(jì)開發(fā)中發(fā)揮了重要的作用。多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)軟件分析的范圍包括：運(yùn)動(dòng)分析、靜態(tài)分析、準(zhǔn)靜態(tài)（瞬時(shí)動(dòng)態(tài)）分析、動(dòng)力學(xué)分析等。一些軟件還可以與有限元分析、模態(tài)分析、優(yōu)化分析等模塊化程序進(jìn)行相互調(diào)用，完成對(duì)整車及各零部件的性能分析和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。目前

7、，多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程的推導(dǎo)一般采用拉格朗日、牛頓-歐拉或appell方程。在appell方程中引入了加速度函數(shù)，使其方程的形式非常簡(jiǎn)單。雖然其求加速度函數(shù)的過程比拉格朗日方程中求動(dòng)能的過程復(fù)雜得多，但對(duì)解非完整約束問題是很有效的，所以可用該方程解汽車輪胎與地面的非完整約束問題。柔體與剛體的最大區(qū)別是參照系的選擇不同，柔體應(yīng)用所謂浮動(dòng)參照系。在描述浮動(dòng)參照系的運(yùn)動(dòng)時(shí)可采用慣性坐標(biāo)或相對(duì)坐標(biāo)。采用相對(duì)坐標(biāo)或混合坐標(biāo)更方便，更適用于汽車專用程序的編制。對(duì)于多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)問題的剛性方程的求解，重點(diǎn)是數(shù)值計(jì)算的穩(wěn)定性問題。1.3多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建模1 計(jì)算多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析，首先在于提供一個(gè)友好方便的界

8、面以利于建立多體系統(tǒng)的力學(xué)模型，并在系統(tǒng)內(nèi)部由多體系統(tǒng)力學(xué)模型得到動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型；再者需要有一個(gè)優(yōu)良的求解器對(duì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行求解，求解器要求效率高、穩(wěn)定性好，并具有廣泛的適應(yīng)性；最后還需要對(duì)求解結(jié)果提供豐富的顯示查詢手段。這其中的關(guān)鍵技術(shù)就是自動(dòng)建模技術(shù)和求解器設(shè)計(jì)，所謂自動(dòng)建模就是由多體系統(tǒng)力學(xué)模型自動(dòng)生成其動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型，求解器的設(shè)計(jì)則必須結(jié)合系統(tǒng)的建模，以特定的動(dòng)力學(xué)算法對(duì)模型進(jìn)行求解。1.3.1多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)基本概念包括物理模型,拓?fù)錁?gòu)型，物體：剛體定義為質(zhì)點(diǎn)間距離保持不變的質(zhì)點(diǎn)系，柔體定義為考慮質(zhì)點(diǎn)間距離變化的質(zhì)點(diǎn)系，約束，鉸，力元，外力（偶），數(shù)學(xué)模型機(jī)構(gòu)，運(yùn)動(dòng)學(xué)，動(dòng)力學(xué)，靜平衡，逆

9、向動(dòng)力學(xué)，連體坐標(biāo)系，廣義坐標(biāo)，自由度，約束方程。1.3.2計(jì)算多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建模與求解一般過程3 一個(gè)機(jī)械系統(tǒng)，從初始的幾何模型，到動(dòng)力學(xué)模型的建立，經(jīng)過對(duì)模型的數(shù)值求解，最后得到分析結(jié)果，其流程如圖1.1所示。計(jì)算多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析的整個(gè)流程，主要包括建模和求解兩個(gè)階段。建模分為物理建模和數(shù)學(xué)建模，物理建模是指由幾何模型建立物理模型，數(shù)學(xué)建模是指從物理模型生成數(shù)學(xué)模型。幾何模型可以由動(dòng)力學(xué)分析系統(tǒng)幾何造型模塊所建造，或者從通用幾何造型軟件導(dǎo)入。對(duì)幾何模型施加運(yùn)動(dòng)學(xué)約束、驅(qū)動(dòng)約束、力元和外力或外力矩等物理模型要素，形成表達(dá)系統(tǒng)力學(xué)特性的物理模型。物理建模過程中，有時(shí)候需要根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)約束和初始

