機(jī)電一體化概論課件(全)全書教學(xué)教程完整版電子教案最全幻燈片

1、機(jī)電一體化概論第1章 機(jī)電系統(tǒng)建模與仿真技術(shù)概述1機(jī)電一體化1.1機(jī)電一體化的概念1.2 機(jī)電一體化的組成1.3 機(jī)電一體化的應(yīng)用實(shí)例1.4 機(jī)電一體化的發(fā)展2仿真技術(shù)2.1科研工作的基本方法2.2模型及其建立2.3仿真技術(shù)及其重要性1.1 機(jī)電一體化的概念機(jī)電一體化技術(shù)是一門跨學(xué)科的綜合性技術(shù), 是一門獨(dú)立的交叉學(xué)科。機(jī)電一體化是動力、傳動、控制、信息等技術(shù)有機(jī)結(jié)合的系統(tǒng)集成。簡單地說，機(jī)電一體化就是機(jī)械技術(shù)與電子技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，是機(jī)械裝置與電子裝置的軟硬件集成。1.1.2 機(jī)電一體化的分類1. 按產(chǎn)品的功能原理: （1）數(shù)控機(jī)械類（2）電子設(shè)備類（3）機(jī)電結(jié)合類（4）電液伺服類（5）信息

2、控制類2. 按產(chǎn)品技術(shù)的系統(tǒng)化程度: （1）大型成套設(shè)備（2）數(shù)控機(jī)械（3）儀器儀表（4）自動化系統(tǒng)1.1.2 機(jī)電一體化的分類3. 按產(chǎn)品的服務(wù)對象領(lǐng)域: 工業(yè)生產(chǎn)類運(yùn)輸包裝類儲存銷售類社會服務(wù)類家庭日用類科研儀器類國防武器類其他4. 按機(jī)電技術(shù)的結(jié)合程度: （1） 功能附加型（2）功能替代型（3）機(jī)電融合型1.1.3 機(jī)電一體化的特點(diǎn)結(jié)構(gòu)簡單，操作方便速度快、精度高可靠性高柔性好1.2 機(jī)電一體化的組成并非有了電氣電子之后才發(fā)展了控制技術(shù)。機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)發(fā)明應(yīng)用的同時(shí)，控制技術(shù)就產(chǎn)生了，如:漏壺、指南車等。自動計(jì)時(shí)的漏壺馬鈞及其指南車1.2 機(jī)電一體化的組成機(jī)械/氣動/液壓傳動與控制機(jī)械傳動

3、與控制1.2 機(jī)電一體化的組成現(xiàn)代系統(tǒng)早期系統(tǒng)早期的電氣控制就是在電路當(dāng)中增加了電器開關(guān)或繼電器等，來控制電機(jī)或液壓、氣動元件的電路，使其產(chǎn)生相應(yīng)的動作。1.2.1 機(jī)電一體化系統(tǒng)的基本組成及功能1.2.2 機(jī)電一體化的相關(guān)技術(shù)機(jī)械設(shè)計(jì)與制造技術(shù)計(jì)算機(jī)與信息處理技術(shù)傳感器技術(shù)軟件技術(shù)通信技術(shù)驅(qū)動技術(shù)自動控制技術(shù)系統(tǒng)技術(shù)1.3 機(jī)電一體化的應(yīng)用實(shí)例1.3.1 自控式恒溫箱1.3 機(jī)電一體化的應(yīng)用實(shí)例1.3.1 自控式恒溫箱1.3.2 電子燃油噴射系統(tǒng)1.4 機(jī)電一體化的發(fā)展1.4.1 機(jī)電一體化的發(fā)展歷史1初級階段（1960年以前）2蓬勃發(fā)展階段（19701980年）3智能化階段（1990年至今

4、）1.4.2 機(jī)電一體化的發(fā)展趨勢 機(jī)電一體化是機(jī)械、電子、光學(xué)、控制、計(jì)算機(jī)、信息等多學(xué)科的交叉融合,它的發(fā)展和進(jìn)步依賴于也促進(jìn)了相關(guān)技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步。因此,機(jī)電一體化的主要發(fā)展方向?yàn)橹悄芑?、模塊化、網(wǎng)絡(luò)化、人格化、微型化、系統(tǒng)化、綠色化。2仿真技術(shù)概述內(nèi)容如下：2.1科研工作的基本方法2.2模型及其建立2.3仿真技術(shù)及其重要性2.1 科研工作的基本方法解析法 運(yùn)用已掌握的理論知識，對所研究的對象進(jìn)行理論方面的分析、計(jì)算及綜合。最佳路徑問題龐得里亞金極大值原理工程最優(yōu)問題極大值原理是20世紀(jì)50年代中期蘇聯(lián)學(xué)者.龐特里亞金提出的，有關(guān)這一原理的主要結(jié)果及其嚴(yán)格的數(shù)學(xué)證明，都發(fā)表在后來出版的最

5、優(yōu)過程的數(shù)學(xué)理論一書中。在狀態(tài)或是輸入控件有限制條件的情形下，可以找到將動力系統(tǒng)由一個(gè)狀態(tài)到另一個(gè)狀態(tài)的最優(yōu)控制信號。2.1 科研工作的基本方法解析法 運(yùn)用已掌握的理論知識，對所研究的對象進(jìn)行理論方面的分析、計(jì)算及綜合。Routh判據(jù)勞斯于1877年提出的穩(wěn)定性判據(jù)能夠判定一個(gè)多項(xiàng)式方程中是否存在位于復(fù)平面右半部的正根，而不必求解方程。2.1 科研工作的基本方法解析法 運(yùn)用已掌握的理論知識，對所研究的對象進(jìn)行理論方面的分析、計(jì)算及綜合。一級倒立擺二級。 工程動力學(xué)問題 F=ma2.1 科研工作的基本方法實(shí)驗(yàn)法 在所建立的實(shí)際系統(tǒng)(或模型)上，利用各種儀器儀表，通過施加一定類型的激勵信號，測取系

6、統(tǒng)響應(yīng)來確定系統(tǒng)的性能。系統(tǒng)模型2.1 科研工作的基本方法仿真實(shí)驗(yàn)法 在模型上（物理的/數(shù)學(xué)的）所進(jìn)行的系統(tǒng)性能分析與研究方法。數(shù)學(xué)模型2.1 科研工作的基本方法仿真實(shí)驗(yàn)法 在模型上（物理的/數(shù)學(xué)的）所進(jìn)行的系統(tǒng)性能分析與研究方法。虛擬模型2.1 科研工作的基本方法仿真實(shí)驗(yàn)法 在模型上（物理的/數(shù)學(xué)的）所進(jìn)行的系統(tǒng)性能分析與研究方法。實(shí)物模型2.1 科研工作的基本方法仿真實(shí)驗(yàn)法 在模型上（物理的/數(shù)學(xué)的）所進(jìn)行的系統(tǒng)性能分析與研究方法。仿真實(shí)驗(yàn)性能比較：數(shù)學(xué)模型虛擬模型實(shí)物模型實(shí)物原型仿真精度低高2.1 科研工作的基本方法混合法 解析法+實(shí)驗(yàn)法+仿真可通過實(shí)驗(yàn)或仿真確定和修正理論模型中的有關(guān)參

7、數(shù)和模型的結(jié)構(gòu).WX2X1m2KsKtuub汽車主動懸架實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蚼1汽車主動懸架理論模型2.1 科研工作的基本方法猜想法 又稱為“假想法”，通過人們對所研究問題的“直覺”，提出“可能的”結(jié)果/結(jié)論，利用“反演/推理/證明”的方法進(jìn)行“創(chuàng)造性”的研究和發(fā)現(xiàn)。哥德巴赫猜想相對論假說電磁波設(shè)想2.2 模型及其建立模型的重要性勾股定理2.2 模型及其建立模型的重要性把世間的現(xiàn)象/問題上升到“數(shù)學(xué)抽象/數(shù)學(xué)模型”的理 論高度是現(xiàn)代科學(xué)發(fā)現(xiàn)與技術(shù)創(chuàng)新的基礎(chǔ)?！皩?shí)驗(yàn)、歸納、推演”是建立系統(tǒng)“數(shù)學(xué)模型”的重要手段/方法/途徑。“數(shù)學(xué)模型”是人們對自然世界的一種抽象理解，它與自然世界/現(xiàn)象/問題具有“性能相似”

