基于adams的虚拟样机技术的发展与应用

基于ADAMS的虚拟样机技术的发展与应用DEVELOPMENTANDAPPLICATIONOFVIRTUALPROTOTYPINGTECHNOLOGYBASEDONADAMS所属学院汽车与交通工程学院课程名称车辆系统建模与仿真专业班级研车辆任课教师基于ADAMS的虚拟样机技术的发展与应用摘要虚拟样机是建立在计算机上的原型系统或子系统模型，它在一定程度上具有与物理样机相当的功能真实度。ADAMSAUTOMATEDDYNAMICANALYSISOFMECHANICALSYSTEMS是虚拟样机的代表，提供了模拟物理系统运动过程的仿真分析环境，可以全面地仿真现实制造活动中的人、物、信息及制造过程。本文在介绍ADAMS的基础上，研究并论述了虚拟样机技术的概念、特点及其关键技术，结合虚拟样机技术的国内外发展、研究情况和典型应用，分析了虚拟样机技术在我国相关领域的发展与应用前景，关键词虚拟样机；ADAMS；仿真；典型应用；CLASSIFICATIONAPPLICATIONANDDEVELOPMENTTRENDOFAUTOMOTIVEELECTRONICCONTROLTECHNOLOGYABSTRACTVIRTUALPROTOTYPINGISTHEPROTOTYPEMODELBUILTONTHECOMPUTERSYSTEMORSUBSYSTEM,WHICHHASTHEFUNCTIONOFPHYSICALPROTOTYPESRATHERFIDELITYTOACERTAINEXTENTADAMSAUTOMATEDDYNAMICANALYSISOFMECHANICALSYSTEMSISTHEREPRESENTATIVEOFVIRTUALPROTOTYPING,WHICHPROVIDESASIMULATIONENVIRONMENTTOSIMULATEPHYSICALSYSTEMMOVEMENTBESIDES,ITCANFULLYSIMULATEREALACTIVITIESOFHUMAN,MATERIAL,INFORMATIONANDMANUFACTURINGPROCESSINTHISPAPERTHECONCEPT,CHARACTERISTICSANDKEYTECHNOLOGIESOFVIRTUALPROTOTYPINGTECHNOLOGYWERESTUDIEDANDDISCUSSEDAFTERTHEINTRODUCTIONOFADAMS,INCOMBINATIONOFDOMESTICANDINTERNATIONALDEVELOPMENTOFVIRTUALPROTOTYPINGTECHNOLOGY,RESEARCHPROGRESSANDTYPICALAPPLICATION,ITSDEVELOPMENTOFRELATEDFIELDSANDAPPLICATIONPROSPECTSWEREANALYZEDKEYWORDSVIRTUALPROTOTYPINGADAMSSIMULATIONTYPICALAPPLICATION目录基于ADAMS的虚拟样机技术的发展与应用11引言12虚拟样机技术的发展221国外发展历程222国内发展历程23ADAMS软件331ADAMS软件介绍332ADAMS软件模块333ADAMS设计一般流程4331建模4332验证模型4333完善模型5334迭代5335优化5336完成仿真54ADAMS/CAR在车辆建模中的应用55总结76参考文献81引言虚拟样机是建立在计算机上的原型系统或子系统模型，它在一定程度上具有与物理样机相当的功能真实度。虚拟样机技术VIRTUALPROTOTYPING,VP是一门综合多学科的技术，它的核心部分是多体系运动学与动力学建模理论及其技术实现。是指在产品设计开发过程中，将分散的零部件设计和分析技术融合在一起，在计算机上建造出产品的整体模型，并针对该产品在投入使用后的各种工况进行仿真分析，预测产品的整体性能，进而改进产品设计、提高产品性能的一种较新的建模技术。虚拟样机技术由上世纪80年逐渐兴起，从国内外对虚拟样机技术的研究可以看出，虚拟样机技术的概念还处于发展的阶段，在不同应用领域中存在不同定义2。传统的机械系统产品设计通常采取的是图纸设计、样机制造、测试改进、定型生产这样一种串行的设计模式，中间要经过好几个步骤，为了使最终的产品满足最初的设计要求，往往要多次制造样机、反复测试，不仅费时费力、成本高昂，而且降低了产品的总体性能，研发周期长、效率低。虚拟样机技术的出现，改变了传统的设计方式，其融合了先进的建模仿真技术、现代信息技术、先进设计制造技术，并将这些技术应用于复杂产品的整个生命周期。在产品的整个设计生产过程中虚拟样机代替物理样机完成了整个设计流程中样机的测试。能够在计算机上实现设计试验设计的反复过程，大大降低了研发周期和研发成本，同时也推动了制造业领域的数字化、信息化、智能化。另外，虚拟样机技术与传统的产品设计技术比较，虚拟样机技术强调系统的观点、设计产品整个生命周期、支持对产品全方位的测试、分析预评估、强调不同领域的虚拟化协同设计。1960年，美国通用汽车公司研制了一个动力学分析软件一一DYANADYNAMICANALYZER，主要用于解决多自由度无约束的机械系统的动力学问题，研制者用该软件进行了车辆的“质量弹簧阻尼”模型分析3。