10、位置條件對(duì)幾何模型進(jìn)行裝配。由物理模型，采用笛卡爾坐標(biāo)或拉格朗日坐標(biāo)建模方法，應(yīng)用自動(dòng)建模技術(shù)，組裝系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方程中的各系數(shù)矩陣，得到系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型。對(duì)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，根據(jù)情況應(yīng)用求解器中的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)、靜平衡或逆向動(dòng)力學(xué)分析算法，迭代求解，得到所需的分析結(jié)果。聯(lián)系設(shè)計(jì)目標(biāo)，對(duì)求解結(jié)果再進(jìn)行分析，從而反饋到物理建模過程，或者幾何模型的選擇，如此反復(fù)，直到得到最優(yōu)的設(shè)計(jì)結(jié)果。在多體系統(tǒng)建模與求解過程，求解器是核心，這其中涉及的所有運(yùn)算和求解，如初始條件計(jì)算、方程自動(dòng)組裝、各種類型的數(shù)值求解等等都由求解器所支持，它提供了所需的全部算法。實(shí)際上，結(jié)果分析是需要有專門的數(shù)值后處理器來支持的，以提供曲線和動(dòng)

11、畫顯示以及其它各種輔助分析手段。但相比于多體系統(tǒng)建模與求解，數(shù)值后處理器相對(duì)簡(jiǎn)單，不存在什么理論上的重要問題2。圖1.1 計(jì)算多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建模與求解一般過程1.3.3多剛體系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)3對(duì)于多體系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，傳統(tǒng)的理論力學(xué)是以剛體位置、速度和加速度的微分關(guān)系以及矢量合成原理為基礎(chǔ)進(jìn)行分析的，而計(jì)算多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)中的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析則是以系統(tǒng)中連接物體與物體的運(yùn)動(dòng)副為出發(fā)點(diǎn)，所進(jìn)行的位置、速度和加速度分析都是基于與運(yùn)動(dòng)副對(duì)應(yīng)的約束方程來進(jìn)行的。基于約束的多體系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)，首先尋求與系統(tǒng)中運(yùn)動(dòng)副等價(jià)的位置約束代數(shù)方程，再由位置約束方程的導(dǎo)數(shù)得到速度、加速度的約束代數(shù)方程，對(duì)這些約束方程進(jìn)行數(shù)值求解，可

12、得到廣義位置坐標(biāo)及相應(yīng)的速度和加速度坐標(biāo)，最后根據(jù)坐標(biāo)變換就可以由系統(tǒng)廣義坐標(biāo)及相應(yīng)導(dǎo)數(shù)得到系統(tǒng)中任何一點(diǎn)的位置、速度和加速度。由于機(jī)械系統(tǒng)在二維空間運(yùn)動(dòng)時(shí)，廣義坐標(biāo)、約束方程、問題規(guī)模以及問題求解都相對(duì)簡(jiǎn)單，故本節(jié)先討論二維多體系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)以解釋多體系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)基本理論，在此基礎(chǔ)上再給出三維多體系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程。1.3.4多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué) 對(duì)于受約束的多體系統(tǒng)，其動(dòng)力學(xué)方程是先根據(jù)牛頓定理，給出自由物體的變分運(yùn)動(dòng)方程，再運(yùn)用拉格朗日乘子定理，導(dǎo)出基于約束的多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程。與運(yùn)動(dòng)學(xué)分析類似，先考慮二維多體系統(tǒng)，再討論三維多體系統(tǒng)，并對(duì)動(dòng)力學(xué)三種類型的分析：正向動(dòng)力學(xué)、逆向動(dòng)力學(xué)和靜平衡分析1.