8、的特點(diǎn)。2.2 模型及其建立建模三要素：目的，方法，驗(yàn)證目的要明確飛行器目的2飛行器的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度目的1飛行器的動態(tài)性能流體力學(xué)結(jié)構(gòu)力學(xué)方法1方法22.2 模型及其建立建模三要素：目的，方法，驗(yàn)證方法要恰當(dāng)邏輯推理方法：歸納、推演、類比、移植機(jī)理建模法:白箱問題實(shí)驗(yàn)建模法：黑箱問題綜合建模法：機(jī)理+實(shí)驗(yàn)結(jié)果要驗(yàn)證數(shù)學(xué)模型必要條件實(shí)物模型充要條件實(shí)際應(yīng)用結(jié)果檢驗(yàn)3. 建模過程2.2 模型及其建立1. 相似性原理2.3 仿真技術(shù)及其重要性彼此相似的現(xiàn)象必定具有數(shù)值相同的相似準(zhǔn)則。 幾何相似1. 相似性原理2.3 仿真技術(shù)及其重要性彼此相似的現(xiàn)象必定具有數(shù)值相同的相似準(zhǔn)則。 環(huán)境相似1. 相似性原理2.

9、3 仿真技術(shù)及其重要性彼此相似的現(xiàn)象必定具有數(shù)值相同的相似準(zhǔn)則。 性能相似2.3 仿真技術(shù)及其重要性仿真利用相似性原理,借助實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ突蛴?jì)算機(jī)軟件對所研究的對象進(jìn)行分析。利用計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行仿真是目前仿真分析中的主要方法。2.3 仿真技術(shù)及其重要性仿真技術(shù)的應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）仿真實(shí)驗(yàn)的高級形式可視化/真實(shí)性有助于人們的創(chuàng)造與想象力的發(fā)揮關(guān)鍵之處感知設(shè)備表現(xiàn)裝置三大特點(diǎn)沉浸（Immersion）交互（Interaction）想象（Imagination）2.3 仿真技術(shù)及其重要性2.3 仿真技術(shù)及其重要性仿真技術(shù)的應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）感知設(shè)備2.3 仿真技術(shù)及其重要性仿真技術(shù)的應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）

10、表現(xiàn)裝置2.3 仿真技術(shù)及其重要性仿真技術(shù)的應(yīng)用虛擬樣機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)仿真技術(shù)2.3 仿真技術(shù)及其重要性仿真技術(shù)的應(yīng)用虛擬樣機(jī)虛擬制造2.3 仿真技術(shù)及其重要性仿真技術(shù)的應(yīng)用虛擬樣機(jī)虛擬環(huán)境2.3 仿真技術(shù)及其重要性仿真技術(shù)的應(yīng)用工程應(yīng)用車輛肇事仿真2.3 仿真技術(shù)及其重要性仿真技術(shù)的應(yīng)用工程應(yīng)用飛行器設(shè)計(jì)2.3 仿真技術(shù)及其重要性仿真技術(shù)的應(yīng)用工程應(yīng)用聯(lián)合仿真2.3 仿真技術(shù)及其重要性仿真常用的工具軟件ADAMS (Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems)運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)、機(jī)電一體化系統(tǒng)仿真AMESim流體、機(jī)械、電磁以及控制等復(fù)雜系統(tǒng)建模和

11、仿真PSPICE直流/交流電路、瞬態(tài)特性優(yōu)化設(shè)計(jì)、數(shù)字模擬混合電路、電路繪圖仿真一體化ANSYS結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁和聲學(xué)運(yùn)用有限元分析軟件MATLAB以科學(xué)計(jì)算見長的多用途仿真軟件，尤其適用于機(jī)電系統(tǒng)的動力學(xué)仿真。2.3 仿真技術(shù)及其重要性仿真技術(shù)的發(fā)展趨勢在硬件上，基于多CPU的并行處理技術(shù)的全數(shù)字仿真技術(shù)將有效的改善仿真系統(tǒng)的“實(shí)時(shí)性”；基于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的分布式數(shù)字仿真系統(tǒng)將廣泛應(yīng)用；基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的“多媒體環(huán)境條件下的仿真技術(shù)”將推進(jìn)軍事、工業(yè)、生活、娛樂等領(lǐng)域的深層次應(yīng)用；“離散事件系統(tǒng)”的仿真問題將成為人們研究的另一熱點(diǎn)；“仿真技術(shù)”將成為高等理工院校學(xué)生培養(yǎng)的重要技術(shù)。 回顧：機(jī)電

12、系統(tǒng)與仿真技術(shù)概述1.1 機(jī)電系統(tǒng)概述1.1.1 機(jī)電一體化技術(shù)產(chǎn)生的背景機(jī)械技術(shù)向自動化、智能化發(fā)展的產(chǎn)物電子技術(shù)向機(jī)械工業(yè)領(lǐng)域的滲透1.1.2 機(jī)電一體化的基本概念機(jī)電一體化的定義：機(jī)電一體化技術(shù)和產(chǎn)品機(jī)電一體化系統(tǒng)的基本要素：機(jī)械本體、測試傳感、驅(qū)動、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、控制及信息處理、能源 機(jī)電系統(tǒng)概述機(jī)電一體化系統(tǒng)與人體的對比機(jī)電一體化的相關(guān)技術(shù)：機(jī)械、計(jì)算機(jī)及信息處理、系統(tǒng)技術(shù)、自動控制、傳感與檢測、伺服驅(qū)動機(jī)電一體化的技術(shù)優(yōu)勢 機(jī)電系統(tǒng)概述典型的機(jī)電系統(tǒng)：工業(yè)機(jī) 器人的關(guān)節(jié)伺服傳動系統(tǒng)； 基本的機(jī)電控制問題 位置和速度的動態(tài)控制 機(jī)電系統(tǒng)概述典型機(jī)電系統(tǒng)：自動化制造單元；順序控制問題 機(jī)電

13、系統(tǒng)概述典型機(jī)電系統(tǒng)：柔性制造單元；具有生產(chǎn)規(guī)劃和調(diào)度能力機(jī)電系統(tǒng)概述典型機(jī)電系統(tǒng)：無人工廠建模及仿真在機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)中的作用 1.2 建模及仿真在機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)中的作用1.2.1 機(jī)電系統(tǒng)開發(fā)的技術(shù)路線擬定目標(biāo)及初步技術(shù)規(guī)范、可行性分析、初步設(shè)計(jì)（總體方案設(shè)計(jì)）、總體方案的評價(jià)與評審、理論分析（建模、仿真、模擬試驗(yàn)）、詳細(xì)設(shè)計(jì)（樣機(jī)設(shè)計(jì)）、詳細(xì)設(shè)計(jì)方案的評價(jià)與評審、試制樣機(jī)、樣機(jī)試驗(yàn)測試、技術(shù)鑒定建模及仿真在機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)中的作用1.2.2 仿真在機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的作用仿真的定義仿真的類型： 物理仿真基于物理模型的仿真 數(shù)學(xué)仿真基于數(shù)學(xué)模型的仿真 半物理仿真一部分?jǐn)?shù)學(xué)模型、一部分物

14、理模型建模及仿真在機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)中的作用關(guān)于數(shù)學(xué)模型 數(shù)學(xué)模型的目的和作用：在系統(tǒng)的最初設(shè)計(jì)階段或投入制造之前對其動態(tài)特性進(jìn)行預(yù)測，這種預(yù)測以數(shù)值模擬或稱仿真的方式進(jìn)行，其依據(jù)是基于系統(tǒng)動力學(xué)特性的數(shù)學(xué)描述，也就是數(shù)學(xué)模型。數(shù)學(xué)模型是設(shè)計(jì)工具。 建立模型的途徑：數(shù)理方法、試驗(yàn)建模、假設(shè)檢驗(yàn) 數(shù)理方法：分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理，定義系統(tǒng)變量將物理定律應(yīng)用于系統(tǒng)各組成元件，并進(jìn)行綜合得到描述輸入-輸出關(guān)系的（微分）方程式模型驗(yàn)證（實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證）建模及仿真在機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)中的作用半物理仿真之硬件在回路仿真半物理仿真之軟件在回路仿真半物理仿真之人在回路仿真建模及仿真在機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)中的作用機(jī)電系統(tǒng)仿真