13、4 多柔體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建模41.4.1多柔體系統(tǒng)坐標(biāo)系 柔性體系統(tǒng)中的坐標(biāo)系如圖所示，包括慣性坐標(biāo)系（）和動(dòng)坐標(biāo)系（）。前者不隨時(shí)間而變化，后者是建立在柔性體上，用于描述柔性體的運(yùn)動(dòng)。動(dòng)坐標(biāo)系可以相對(duì)慣性坐標(biāo)系進(jìn)行有限的移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)。動(dòng)坐標(biāo)系在慣性坐標(biāo)系中的坐標(biāo)（移動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)）稱為參考坐標(biāo)。與剛體不同，柔性體是變形體，體內(nèi)各點(diǎn)的相對(duì)位置時(shí)時(shí)刻刻都在變化，只靠動(dòng)坐標(biāo)系不能準(zhǔn)確描述該柔性體在慣性坐標(biāo)系中的位置，因此，引入彈性坐標(biāo)來描述柔性體上各點(diǎn)相對(duì)動(dòng)坐標(biāo)系統(tǒng)的變形。這樣柔性體上任一點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)就是動(dòng)坐標(biāo)系的“剛性”運(yùn)動(dòng)與彈性變形的合成運(yùn)動(dòng)。由于柔體上各點(diǎn)之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，所以動(dòng)坐標(biāo)系的選擇不是采用連體坐標(biāo)系

14、，而需要采用隨著柔性體形變而變化的坐標(biāo)系，即“浮動(dòng)坐標(biāo)系”。在研究多柔體系統(tǒng)時(shí)，合適的坐標(biāo)系是非常重要的。在確定浮動(dòng)坐標(biāo)系時(shí)有兩點(diǎn)準(zhǔn)則：1、便于方程建立求解；2、柔性體剛體運(yùn)動(dòng)與變形運(yùn)動(dòng)的耦合盡量小。目前常見的浮動(dòng)坐標(biāo)系大致有如下5種，局部附著框架、中心慣性主軸框架、蒂斯拉德框架、巴克凱恩斯框架以及剛體模態(tài)框架。采用何種需因?qū)嶋H情況而定。圖1.3 柔性體變形模型 圖1.2 柔性體上節(jié)點(diǎn)的位置1.4.2多柔體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程的建立1 外加載荷在ADAMS軟件中，外加載荷包括單點(diǎn)力與扭矩、分布式載荷以及殘余載荷三部分。2多柔體系統(tǒng)的能量:（1）動(dòng)能和質(zhì)量矩陣（2）勢(shì)能和剛度矩陣（3）能量損失和阻尼矩

15、陣1.4.3多柔體動(dòng)力學(xué)方程 （1）其中，為約束方程； 為對(duì)應(yīng)于約束方程的拉氏乘子；為如式（2.3-19）定義的廣義坐標(biāo)；為投影到上的廣義力；為拉格朗日項(xiàng)，定義為，和分別表示動(dòng)能和勢(shì)能； 表示能量損耗函數(shù)。將求得的代入式（2.3-29），得到最終的運(yùn)動(dòng)微分方程為： （2）其中，為柔性體的廣義坐標(biāo)及其時(shí)間導(dǎo)數(shù)； 為柔性體的質(zhì)量矩陣及其對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)； 為質(zhì)量矩陣對(duì)柔性體廣義坐標(biāo)的偏導(dǎo)數(shù)，它是一個(gè)維張量，為模態(tài)數(shù)。1.5多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程的求解5 在建模和求解過程中，涉及到幾種類型的運(yùn)算和求解：初始條件計(jì)算、數(shù)學(xué)模型自動(dòng)組裝、運(yùn)動(dòng)學(xué)分析、動(dòng)力學(xué)分析、逆動(dòng)力學(xué)分析和靜平衡分析。初始條件計(jì)算是非線性位置