15、的任務(wù)： 在理論分析階段通過對系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的模擬來分析和驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的正確性和合理性。 在樣機(jī)制作階段和試驗(yàn)階段，檢驗(yàn)控制模型的優(yōu)劣。 對于仿真的要求：簡單性與精確性的矛盾，分析成本與模型有效性的矛盾；數(shù)學(xué)模型是對于實(shí)際物理系統(tǒng)的近似數(shù)學(xué)描述，而非物理系統(tǒng)本身，重要的是數(shù)學(xué)模型要能夠滿足設(shè)計(jì)需要。機(jī)電系統(tǒng)常用的計(jì)算機(jī)仿真軟件1.3 機(jī)電系統(tǒng)常用的計(jì)算機(jī)仿真軟件Pro/Engineer：零件三維模型、機(jī)械裝配，同時(shí)配備有有限元和運(yùn)動學(xué)分析模塊ANSYS：基于有限元方法的力學(xué)分析ADAMS：Automatic Dynamic Analysis of Mec-hanical System機(jī)械系統(tǒng)動力

16、學(xué)分析MATLAB：Matrix LaboratoryPage 61數(shù)值計(jì)算基礎(chǔ)Page 76多項(xiàng)式與線性代數(shù)方程組，矩陣與非線性方程，插值、逼近及其應(yīng)用，數(shù)字信號處理，小波變換，快速傅利耶變換等內(nèi)容屬于數(shù)值算法。非數(shù)值算法一般包括線性表、棧、隊(duì)列和串，樹，圖，排序、查找與文件操作，并行算法等，主要是為符號運(yùn)算而設(shè)計(jì)的并行算法。Page 77秦九韶shao(1208年-1268年)，字道古，漢族，生于普州安岳(今四川省安岳縣)人，祖籍魯郡(今河南范縣)。 南宋著名數(shù)學(xué)家，與李冶、楊輝、朱世杰并稱宋元數(shù)學(xué)四大家。Page 78Page 79Page 80Page 81Page 83Page 93

17、Page 94Page 96Page 101Page 102Page 103Page 104Page 105本節(jié)課知識點(diǎn)有哪些？ 一、回顧：數(shù)值計(jì)算Page 113二、多體系統(tǒng)動力學(xué)基本理論多體動力學(xué)（MBD）系統(tǒng)是一個(gè)由剛體或連接組成的系統(tǒng)，通過接頭相互連接在一起，限制其相對運(yùn)動。MBD 研究是分析機(jī)械系統(tǒng)在作用力影響下的移動方式，也稱為正向動力學(xué)。而逆向問題研究（即機(jī)械系統(tǒng)以指定方式移動所需的作用力）被稱為逆向動力學(xué)。Page 1142.2 多剛體系統(tǒng)動力學(xué)建模2.2.1 多體系統(tǒng)動力學(xué)基本概念物理模型：力學(xué)模型，由物體、鉸、力元和外力等要素組成并具有一定拓?fù)錁?gòu)型的系統(tǒng)。拓?fù)錁?gòu)型：多體系統(tǒng)

18、中各物體的聯(lián)系方式，簡稱拓?fù)?。系統(tǒng)中任意兩個(gè)物體之間的通路唯一，不存在回路的，稱為樹系統(tǒng)；系統(tǒng)中存在回路的稱為非樹系統(tǒng)。物體：多體系統(tǒng)中的構(gòu)件定義為物體。在計(jì)算多體系統(tǒng)動力學(xué)中，物體區(qū)分為剛性體（剛體）和柔性體（柔體）。剛體和柔體是對機(jī)構(gòu)零件的模型化，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。Page 115約束：對系統(tǒng)中某構(gòu)件的運(yùn)動或構(gòu)件之間的相對運(yùn)動所施加的限制。分為運(yùn)動學(xué)、驅(qū)動約束，前者是運(yùn)動副約束的代數(shù)形式，而驅(qū)動約束則是施加于構(gòu)件上或構(gòu)件之間的附加驅(qū)動運(yùn)動條件。鉸：也稱為運(yùn)動副，在多體系統(tǒng)中將物體間的運(yùn)動學(xué)約束定義為鉸。鉸約束是運(yùn)動學(xué)約束的一種物理形

19、式。力元：在多體系統(tǒng)中物體間的相互作用，也稱為內(nèi)力。力元是對系統(tǒng)中彈簧、阻尼器、致動器的抽象，理想的力元可抽象為統(tǒng)一形式的移動彈簧-阻尼器-致動器（TSDA），或扭轉(zhuǎn)彈簧-阻尼器-致動器（RSDA）。外力（偶）：多體系統(tǒng)外的物體對系統(tǒng)中物體的作用定義為外力（偶）。數(shù)學(xué)模型：分為靜力學(xué)、運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)數(shù)學(xué)模型，是指在相應(yīng)條件下對系統(tǒng)物理模型（力學(xué)模型）的數(shù)學(xué)描述。Page 116機(jī)構(gòu)：裝配在一起并允許作相對運(yùn)動的若干個(gè)剛體的組合。運(yùn)動學(xué)：研究組成機(jī)構(gòu)的相互聯(lián)接的構(gòu)件系統(tǒng)的位置、速度、加速度，其與產(chǎn)生運(yùn)動的力無關(guān)。其數(shù)學(xué)模型是非線性和線性的代數(shù)方程。動力學(xué)：研究外力（偶）作用下機(jī)構(gòu)的動力學(xué)響應(yīng)，包

20、括構(gòu)件系統(tǒng)的加速度、速度、位置，以及運(yùn)動過程中的約束反力。動力學(xué)問題是已知系統(tǒng)構(gòu)型、外力和初始條件求運(yùn)動，也稱為動力學(xué)正問題。其數(shù)學(xué)模型是微分方程或微分方程和代數(shù)方程的混合。靜平衡：在與時(shí)間無關(guān)的力作用下系統(tǒng)的平衡。靜平衡分析是一種特殊的動力學(xué)分析，在于確定系統(tǒng)的靜平衡位置。逆向動力學(xué)：是運(yùn)動學(xué)分析與動力學(xué)分析的混合，是尋求運(yùn)動學(xué)上確定系統(tǒng)的反力問題，與動力學(xué)正問題相對應(yīng)，逆向動力學(xué)問題是已知系統(tǒng)構(gòu)型和運(yùn)動求反力，也稱為動力學(xué)逆問題。Page 117連體坐標(biāo)系：固定在剛體上并隨其運(yùn)動的坐標(biāo)系，用以確定剛體的運(yùn)動。剛體上每一個(gè)質(zhì)點(diǎn)的位置都可由其在連體坐標(biāo)系中的不變矢量來確定。廣義坐標(biāo)：唯一地確定

21、機(jī)構(gòu)所有構(gòu)件位置和方位即機(jī)構(gòu)構(gòu)形的任意一組變量。廣義坐標(biāo)可以是獨(dú)立的（即自由任意地變化）或不獨(dú)立的（即需要滿足約束方程）。對于運(yùn)動系統(tǒng)來說，廣義坐標(biāo)是時(shí)變量。自由度：確定一個(gè)物體或系統(tǒng)的位置所需要的最少的廣義坐標(biāo)數(shù)。約束方程：對系統(tǒng)中某構(gòu)件的運(yùn)動或構(gòu)件之間的相對運(yùn)動所施加的約束用廣義坐標(biāo)表示的代數(shù)方程形式。它是約束的代數(shù)等價(jià)形式，是約束的數(shù)學(xué)模型。Page 1182.2.2 計(jì)算多體系統(tǒng)動力學(xué)建模與求解一般過程圖2.1 計(jì)算多體系統(tǒng)動力學(xué)建模與求解一般過程運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)、靜平衡、逆向動力學(xué)分析Page 1192.4 多體系統(tǒng)動力學(xué)方程的求解計(jì)算多體系統(tǒng)動力學(xué)基本運(yùn)算線性方程組求解 消元法或迭代