16、方程的求解；數(shù)學(xué)建模是系數(shù)矩陣操作；運(yùn)動(dòng)學(xué)分析是非線性的位置方程和線性的速度、加速度方程的求解；動(dòng)力學(xué)分析是二階微分方程或二階微分方程和代數(shù)方程混合問題的求解；逆向動(dòng)力學(xué)分析是線性代數(shù)方程組求解；靜平衡分析從理論上是線性方程組的求解?？偟膩碚f，計(jì)算多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)涉及的基本運(yùn)算包括線性方程組求解、非線性方程組求解、常微分方程組（ODE）求解和微分代數(shù)方程組（DAE）求解。線性方程組和常微分方程組的求解是數(shù)值分析中的基本內(nèi)容。線性方程組根據(jù)問題規(guī)?？梢圆捎孟ɑ虻?，在計(jì)算多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)中，一般采用全主元高斯消元法；常微分方程組的求解可以采用線性多步法或單步的龍格-庫塔法。主要包括求解非線性方

17、程組的牛頓-拉夫森（Newton-Raphson）方法，計(jì)算多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)中至關(guān)重要的微分代數(shù)方程組求解技術(shù)。1.6多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)中的剛性（Stiff）問題 剛性問題存在于多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)某些情形，更普遍地存在于多柔體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)中，是多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的一個(gè)重要問題。剛性首先是在常微分方程求解理論中提出，并形成了完整的定義和求解理論。常微分方程剛性理論是多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)中剛性問題的理論基礎(chǔ)，這里先介紹常微分方程剛性問題，再討論多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)剛性問題。1.6.1微分方程剛性（Stiff）問題 微分方程的剛性（Stiff）問題是微分方程的一個(gè)重要問題，微分-代數(shù)方程（DAE）中同樣存在剛性問題。微分-代

18、數(shù)方程早期的數(shù)值求解中，并沒有考慮到這個(gè)問題，采用的大多是顯式方法，到了二十世紀(jì)八十年代，發(fā)現(xiàn)一些隱式方法不僅具有更好的適應(yīng)性，而且可用于求解剛性問題。1.6.2多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)中Stiff問題 在多剛體系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)過程中，可能會(huì)由于系統(tǒng)中構(gòu)件之間過大的差異，如不同物體特性參數(shù)的差異，力元（如彈簧、阻尼器）參數(shù)的差異等，致使系統(tǒng)中構(gòu)件運(yùn)動(dòng)速度差別很大，從而使描述系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的微分代數(shù)方程呈現(xiàn)出剛性特性。在多柔體（或剛-柔混合）系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)中，由于柔性體空間大范圍運(yùn)動(dòng)和其本身小幅值彈性變形的耦合，更容易出現(xiàn)剛性問題1.7多體系統(tǒng)仿真模型5靜力學(xué)問題 在靜平衡狀態(tài)下，利用靜平衡方程（速度和加速度均為零的DAE

19、s）求未知外力、約束力或未知平衡位置的問題。 運(yùn)動(dòng)學(xué)問題 在靜平衡或運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，利用運(yùn)動(dòng)約束方程求未知位置、速度或加速度的問題，方程中不涉及力的計(jì)算。力學(xué)問題 在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，利用動(dòng)力學(xué)方程和運(yùn)動(dòng)約束方程（DAEs）求未知加速度、速度、位置或未知外力及未知約束力的問題 。實(shí)際多體系統(tǒng),如整車或懸架激勵(lì)試驗(yàn)操作實(shí)物試驗(yàn)結(jié)果抽象多體系統(tǒng)力學(xué)模型,三要素:物體、約束、力多體系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型,DAEs: Differential Algebraic Equations多體動(dòng)力學(xué)激勵(lì)數(shù)值方法模型仿真結(jié)果代替實(shí)物試驗(yàn)結(jié)果圖1.4 多體系統(tǒng)仿真模型2.ADAMS軟件簡(jiǎn)述2.1 ADAMS軟件1 機(jī)械動(dòng)力學(xué)仿真軟件

20、ADAMS是美國MSC公司的產(chǎn)品，集建模、求解、可視化技術(shù)于一體，是世界上目前使用范圍最廣、最負(fù)盛名的機(jī)械系統(tǒng)仿真分析軟件，主要作用是對(duì)機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析仿真，用于研究整個(gè)機(jī)械系統(tǒng)的工作性能，可以在設(shè)計(jì)的早期階段生成虛擬樣機(jī)，再真實(shí)地預(yù)測(cè)機(jī)械系統(tǒng)的工作性能，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)的最優(yōu)化設(shè)計(jì)。ADAMS是機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真軟件。由基本模塊、求解器模塊、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，ADAMS本身具有建模功能，同時(shí)允許導(dǎo)入有常規(guī)三維軟件建立的CAD模型。通過在各零部件間時(shí)間約束條件創(chuàng)建完整的虛擬樣機(jī)模型，可以進(jìn)行零部件間的干涉檢驗(yàn),通過運(yùn)行聯(lián)立方程進(jìn)行運(yùn)動(dòng)、靜態(tài)、

21、準(zhǔn)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)模擬。ADAMS的后處理模塊可以輸出計(jì)算結(jié)果曲線和機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過程動(dòng)畫等內(nèi)容，且易于保存，能與他人共享。同時(shí)可以為有限元分析提供邊界條件，可以輸出ANSYS、Nastran等有限元分析程序適用的文件格式，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。 利用ADAMS軟件，用戶可以快速、方便地創(chuàng)建完全參數(shù)化的機(jī)械系統(tǒng)幾何模型。該模型既可以是在ADAMS中直接建造的幾何模型，也可以是從其他CAD軟件中傳過來的造型逼真的幾何模型。 機(jī)械動(dòng)力學(xué)仿真軟件ADAMS作為仿真技術(shù)，是機(jī)械工程專業(yè)的一門專業(yè)課，是分析和研究各種復(fù)雜系統(tǒng)的有力工具，有如下要求即教學(xué)目標(biāo)：通過本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握仿真技術(shù)的原理和方法，能應(yīng)用機(jī)

22、械動(dòng)力學(xué)仿真分析軟件ADAMS對(duì)一般的機(jī)械系統(tǒng)建立動(dòng)力學(xué)仿真模型，并進(jìn)行仿真，以達(dá)到能利用仿真技術(shù)對(duì)機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真及優(yōu)化分析的目的，為機(jī)械系統(tǒng)開發(fā)、設(shè)計(jì)與分析提供有利的技術(shù)支持。2.2 主要內(nèi)容 1.ADAMS軟件操作初步 2.虛擬樣機(jī)幾何建模 3.約束機(jī)構(gòu) 4.施加載荷5.ADAMS/View建模的相關(guān)技術(shù) 6.樣機(jī)仿真分析及調(diào)試 7.仿真結(jié)果后處理 8.參數(shù)化建模與設(shè)計(jì) 9. 樣機(jī)的參數(shù)化分析 。10.虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)、掌握仿真的輸入和輸出53. 總結(jié) 18周的課時(shí)，通過從新梳理知識(shí)點(diǎn)，總的來說收獲頗多，這門課程綜合性較強(qiáng)，既要對(duì)多體進(jìn)行幾何模型形成物理模型的物理建模又要由物理模型