22、法 （全主元高斯消元法）非線性方程組求解 牛頓-拉夫森（Newton-Raphson）常微分方程組（ODE）求解 線性多步法或單步的龍格-庫塔法。微分代數(shù)方程組（DAE）求解常微分方程的解是一元函數(shù)（只有一個(gè)自變量和一個(gè)因變量）。偏微分方程的解是多元函數(shù)（有兩個(gè)或以上的自變量和一個(gè)因變量，故其導(dǎo)函數(shù)是偏導(dǎo)數(shù)）。微分代數(shù)方程就是幾個(gè)微分方程和純代數(shù)方程（沒有導(dǎo)數(shù)）組成的一個(gè)方程組，代數(shù)微分方程很少有解析解。120ADAMS簡單教程軟件介紹基本知識環(huán)境介紹文檔介紹幾何建模施加約束施加載荷施加驅(qū)動運(yùn)動仿真后處理參數(shù)化模型最優(yōu)設(shè)計(jì)實(shí)例講解ADAMS教學(xué)內(nèi)容Page 121三、ADAMS軟件介紹1. A

23、DAMS軟件概述2. ADAMS軟件基本模塊3. ADAMS軟件擴(kuò)展模塊4. ADAMS軟件接口模塊5. ADAMS軟件專用領(lǐng)域模塊6. ADAMS軟件工具箱Page 122 ADAMS軟件概述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己經(jīng)被全世界各行各業(yè)的數(shù)百家主要制造商采用。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

24、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。重要Page 124ADAMS 軟件基本模塊ADAMS/View（界面模塊） ADAMS/View是ADAMS系列產(chǎn)品的核心模塊之一，采用以用戶為中心的交互式圖形環(huán)境，將圖標(biāo)操作、菜單操作、鼠標(biāo)點(diǎn)取操作與交互式圖形建模、仿真計(jì)算、動畫顯示、優(yōu)化設(shè)計(jì)、X-Y曲線圖處理、結(jié)果分析和數(shù)據(jù)打印等功能集成在一起。 樣機(jī)建摸、樣機(jī)模型數(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(jī)分析參數(shù)的設(shè)置、各種數(shù)據(jù)的輸入和輸出、同其他應(yīng)用程序的接口。1.5 用戶界面模塊ADAMS/View(con

25、t.)Page 126ADAMS/Solver是ADAMS系列產(chǎn)品的核心模塊之一，是ADAMS產(chǎn)品系列中處于心臟地位的仿真器。該軟件自動形成機(jī)械系統(tǒng)模型的動力學(xué)方程，提供靜力學(xué)、運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)的解算結(jié)果。ADAMS/Solver有各種建模和求解選項(xiàng)，以便精確有效地解決各種工程應(yīng)用問題。ADAMS/Solver可以對剛體和彈性體進(jìn)行仿真研究。為了進(jìn)行有限元分析和控制系統(tǒng)研究，用戶除要求軟件輸出位移、速度、加速度、力外，還可要求模塊輸出用戶自定義的數(shù)據(jù)。用戶可以通過運(yùn)動副、運(yùn)動激勵，高副接觸、用戶定義的子程序等添加不同的約束。用戶同時(shí)可求解運(yùn)動副之間的作用力和反作用力，或施加單點(diǎn)外力。求解器模塊

26、(ADAMS/Solver)Page 127MDI公司開發(fā)的后處理模塊ADAMS/Postprocessor，用來處理仿真結(jié)果數(shù)據(jù)、顯示仿真動畫等。既可以在ADAMS/View環(huán)境中運(yùn)行，也可脫離該環(huán)境獨(dú)立運(yùn)行。如圖所示。后處理模塊（ADAMS/Postprocessor）Page 128ADAMS/Postprocessor的主要特點(diǎn)：采用快速高質(zhì)量的動畫顯示，便于從可視化角度深入理解設(shè)計(jì)方案的有效性；使用樹狀搜索結(jié)構(gòu)，層次清晰，并可快速檢索對象；具有豐富的數(shù)據(jù)作圖、數(shù)據(jù)處理及文件輸出功能；具有靈活多變的窗口風(fēng)格，支持多窗口畫面分割顯示及多頁面存儲；多視窗動畫與曲線結(jié)果同步顯示，并可錄制成電

27、影文件；具有完備的曲線數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)功能：如均值、均方根、極值、斜率等；具有豐富的數(shù)據(jù)處理功能，能夠進(jìn)行曲線的代數(shù)運(yùn)算、反向、偏置、縮放、編輯和生成Bode圖等；為光滑消隱的柔體動畫提供了更優(yōu)的內(nèi)存管理模式；強(qiáng)化了曲線編輯工具欄功能；能支持模態(tài)形狀動畫，模態(tài)形狀動畫可記錄的標(biāo)準(zhǔn)圖形文件格式有：*.gif，*.jpg，*.bmp，*.xpm， *.avi 等；在日期、分析名稱、頁數(shù)等方面增加了圖表動畫功能；可進(jìn)行幾何屬性的細(xì)節(jié)的動態(tài)演示。Page 129 ADAMS 軟件擴(kuò)展模塊應(yīng)用Hydraulics模塊，用戶能精確地對由液壓元件驅(qū)動的復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行動力學(xué)仿真分析。比如：工程機(jī)械、汽車制動系統(tǒng)、汽

28、車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、飛機(jī)起落架等。運(yùn)用該模塊可提高機(jī)械工程師建立包括液壓回路在內(nèi)的機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)模型的能力，工程師利用Hydraulics和Controls模塊相結(jié)合，就可在同一仿真環(huán)境中建造、試驗(yàn)和觀察包括機(jī)-電-液一體化的虛擬樣機(jī)。Hydraulics是選裝模塊，使用的前提條件是要具備ADAMS/SoIver和ADAMS/View模塊。Hydraulics可幫助用戶將系統(tǒng)性能仿真與液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)無縫集成為一體。用戶可首先在ADAMS/View中建立液壓回路框圖，然后通過液壓油缸將其連接到機(jī)械系統(tǒng)模型中，最后選取最適當(dāng)?shù)?、功能最?qiáng)的積分器仿真分析整個(gè)系統(tǒng)的性能。用戶同時(shí)使用Hydraulics和Con

29、trols，可提供閥體的反饋控制輸入。并且由于液壓系統(tǒng)與機(jī)械系統(tǒng)之間的相互作用在計(jì)算機(jī)內(nèi)被有機(jī)地集成為一體，因此可以方便地進(jìn)行系統(tǒng)的裝配和仿真試驗(yàn)。液壓系統(tǒng)模塊（ADAMS/Hydraulics）Page 130ADAMS/Vibration是進(jìn)行頻域分析的工具，可用來檢測ADAMS模型的受迫振動(例如：檢測汽車虛擬樣機(jī)在顛簸不平的道路工況下行駛時(shí)的動態(tài)響應(yīng))，所有輸入輸出都將在頻域內(nèi)以振動形式措述，該模塊可作為ADAMS運(yùn)動仿真模型從時(shí)域向頻域轉(zhuǎn)換的橋梁。通過運(yùn)用ADAMS/Vibration可以實(shí)現(xiàn)各種子系統(tǒng)的裝配，并進(jìn)行線性振動分析，然后 利用功能強(qiáng)大的后處理模塊ADAMS/Postpr