23、形成數(shù)學(xué)模型的數(shù)學(xué)建模兩個(gè)過程，最后還要選擇相應(yīng)的求解器進(jìn)行數(shù)值運(yùn)算和求解，也不是很容易學(xué)透，但是畢竟又掌握了一種新的解決實(shí)際工程應(yīng)用的方法，對(duì)以后的學(xué)習(xí)生活會(huì)受益良多。4.四自由度機(jī)械手的總體方案4.1機(jī)械手自由度的選擇 機(jī)械手運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的升降、伸縮、旋轉(zhuǎn)等獨(dú)立運(yùn)動(dòng)方式，稱為機(jī)械手的自由度。自由度是機(jī)械手設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)。自由度越多，機(jī)械手的靈活性越大，通用性越廣，其結(jié)構(gòu)也越復(fù)雜。在考慮機(jī)械手用途、成本及技術(shù)難度等問題后，本論文選擇機(jī)械手的自由度為4個(gè)，末端執(zhí)行器（夾持器）可以自由開合，能夠完成物體的抓、移、放動(dòng)作。機(jī)械手的原理如圖1所示。圖4.1 機(jī)械手的原理圖1.底座 2.一號(hào)電機(jī)齒輪3.中

24、心直齒輪4.右支梁5.第一臂右6.夾持器活動(dòng)節(jié)7.夾持器固定節(jié)8.四號(hào)電機(jī)9.三號(hào)電機(jī)10.二號(hào)電機(jī)11.一號(hào)電機(jī)12.轉(zhuǎn)動(dòng)底座 本論文設(shè)計(jì)的四自由度機(jī)械手由底座、一號(hào)電機(jī)齒輪、左右支梁、中心直齒輪、第一臂右板、夾持器活動(dòng)節(jié)、夾持器固定節(jié)、四號(hào)電機(jī)、三號(hào)電機(jī)、二號(hào)電機(jī)、一號(hào)電機(jī)和轉(zhuǎn)動(dòng)底座組成6，機(jī)械手整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。4.2 三 維 造 型4.2.1三維設(shè)計(jì)軟件proe簡(jiǎn)介 proe是美國PTC公司旗下的產(chǎn)品Pro/Engineer軟件的簡(jiǎn)稱。Pro/E（Pro/Engineer操作軟件）是美國參數(shù)技術(shù)公司（Parametric Technology Corporation，簡(jiǎn)稱PTC）的重

25、要產(chǎn)品。是一款集CAD/CAM/CAE功能一體化的綜合性三維軟件，在目前的三維造型軟件領(lǐng)域中占有著重要地位，并作為當(dāng)今世界機(jī)械CAD/CAE/CAM領(lǐng)域的新標(biāo)準(zhǔn)而得到業(yè)界的認(rèn)可和推廣，是現(xiàn)今最成功的CAD/CAM軟件之一。4.2.2機(jī)械手關(guān)鍵零部件設(shè)計(jì)機(jī)械手的關(guān)鍵零部件是齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)，根據(jù)機(jī)械手的要求，設(shè)計(jì)的齒輪參數(shù)如下： (1) 傳動(dòng)比為i =3:1；(2) 兩齒輪模數(shù)為m=2.0；(3) 壓力角為= 20°；(4) 中心距選擇 =167mm。大齒輪設(shè)計(jì)：大齒輪分度圓直徑D1=mZ=×3/4=167×3/4=125mm，近似取120mm；齒數(shù)Z1=120/2=6

26、0個(gè)；齒高計(jì)算h=ha+hf =(2ha*+c*)m=5.0mm；取齒輪厚度20.0mm7。設(shè)計(jì)的中心大齒輪如圖3所示。圖4.3 大齒輪的設(shè)計(jì)圖A-A圖4.4 小齒輪的設(shè)計(jì)圖A-A小齒輪設(shè)計(jì)：分度圓直徑D2=1/3D1=41.3mm，近似取40mm；齒數(shù)Z2=1/3Z1=20個(gè)，設(shè)計(jì)的小齒輪4.2.3機(jī)械手其它零部件設(shè)計(jì) 圖4.5 底座三維圖模型 圖4.6 機(jī)械手三維模 圖4.7 機(jī)械手手臂三維圖 圖4.8 液壓馬達(dá)三維圖 圖 4.9. 總裝配圖模型由于把模型導(dǎo)入到adams中進(jìn)行仿真時(shí)，過多的零件會(huì)使問題復(fù)雜化，于是在裝配時(shí)，盡量的減少不必要的零件的裝配，像銷釘、導(dǎo)柱，電機(jī)和軸等 ，都省略了