30、ocessor可進(jìn)一步作出因果分析與設(shè)計(jì)目標(biāo)設(shè)置分析。振動分析模塊（ADAMS/Vibration）Page 131采用ADAMS/Vibration模塊，可在模型的不同的測點(diǎn)，進(jìn)行受迫響應(yīng)的頻域分析；頻域分析中可包含液壓、控制及用戶系統(tǒng)等結(jié)果信息；能夠快速準(zhǔn)確將ADAMS線性化模型轉(zhuǎn)入vibration模塊中；能夠?yàn)檎駝臃治鲩_辟輸入、輸出通道，能定義頻域輸入函數(shù)，產(chǎn)生用戶定義的力頻譜；能求解所關(guān)注的頻帶范圍的系統(tǒng)模型，評價(jià)頻響函數(shù)的幅值大小及相位特征；能夠動畫演示受迫響應(yīng)及各模態(tài)響應(yīng)；能把系統(tǒng)模型中有關(guān)受迫振動響應(yīng)的信息列表；能把ADAMS模型中的狀態(tài)矩陣輸出到MATLAB及MATRIX中；

31、運(yùn)用設(shè)計(jì)研究、DOE(試驗(yàn)設(shè)計(jì))及振動分析結(jié)果和參數(shù)化的振動輸入優(yōu)化系統(tǒng)綜合性能。運(yùn)用Vibration能使工作變得快速簡單，運(yùn)用虛擬檢測振動設(shè)備方便地替代實(shí)際振動研究中復(fù)雜的檢測過程，從而避免了實(shí)際檢測只能在設(shè)計(jì)的后期進(jìn)行且費(fèi)用高昂等弊病，縮短設(shè)計(jì)時(shí)間、降低設(shè)計(jì)成本。Vibration輸出的數(shù)據(jù)還可被用來研究預(yù)測汽車、火車、飛機(jī)等機(jī)動車輛的噪音對駕駛員及乘客的振動沖擊，體現(xiàn)了以人為本的現(xiàn)代設(shè)計(jì)趨勢。Page 132ADAMS/Linear是ADAMS的一個(gè)集成可選模塊，可在進(jìn)行系統(tǒng)仿真時(shí)將系統(tǒng)非線性的運(yùn)動學(xué)或動力學(xué)方程進(jìn)行線性化處理，以便快速計(jì)算系統(tǒng)的固有頻率(特征值)、特征向量和狀態(tài)空間矩

32、陣，使用戶能更快而較全面地了解系統(tǒng)的固有特性。Linear主要功能特點(diǎn)包括：利用該模塊可以給工程師帶來許多幫助：可以在大位移的時(shí)域范圍和小位移的頻率范圍間提供一座橋梁，方便地考慮系統(tǒng)中零部件的彈性特性；利用它生成的狀態(tài)空間矩陣可以對帶有控制元件的機(jī)構(gòu)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制仿真；利用求得的特征值和特征向量可以對系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)定性研究。線性化分析模塊（ADAMS/Linear）Page 133ADAMS/Animation是ADAMS的一個(gè)集成可選模塊，使用戶能借助于增強(qiáng)透視、半透明、彩色編輯及背景透視等方法精細(xì)加工所形成的動畫，增強(qiáng)動力學(xué)仿真分析結(jié)果動畫顯示的真實(shí)感。用戶既可以選擇不同的光源，并交互地移動、對

33、準(zhǔn)和改變光源強(qiáng)度，還可以將多臺攝像機(jī)置于不同的位置、角度同時(shí)觀察仿真過程，從而得到更完善的運(yùn)動圖象。該模塊還提供干涉檢測工具，可以動態(tài)顯示仿真過程中運(yùn)動部件之間的接觸干涉，幫助用戶觀察整個(gè)機(jī)械系統(tǒng)的干涉情況;同時(shí)還可以動態(tài)測試所選的兩個(gè)運(yùn)動部件在仿真過程中距離的變化。該模塊主要功能是：采用基于Motif/Windows的界面，標(biāo)準(zhǔn)下拉式菜單和彈出式對話窗，易學(xué)易用；與View模塊無縫集成，在View中只需點(diǎn)一下鼠標(biāo)就可轉(zhuǎn)換到Animation；其使用的前提條件是必須要有View模塊和Solver模塊。高速動畫模塊（ADAMS/Animation）Page 134ADAMS/Insight是基于

34、網(wǎng)頁技術(shù)的新模塊，利用該模塊，工程師可以方便地將仿真試驗(yàn)結(jié)果置于intranet或extranet網(wǎng)頁上，這樣，企業(yè)不同部門的人員(設(shè)計(jì)工程師、試驗(yàn)工程 師、計(jì)劃/采購/管理/銷售部門人員)都可以共享分析成果，加速決策進(jìn)程，最大限度地減少 決策的風(fēng)險(xiǎn)。應(yīng)用ADAMS/Insight，工程師可以規(guī)劃和完成一系列仿真試驗(yàn)，從而精確地預(yù)測所設(shè)計(jì)的復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)在各種工作條件下的性能，并提供了對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行各種專業(yè)化統(tǒng)計(jì)分析的工具。ADAMS/Insight是選裝模塊，既可以在ADAMS/View，ADAMS/Car, ADAMS/Pre環(huán)境中運(yùn)行，也可脫離ADAMS環(huán)境單獨(dú)運(yùn)行。工程師在擁有這些能力后

35、，就可以對任何一種仿真進(jìn)行試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)，精確地預(yù)測設(shè)計(jì)的性能，得到高品質(zhì)的設(shè)計(jì)方案。試驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析模塊（ADAMS/Insight）Page 135ADAMS/Insight采用的試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法包括全參數(shù)法、部分參數(shù)法、對角線法（反證法）、Box-Behnkn法，Placket-Bruman法和D-Optimal法等。當(dāng)采用其他軟件設(shè)計(jì)機(jī)械系統(tǒng)時(shí)，工程師可直接輸入或通過文件輸入系統(tǒng)矩陣對設(shè)計(jì)方案進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)；可以通過掃描識別影響系統(tǒng)性能的靈敏參數(shù)或參數(shù)組合可以采用響應(yīng)面法（Response Surface Methods）通過對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)學(xué)回歸分析，幫助工程師更好地理解產(chǎn)品的性能和系統(tǒng)內(nèi)部各

36、個(gè)零部件之間的相互作用；試驗(yàn)結(jié)果采用工程單位制，可以方便地輸入其他試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行工程分析；通過網(wǎng)頁技術(shù)可以將仿真試驗(yàn)結(jié)果通過網(wǎng)頁進(jìn)行交流，便于企業(yè)各個(gè)部門評價(jià)和調(diào)整機(jī)械系統(tǒng)的性能。參考試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法一書。Page 136耐久性試驗(yàn)是產(chǎn)品開發(fā)的一個(gè)關(guān)鍵步驟，耐久性試驗(yàn)?zāi)軌蚪獯稹皺C(jī)構(gòu)何時(shí)報(bào)廢或零部件何時(shí)失效”這個(gè)問題，它對產(chǎn)品零部件性能、整機(jī)性能都具有重要影響。MDI公司已經(jīng)與MTS公司及nCode公司合作，共同開發(fā)ADAMS/Durability，使之成為耐久性試驗(yàn)的完全解決方案。Durability按工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的耐久性文件格式對時(shí)間歷程數(shù)據(jù)接口進(jìn)行了一次全新的擴(kuò)展。目前，該模塊支持兩種時(shí)間歷程文件格

37、式：nSoft和MTS的RPC3。Durability可以把上述文件格式的數(shù)據(jù)直接輸入到ADAMS仿真模塊中去，或把ADAMS的仿真分析結(jié)果輸出到這種文件格式中來。耐久性分析模塊（ADAMS/Durability）Durability集成了VTL（Virtual Test Lab）技術(shù)，VTL工具箱是由MTS與MDI公司設(shè)計(jì)及創(chuàng)建的標(biāo)準(zhǔn)機(jī)械檢測系統(tǒng)，通過MTS的RPC圖形用戶接口可實(shí)施檢測，并保留檢測配置及操作問題，VTL的檢測結(jié)果將返回工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的RPC格式文件中，以便由標(biāo)準(zhǔn)分析應(yīng)用程序使用。一旦得到實(shí)際檢測結(jié)果，便可以執(zhí)行預(yù)測分析及驗(yàn)證。nCode公司的nSoft耐久性分析軟件可以進(jìn)行應(yīng)力壽