27、。4.3 Adams 仿真模型啟動(dòng)adams界面： 圖4.10 Adms界面 圖4.11 文件格式轉(zhuǎn)變?cè)谟胮roe裝配完成，要把裝配體存為x_t格式，再導(dǎo)入導(dǎo)adams之前，把名字改為.xmt_txt格式。倒入模型并定義質(zhì)量，添加約束和驅(qū)動(dòng)8 圖4.12 定義質(zhì)量 圖4.13 添加驅(qū)動(dòng)和約束下面是各個(gè)驅(qū)動(dòng)的力或是力矩的測(cè)量：機(jī)械手轉(zhuǎn)動(dòng)力矩： 圖4.14 機(jī)械手轉(zhuǎn)動(dòng)力矩 圖4.15 機(jī)械手小臂的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩 圖4.16 底座的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩 圖4.17 底座的小齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)力矩夾持件即機(jī)械夾手的空間軌跡如下圖18： 圖4.18 機(jī)械夾手的空間軌跡由此可以看到，路線并不是圓滑的曲線，說明在機(jī)械手運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)有震動(dòng)，

28、想消除震動(dòng)可以定義變量，進(jìn)行優(yōu)化。下面是關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)函數(shù)9：1.夾持件的運(yùn)動(dòng)函數(shù)：step(time,0,0,2,step(time,2,0,3,step(time,3,45d,4,step(time,4,45d,5,step(time,5,0,10,step(time,10,0,11,step(time,11,45d,12,0)2.手腕轉(zhuǎn)動(dòng)函數(shù):step(time,0,0,1,step(time,1,0,2,step(time,2,90d,12,step(time,12,90d,13,0)3.液壓馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)函數(shù);step(time,0,0,3,step(time,3,0,4,step(time,

29、4,15,6,step(time,6,15,9,step(time,9,0,10,step(time,10,20,11,step(time,11,20,12,0)4.第二臂即小臂的驅(qū)動(dòng)函數(shù)：step(time,0,0,5,step(time,5,0,6,step(time,6,-45d,8,step(time,8,-45d,9,0)5.大臂的驅(qū)動(dòng)函數(shù)：step(time,0,0,1,step(time,1,90d,12,step(time,12,90d,13,0)6.底座的驅(qū)動(dòng)函數(shù)：step(time,0,0,7,step(time,7,0,8,step(time,8,180d,12,step

30、(time,12,180d,13,0)。機(jī)器人末端執(zhí)行器速度曲線圖4.19 機(jī)器人末端執(zhí)行器速度曲線5.學(xué)習(xí)心得作為機(jī)械專業(yè)的學(xué)生，曾經(jīng)在信義（蕪湖）玻璃股份公司壓延生產(chǎn)線作為設(shè)為維修保養(yǎng)人員，實(shí)習(xí)半年，xxxxxxxxxxxxxx作為生產(chǎn)線技術(shù)設(shè)計(jì)人員工作近10個(gè)月，其中最大的體會(huì)是生產(chǎn)資料數(shù)據(jù)為模仿，沒有自己的核心技術(shù)，幾乎同行都是緊定國內(nèi)外最新設(shè)備，通過模仿作為自己廠的圖紙，然后生產(chǎn)加工，市場(chǎng)價(jià)格為老外同等功能的一半不到，你會(huì)發(fā)現(xiàn)整個(gè)生產(chǎn)線從裝配組件，到生產(chǎn)線試運(yùn)行將近一個(gè)月：這面修修，那邊修修，去保證加工精度，而老外采用的模塊化設(shè)計(jì)，從生產(chǎn)到安裝完成只要10左右完成，可以保證五年內(nèi)，主