38、命、局部應(yīng)變壽命、裂隙擴(kuò)展?fàn)顩r、多軸向疲勞及熱疲勞特征、振動響應(yīng)、各種焊接機(jī)構(gòu)強(qiáng)度等分析。Durability把以上技術(shù)集成在一起，從而使虛擬樣機(jī)檢測系統(tǒng)耐久性成為現(xiàn)實(shí)。Page 137ADAMS/DMU（Digital Mockup）Replay模塊是MDI公司與Dassault Systems合作，針對CATIA的用戶推出的全新模塊，是運(yùn)行在CATIA V5中的應(yīng)用程序，可通過CATIA V5的界面訪問。該模塊是ADAMS與CATIA之間數(shù)據(jù)通訊的橋梁。利用它可以把其他ADAMS產(chǎn)品（如CAT/ADAMS）中得到的分析結(jié)果導(dǎo)入到CATIA中進(jìn)行動畫顯示。ADAMS/DMU模塊的主要功能：能

39、夠把ADAMS的分析結(jié)果導(dǎo)入到CATIA V5中；能夠調(diào)整ADAMS部件名稱與CATIA幾何體相一致以便于顯示；能夠用裝配的CATIA幾何體動畫顯示仿真結(jié)果；在運(yùn)動情況下，能產(chǎn)生一般幾何體部件的包絡(luò)線，執(zhí)行動態(tài)干涉檢查。數(shù)字化裝配回放模塊（ADAMS/DMU Replay）Page 138ADAMS/Flex是ADAMS軟件包中的個(gè)集成可選模塊，提供了與ANSYS，MSC/NASTRAN，ABAQUS，I-DEAS等軟件的接口，可方便地考慮零部件的彈性特性，建立多體動力學(xué)模型，以提高系統(tǒng)仿真的精度。Flex模塊支持有限元軟件中的MNF(模態(tài)中性文件)格式。結(jié)合Linear模塊，可對零部件的模態(tài)

40、進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮Y選，去除對仿真結(jié)果影響極小的模態(tài)，并可人為控制各階模態(tài)的阻尼，進(jìn)而大大提高仿真的速度。同時(shí)，利用Flex模塊，還可方便地向有限元軟件輸出系統(tǒng)仿真后的載荷譜和位移譜信息，利用有限元軟件進(jìn)行應(yīng)力、應(yīng)變以及疲勞壽命的評估分析和研究。3.4 ADAMS軟件接口模塊柔性分析模塊（ADAMS/Flex）Page 139ADAMS/Controls是ADAMS軟件包中的一個(gè)集成可選模塊。在Controls中，設(shè)計(jì)師既可通過簡單的繼電器、邏輯與非門、阻尼線圈等建立簡單的控制機(jī)構(gòu)，也可利用通用控制系統(tǒng)軟件(如：Matlab，MATRIX，EASY5)建立的控制系統(tǒng)框圖，建立包括控制系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、氣

41、動系統(tǒng)和運(yùn)動機(jī)械系統(tǒng)的仿真模型。在仿真計(jì)算過程中，ADAMS采取兩種工作方式：其一，機(jī)械系統(tǒng)采用ADAMS解算器，控制系統(tǒng)采用控制軟件解算器，二者之間通過狀態(tài)方程進(jìn)行聯(lián)系；其二，利用控制軟件書寫描述控制系統(tǒng)的控制框圖，然后將該控制框圖提交給ADAMS，應(yīng)用ADAMS解算器進(jìn)行包括控制系統(tǒng)在內(nèi)的復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)虛擬樣機(jī)的同步仿真計(jì)算。這樣的機(jī)械-控制系統(tǒng)的聯(lián)合仿真分析過程可用于許多領(lǐng)域，例如汽車自動防抱死系統(tǒng)（ABS）、主動懸架、飛機(jī)起落架助動器、衛(wèi)星姿態(tài)控制等。使用Controls的前提是需要ADAMS與控制系統(tǒng)軟件同時(shí)安裝在相同的工作平臺上。控制模塊（ADAMS/Controls）Page 14

42、0ADAMS/Exchange是ADAMS/View的一個(gè)集成可選模塊，其功能是利用IGES、STEP、STL、DWG/DXF等產(chǎn)品數(shù)據(jù)交換庫的標(biāo)準(zhǔn)文件格式完成ADAMS與其它CAD/CAM/CAE軟件之間數(shù)據(jù)的雙向傳輸，從而使ADAMS與CAD/CAM/CAE軟件更緊密地集成在一起。Exchange可保證傳輸精度、節(jié)省用戶時(shí)間、增強(qiáng)仿真能力。當(dāng)用戶將CAD/CAM/CAE軟件中建立的模型向ADAMS傳輸時(shí)，Exchange自動將圖形文件轉(zhuǎn)換成一組包含外形、標(biāo)志和曲線的圖形要素，通過控制傳輸時(shí)的精度，可獲得較為精確的幾何形狀，并獲得質(zhì)量、質(zhì)心和轉(zhuǎn)動慣量等重要信息；用戶可在其上添加約束、力和運(yùn)動

43、等，這樣就減少了在ADAMS中重建零件幾何外形的要求，節(jié)省建模時(shí)間，增強(qiáng)了用戶觀察虛擬樣機(jī)仿真模型的能力。圖形接口模塊（ADAMS/Exchange）Page 141為了使ADAMS更方便地與CATIA進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，Dassault Systems公司與美國MDI公司在柱面汽車公司BMW、Chrysler和Peugeot等的大力支持下開發(fā)了CAT/ADAMS。應(yīng)用CAT/ADAMS可將ADAMS虛擬樣機(jī)技術(shù)有機(jī)地融入CATIA之中，即同時(shí)將CATIA的運(yùn)動學(xué)模型、幾何圖形和其它實(shí)體信息方便地傳遞至ADAMS；可對整個(gè)產(chǎn)品進(jìn)行動力學(xué)分析，并將分析結(jié)果反饋給CATIA；可進(jìn)行碰撞檢測和間隙影響研究

44、。采用此接口可改進(jìn)仿真精度、提高工程分析的速度和效率，從而快速評價(jià)多種設(shè)計(jì)方案。CATIA專業(yè)接口模塊（CAT/ADAMS）Page 142Mechanical/Pro是連接Pro/E與ADAMS之間的橋梁。二者采用無縫連接的方式，使Pro/E用戶不必退出其應(yīng)用環(huán)境，就可將裝配的總成根據(jù)其運(yùn)動關(guān)系定義為機(jī)構(gòu)系統(tǒng)，進(jìn)行系統(tǒng)的運(yùn)動學(xué)仿真，并進(jìn)行干涉檢查、確定運(yùn)動鎖止的位置、計(jì)算運(yùn)動副的作用力。Mechanical/Pro是采用Pro/Develop工具創(chuàng)建的，因此Pro/E用戶可以在其熟悉的CAD環(huán)境中建立三維機(jī)械系統(tǒng)模型，并對其運(yùn)動性能進(jìn)行仿真分析。通過一個(gè)按鍵操作，可將數(shù)據(jù)傳送到ADAMS中，

45、進(jìn)行全面的動力學(xué)分析。Pro/E接口模塊（Mechanical/Pro）Page 143ADAMS/Car是MDI公司與Audi、BMW、Renault和Volvo等公司合作開發(fā)的整車設(shè)計(jì)軟件包，集成了他們在汽車設(shè)計(jì)、開發(fā)方面的專家經(jīng)驗(yàn)，能夠幫助工程師快速建造高精度的整車虛擬樣機(jī)，其中包括車身、懸架、傳動系統(tǒng)、發(fā)動機(jī)、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、制動系統(tǒng)等，工程師可通過高速動畫直觀地再現(xiàn)在各種試驗(yàn)工況下（例如：天氣、道路狀況、駕駛員經(jīng)驗(yàn)）整車的動力學(xué)響應(yīng)，并輸出標(biāo)志操縱穩(wěn)定性、制動性、乘坐舒適性和安全性的特征參數(shù)，從而減少對物理樣機(jī)的依賴，而仿真時(shí)間只是進(jìn)行物理樣機(jī)試驗(yàn)的幾分之一。3.5 ADAMS軟件專用領(lǐng)域