31、要部件不會(huì)影響原始招標(biāo)合同書設(shè)計(jì)的精度，其實(shí)并不是我們不敢創(chuàng)新，因?yàn)閺S里的老設(shè)計(jì)人員沒有接觸analysis有限元軟件，Adams軟件等輔助設(shè)計(jì)軟件，誰也不敢保證自己設(shè)計(jì)的產(chǎn)品符合設(shè)計(jì)預(yù)期，承擔(dān)設(shè)計(jì)成本，新人在企業(yè)沒有創(chuàng)新的氛圍，沒有多大進(jìn)步，最近幾年我國提出中國制造2025和2020年達(dá)到創(chuàng)新型國家，我想如果通過pro/e參數(shù)化建模，生產(chǎn)三維模型，然后對(duì)關(guān)鍵零件用有限元進(jìn)行分析，對(duì)多體動(dòng)力學(xué)問題用adams軟件分析，甚至聯(lián)合matlab進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，裝配生產(chǎn)線，如果可以生產(chǎn)加工代碼，也許在設(shè)計(jì)的時(shí)候會(huì)多分自信。所以本讀書報(bào)告，結(jié)合adams機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析與仿真技術(shù)，舉：四自由度機(jī)械手分析

32、 通過本課程和實(shí)際工程例題，有很大的收獲：1.了解ADAMS軟件的基本程序模塊及附加程序模塊；學(xué)習(xí)虛擬樣機(jī)仿真分析基本步驟；掌握ADAMS/View 命令的基本操作；2.基本可以運(yùn)用虛擬樣機(jī)幾何建模，樣機(jī)仿真分析及調(diào)試，仿真結(jié)果后處理、參數(shù)化建模與設(shè)計(jì)相關(guān)技術(shù)和應(yīng)用，將現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法運(yùn)用于一個(gè)具體的例子，以理論聯(lián)系實(shí)際，對(duì)這一方法有了更深一步的理解。2.應(yīng)用ADAMS中的仿真模塊和后處理模塊等知識(shí)，對(duì)抽象的優(yōu)化設(shè)計(jì)概念理解的更加的具體。深刻體會(huì)到先到設(shè)計(jì)方法給設(shè)計(jì)工作帶來的方便，快捷的好處。6.學(xué)習(xí)筆記6.1 pro/e與adams之間的轉(zhuǎn)化10一般情況下將在Pro E/中建立好的三維模型轉(zhuǎn)換到

33、AD-AMS時(shí),采用改變保存文件的格式方式,缺點(diǎn)是數(shù)據(jù)丟失情況比較嚴(yán)重,因此難以保證建好的三維型完全的轉(zhuǎn)換到ADAMS中。然而使用MECHANISM P/ro專用接口將在Pro E/中建立好的三維模型轉(zhuǎn)換到ADAMS時(shí),不存在數(shù)據(jù)丟失的情況,可以實(shí)現(xiàn)完全的無縫聯(lián)接,在Pro E/中建立的三維機(jī)構(gòu)的各種連接副也可以通過這樣的接口實(shí)現(xiàn)無縫轉(zhuǎn)換。在Mechanism P/ro接口中把具有同一運(yùn)動(dòng)的零部件設(shè)定成一個(gè)剛體;在各個(gè)剛體之間添加各種約束,以限定各剛體之間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系;導(dǎo)入ADAMS里定義材料屬性、各滾子和凸輪之間的接觸力以及添加驅(qū)動(dòng),建立虛擬樣126.2 力與驅(qū)動(dòng)的關(guān)系驅(qū)動(dòng)包括直線驅(qū)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)，他們配合約束副使用。驅(qū)動(dòng)就是指使所定義的約束副的運(yùn)動(dòng)按照所設(shè)定的驅(qū)動(dòng)方程運(yùn)動(dòng)；而力指在模型中某一構(gòu)件上所施加的力，其運(yùn)動(dòng)方向及速度要根據(jù)力的函數(shù)決定。如，在建