46、模塊轎車模塊（ADAMS/Car）Car采用的用戶化界面是根據(jù)汽車工程師的習(xí)慣而專門設(shè)計(jì)的。Car中包括整車動力學(xué)模塊(Vehicle Dynamics)和懸架設(shè)計(jì)模塊(Suspension Design)，其仿真工況包括：方問盤角階躍、斜坡和脈沖輸入、蛇行穿越試驗(yàn)、漂移試驗(yàn)、加速試驗(yàn)、制動試驗(yàn)和穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向試驗(yàn)等，同時(shí)還可設(shè)定試驗(yàn)過程中的節(jié)氣門開度、變速器檔位等。Page 144Suspension Design中包括以特征參數(shù)(前束、定位參數(shù)、速度)表示的概念式懸架模型。通過這些特征參數(shù)，設(shè)計(jì)師可快速確定在任意載荷和輪胎條件下的輪心位置和方向。在此基礎(chǔ)上，快速建立包括橡膠襯套等在內(nèi)的柔體懸架模

47、型。應(yīng)用Suspension Design，設(shè)計(jì)師可得到與物理樣機(jī)試驗(yàn)完全相同的仿真試驗(yàn)結(jié)果。采用全參數(shù)的面板建模方式，借助懸架面板，設(shè)計(jì)師可提出原始的懸架設(shè)計(jì)方案。在此基礎(chǔ)上，通過調(diào)整懸架參數(shù)(例如：連接點(diǎn)位置和襯套參數(shù))就可快速確定滿足理想懸梁特性的懸梁方案。Suspension Design可進(jìn)行的懸梁試驗(yàn)包括：單輪激振試驗(yàn)、雙輪同向激振試驗(yàn)、雙輪反向激振試驗(yàn)、轉(zhuǎn)向試驗(yàn)和靜載試驗(yàn)等，輸出三十九種標(biāo)準(zhǔn)懸架特征參數(shù)。懸架設(shè)計(jì)軟件包（Suspension Design）Page 145CSM(Conceptual Suspension Module)概念化懸架模塊是一個(gè)選裝模塊，可作為ADAM

48、S/Car的一部分，也可單獨(dú)使用。利用CSM，通過預(yù)先定義懸架運(yùn)動時(shí)或受外力作用時(shí)車橋的軌跡，可在ADAMS/Car中實(shí)現(xiàn)懸架的運(yùn)動分析。利用CSM不需要建立詳細(xì)的多體懸架模型，就可研究系統(tǒng)級的車輛動力學(xué)性能。因?yàn)樘卣魑募?SCF中不包含任何相關(guān)的幾何信息，所以CSM模型不但可以與他人(例如：零件供應(yīng)商)共享懸架特征文件(.SCF)，而且不必?fù)?dān)心泄密。與多體懸架模型相比，CSM提供了懸架的運(yùn)動性能分析，只注重懸架布局的最終結(jié)果，可快速建立簡化的14DOF的汽車模型，該汽車模型中包含非線性的彈性動力學(xué)性能的多體懸架模型。使用CSM可在同一個(gè)車輛裝配中把概念化懸架與多體懸架結(jié)合使用；可通過表格數(shù)據(jù)

49、（2維或3維的樣條函數(shù)）或二元多項(xiàng)式系數(shù)定義懸架特征曲線；從Car多體懸架分析中可自動產(chǎn)生懸架特征.SCF文件；用戶可如同懸架設(shè)計(jì)模塊一樣進(jìn)行整車的仿真分析。概念化懸架模塊（CSM）Page 146ADAMS/Driver是ADAMS軟件包中的一個(gè)可選模塊，該模塊是在德國的IPG-Driver基礎(chǔ)上，經(jīng)過二次開發(fā)而形成的成熟產(chǎn)品。利用Driver，用戶可確定汽車駕駛員的行為特征，確定各種操縱工況（例如：穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向、轉(zhuǎn)彎制動、ISO變線試驗(yàn)、側(cè)向風(fēng)試驗(yàn)等），同時(shí)確定方向盤轉(zhuǎn)角或轉(zhuǎn)矩、加速踏板位置、作用在制動踏板上的力、離合器的位置、變速器檔位，提高車輛動力學(xué)仿真的真實(shí)感。當(dāng)同時(shí)使用Tire模塊和D

50、river模塊時(shí)，設(shè)計(jì)人員還可研究車輛沿傾斜彎道、坡道及崎嶇不平路面行駛時(shí)的三維動力學(xué)響應(yīng)。該模塊特別適用于裝備有各種正、負(fù)反饋的智能系統(tǒng)(例如：制動防抱死系統(tǒng)ABS、四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)4WS、四輪驅(qū)動系統(tǒng)4WD、自動導(dǎo)航系統(tǒng))的汽車。Driver模塊還可通過調(diào)整駕駛員行為適應(yīng)各種汽車特定的動力學(xué)特性，并具有記憶功能。駕駛員模塊（ADAMS/Driver）Page 147動力傳動系統(tǒng)是ADAMS推出的全新模塊，利用此模塊，用戶可快速地建立、測試具有完整傳動系統(tǒng)或傳動系統(tǒng)部件的數(shù)字化虛擬樣機(jī)，也可把建立的數(shù)字化虛擬樣機(jī)加入到Car中進(jìn)行整車動力學(xué)性能的研究。Driveline從Car繼承了關(guān)鍵的特征，

51、如模板、參數(shù)以及可擴(kuò)展的仿真環(huán)境，與Car和Engine一起構(gòu)成完整的車輛仿真工具。使用Driveline模塊，可以快速創(chuàng)建完整的、參數(shù)化的傳動系統(tǒng)，研究扭矩的傳遞以及分配，傳動系統(tǒng)的裝配以及振動分析等性能，也可預(yù)測部件的疲勞壽命，獲得NVH（振動、噪音、舒適性）特性。利用該模塊建立的包含傳動系統(tǒng)的虛擬樣機(jī)可加入到Car中分析研究整車（如前輪驅(qū)動、后輪驅(qū)動以及全輪驅(qū)動）的動力學(xué)性能分析。動力傳動系統(tǒng)模塊（ADAMS/Driveline）Page 148ADAMS/Tire是研究輪胎/道路相互作用的建模可選模塊。利用該模塊工程師可以更方便地計(jì)算側(cè)向力、自動回正力矩及由于路面不平而產(chǎn)生的力，進(jìn)行裝

52、備不同輪胎的整車在各種路面條件下的多組道路試驗(yàn)。Tire可計(jì)算輪胎為克服滾動阻力而受到的垂向、縱向和側(cè)向載荷；仿真研究車輛在制動、轉(zhuǎn)向、加速、滑行、滑移等大變形工況下的動力學(xué)特性；研究車輛的穩(wěn)定性，計(jì)算汽車的偏轉(zhuǎn)、俯仰和側(cè)傾特性；其輸出力和加速度數(shù)據(jù)可作為有限元軟件包的輸入載荷進(jìn)行相應(yīng)的應(yīng)力和疲勞特性研究。Tire模型的數(shù)據(jù)輸入形式多樣，既可以是輪胎特性，也可以是試驗(yàn)數(shù)據(jù)表。軟件中包含荷蘭Delft工業(yè)大學(xué)Hans Pacejka教授與瑞典Volvo汽車公司合作開發(fā)的“Magic Formula”輪胎模型（MF輪胎）。輪胎模塊（ADAMS/Tire）Page 149FTire（Flexible

53、 Ring Tire Model）柔性環(huán)輪胎模型，是ADAMS/Tire的新增模塊，是一個(gè)2.5維的非線性輪胎模型，輪胎的胎體由一些環(huán)形的元素來代替，一般大約為50100個(gè)元素，通過剛性彈簧互相連接起來。這些環(huán)形元素相對于輪輻可以在任意方向彎曲。FTire與TYDEX基本輪胎界面一致。FTire模塊主要是針對乘坐舒適性、耐久性以及操縱性能方面的應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。此外，該模塊在模型的逼真度、細(xì)節(jié)與計(jì)算速度之間提供了一個(gè)有效的折中方法； 在頻域提供了有效的分析結(jié)果，頻率可高達(dá)120Hz；容易從輪胎的測量數(shù)據(jù)中獲得模型參數(shù)；對波長降到輪胎接地尺寸的半的小障礙物，能夠得出有效的結(jié)果；當(dāng)通過凸凹不平的路面時(shí)

54、，能提供很高的精確值。柔性環(huán)輪胎模塊（FTire Module）Page 150ADAMS/FBG（Flexible Body Generator）模塊實(shí)際上是在ADAMS中集成了一個(gè)簡單的FEA求解器，是ADAMS由系統(tǒng)動力學(xué)向結(jié)構(gòu)動力學(xué)的一次重要功能擴(kuò)展，其主要是為Car，Engine，Rail等采用模板建模方式模塊配備的選裝模塊。利用此模塊，可根據(jù)AFI（AutoFlex Input）文件自動生成形狀復(fù)雜的柔性體，以便在仿真分析中研究柔性部件的變形，更加精確地預(yù)測載荷，提高仿真的準(zhǔn)確度。AFI文件是文本文件，通過定義幾何體形狀、材料以及相關(guān)屬性等，創(chuàng)建MNF（Modal Neutral

55、File）文件，該文件為柔性體的有限元輸出文件，定義了柔性體的特性。使用該模塊，把中心線、橫截面、柔性元素等信息寫入到AFI文件中，利用FBG對輸入的AFI文件進(jìn)行解析，進(jìn)而生成相應(yīng)的MNF文件，然后把MNF文件導(dǎo)入到采用模板建模方式的模塊中，把生成的柔性體信息賦給已存在的柔性體，或者創(chuàng)建一個(gè)新的柔性體。柔性體生成器模塊（ADAMS/FBG）Page 151虛擬樣機(jī)功能的巨大發(fā)展歸功于MDI公司與MTS系統(tǒng)公司共同開發(fā)的EDM（Empirical Dynamics Models）經(jīng)驗(yàn)動力學(xué)模塊。利用EDM，可快速建立基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)的高精度彈性件模型，特別是在設(shè)計(jì)復(fù)雜的懸架、阻尼器、襯套、發(fā)動機(jī)懸

56、置和輪胎等。以前復(fù)雜模型的建立依賴于零部件的詳細(xì)幾何、物理屬性，以及物理特性。由于EDM是基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)的，能進(jìn)行自我校驗(yàn)，減少了試驗(yàn)驗(yàn)證工作，大大節(jié)約了計(jì)算時(shí)間。經(jīng)驗(yàn)動力學(xué)模型易于生成和使用，不僅適用于部件裝配，也適用于系統(tǒng)裝配中。使用EDM，在產(chǎn)品開發(fā)的早期就可以創(chuàng)建高精度的彈性元件模型；與傳統(tǒng)的模型相比，適用于較高的振幅和頻率范圍；與傳統(tǒng)利用幾何等信息建立的模型相比，運(yùn)算速度顯著提高；能夠加速車輛的開發(fā)過程，縮短研制周期。經(jīng)驗(yàn)動力學(xué)模型（EDM）Page 152ADAMS/Engine是美國MDI公司最新推出的全新仿真環(huán)境，其主要功能是為工程師提供傳動系快速建模、仿真的專業(yè)化工具。Engi

57、ne是為建造和測試發(fā)動機(jī)虛擬樣機(jī)而開發(fā)的軟件環(huán)境，利用它用戶可在產(chǎn)品開發(fā)的各個(gè)階段快速地優(yōu)化傳動系的單個(gè)零件、子系統(tǒng)以及整個(gè)系統(tǒng)的性能。Engine模塊是Car模塊的重要補(bǔ)充，主要是建立發(fā)動機(jī)配氣系統(tǒng)的專業(yè)化仿真環(huán)境，并將增加正時(shí)系統(tǒng)、傳送帶、曲軸、連桿和活塞系統(tǒng)的仿真試驗(yàn)功能。通過Engine與Car的有機(jī)結(jié)合，可以建立一個(gè)集整車動力學(xué)、懸架設(shè)計(jì)和發(fā)動機(jī)系統(tǒng)優(yōu)化的完整集成仿真環(huán)境。發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)模塊（ADAMS/Engine）Page 153發(fā)動機(jī)系統(tǒng)是汽車設(shè)計(jì)的一個(gè)重要組成部分，通過Engine提供的專業(yè)化仿真環(huán)境，汽車工程師能夠在產(chǎn)品設(shè)計(jì)的早期，預(yù)測、修改和優(yōu)化傳動系的高頻性能，并將傳動系的

58、零部件(例如：曲柄、連桿、活塞銷、活塞和活塞環(huán)等)和子系統(tǒng)（配氣系統(tǒng)、正時(shí)系統(tǒng)、傳送帶、曲軸、連桿和活塞系統(tǒng)等）組成完整的虛擬發(fā)動機(jī)。在此基礎(chǔ)上，發(fā)動機(jī)工程師能夠在綜合考慮成本、重量、裝配及約束等設(shè)計(jì)要求的前提下，計(jì)算傳動系的零部件載荷，預(yù)測其使用壽命、可靠性，解決發(fā)動機(jī)系統(tǒng)振動等動力學(xué)問題。用戶能夠根據(jù)發(fā)動機(jī)的成本、重量、裝配及約束條件，計(jì)算傳動系的零部件載荷，預(yù)測其使用壽命、可靠性，解決發(fā)動系系統(tǒng)振動等動力學(xué)問題。Page 154ADAMS/Engine Valvetrain是MDI公司推出的發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)軟件包中的第一個(gè)模塊，應(yīng)用該模塊，可快速建立配氣機(jī)構(gòu)的虛擬樣機(jī)模型，研究凸輪軸的扭轉(zhuǎn)振動

59、和軸承載荷，氣門機(jī)構(gòu)的凸輪壓力，氣門動力學(xué)，彈簧動力學(xué)和摩擦損失等；而且用戶還可方便地控制輸出文件的格式和內(nèi)容，輸出二維曲線和多維曲面，仿真數(shù)據(jù)也可深入其他圖形工具，進(jìn)行專業(yè)的后處理。利用Valvetrain模塊，可優(yōu)化配氣機(jī)構(gòu)、氣門座和凸輪的可靠性。首先采用高精度模板快速建立配氣機(jī)構(gòu)的虛擬樣機(jī)模型并進(jìn)行仿真分析，進(jìn)而輸出氣門位移隨轉(zhuǎn)速與曲柄轉(zhuǎn)角變化的曲線，并與最佳換氣所期望的氣門位移特性曲線比較，在此基礎(chǔ)上，工程人員按照氣門位移曲線和氣門落座速度修正凸輪輪廓形狀以改善其性能。此外，利用此模塊，還可優(yōu)化液壓間隙調(diào)節(jié)裝置的設(shè)計(jì)。配氣機(jī)構(gòu)模塊（ADAMS/Engine Valvetrain）Pag

60、e 155ADAMS/Engine Chain是MDI公司推出的發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)軟件包中的又一模塊，應(yīng)用這個(gè)模塊，用戶可建立由滾子和襯套組成的正時(shí)鏈模型?？煞治霎?dāng)鏈輪和導(dǎo)向輪任意布置時(shí)正時(shí)鏈系統(tǒng)的性能，研究正時(shí)鏈中襯套和鏈的振動以及沖擊載荷、齒形帶的張緊力和振動、斜齒/錐齒輪傳動中齒輪的振動。利用這個(gè)模塊，還可方便地定義滾子/襯套傳動鏈的斜率、后節(jié)距、寬度、質(zhì)量分布和慣量等特性，設(shè)計(jì)非對稱齒，定義傳動齒之間的接觸特性，創(chuàng)建旋轉(zhuǎn)式、移動式以及固定式等不同形式的導(dǎo)向輪。正時(shí)鏈模塊（ADAMS/Engine Chain）“正時(shí)皮帶”或“正時(shí)鏈條”是發(fā)動機(jī)重要零部件。正時(shí)皮帶”或“正時(shí)鏈條”的主要作用是用來