近年来，随着计算机硬件和软件技术的不断发展以及工程应用的推动，商业化软件日趋成熟。众多的多体动力学软件都相继推出了市场，对动力学进行仿真的软件主要有DAMS,DADS,EASYS,ANSYS,SIMPACK,ADAMS等等。特别是美国ADAMS软件在国内外应用都很广泛，凭借其强大的使用性能，受到国内外企业、学者等的一致好评，占据市场总份额的50以上。ADAMS软件广泛应用于各行各业，目前已然成为世界上最具权威性的，使用范围最广的机械系统动力学仿真分析软件。ADAMS软件使用交互式图形环境和部件库、约束库、力库，用堆积木式的方法建立三维机械系统参数化模型，其求解器ADAMS/SOLVERS是利用拉格朗日方程方法，建立系统动力学方程，求解机械系统运动和动力学问题的程序4。ADAMS在航空航天、车辆工程、工程机械等领域得到广泛应用。2虚拟样机技术的发展21国外发展历程20世纪80年代以来，美国已经从虚拟制造的环境和虚拟现实技术、信息系统、仿真和控制以及虚拟企业等方面进行了系统的研究与开发，多数单元技术已经进入实验和完善的阶段。例如，美国华盛顿大学虚拟制造技术实验室建立的用于设计和制造的虚拟环境VEDAM以及用于设计和装配的虚拟环境等，都已经初具规模，但虚拟制造作为一个完整的体系，尚没有进行全面的集成。应特别说明的是，虚拟企业的研究在美国得到政府和企业界的极大关注，研究异常活跃，成为敏捷制造技术的主要支柱之一。欧洲以大学为中心也纷纷开展了虚拟制造技术研究，如虚拟车间、建模与仿真工程等的研究。日本在20世纪六七十年代经济的崛起受益于先进制造与管理技术的采用。日本对虚拟制造技术的研究也秉承其传统的特点，主要进行虚拟制造系统的建模和仿真技术以及虚拟工厂的构造环境研究。22国内发展历程我国从20世纪80年代末开始研究虚拟制造技术，且多数是在原来的CAD/CAE/CAM和仿真技术等基础上进行的。开始时，主要集中在虚拟制造技术的理论研究和实施技术准备阶段，系统的研究尚处于国外虚拟制造技术的消化和与国内环境的结合上5。由于我国受到CAD/CAE/CAM基础软件、仿真软件、建模技术的制约，阻碍了虚拟制造技术的发展，但进入21世纪，我国虚拟制造技术受到普遍的重视，发展很快，势头强劲。例如机械科学研究院与同济大学、香港理工大学合作进行的分散网络化制造、异地设计与制造等技术的理论研究和实践活动已经取得了不少进展；清华大学进行了虚拟设计环境软件、虚拟现实、虚拟机床和虚拟汽车训练系统等方面的研究；浙江大学进行了分布式虚拟现实技术、VR工作台和虚拟产装配等研究；西安交通大学和北京航空航天大学进行了远程智能协同设计研究；天津大学、北京机床所和大连机床所进行了机床的虚拟设计与轴机床的研究；西北工业大学进行了虚拟样机的研究；哈尔滨工业大学、北京机电研究所、上海交通大学和南京理工大学等单位也进行了这方面的研究。在虚拟现实技术、建模技术、仿真技术、信息技术和应用网络技术等单元技术等方面的研究都很活跃，但研究的进展和深度还处于初期阶段，与国际水平尚存在一定的差距。在国内各大高校和企业中，主流虚拟样机仿真软件还是以国外产品为主6。比较有影响的有美国MSC公司的ADAMS、比利时LMS公司的DADS以及德国航天局的SIMPACK。尤其是MSC公司的ADAMS，凭借其强大的使用性能，受到国内外企业、学者等的一致好评，占据了虚拟样机软件市场的半壁江山。3ADAMS软件31ADAMS软件介绍汽机械系统动力学自动分析软件ADAMSAUTOMATICDYNAMICANALYSISOFMECHANICALSYSTEMS，是美国MDI公司（现已并入MSC公司）开发的虚拟样机分析软件，是世界上最具权威性的，使用范围最广的机械系统动力学分析软件。目前，ADAMS已经被世界各行业许多主要制造商采用7。ADAMS具有通用、精确的仿真功能，方便、友好的用户界面和强大的图形动画显示能力，可以帮助改进各种机械系统的设计，从简单的齿轮机构、连杆机构到复杂的车辆、飞机、卫星甚至人体。ADAMS软件具有形象直观、功能强大、分析种类多、求解迅速、输出格式多样的特点，它利用交互式图形环境建立机械系统三维参数化模型，分析包括运动学、动力学、线性、非线性、刚体、非刚体等各种类型的系统，具有先进的数值分析技术和快速准确的求解能力，其仿真结果可自动输出并显示为图片、动画和位移、速度、加速度、作用力等的运动曲线图形。32ADAMS软件模块ADAMS由基本模块、扩展模块、接口模块、专业领域模块组成。其中基本模块包括三个最基本的解题模块ADAMS/VIEW（基本环境）、ADAMS/SOLVER（求解器）和ADAMS/POSTPROCESSOR（后处理）8。其中ADAMS/VIEW（界面模块）的功能包括样机建摸、样机模型数据的输入和编辑、与求解器和后处理等程序的自动连接、虚拟样机分析参数的设置、各种数据的输入和输出、同其他应用程序的接口9；ADAMS/SOLVER（求解器）模块是求解机械系统的运动和动力学问题的程序；ADAMS/POSTPROCESSOR（后处理）主要功能是回放仿真结果、绘制各种分析曲线等。利用ADAMS的扩展模块ADAMS/LINEAR模块（线形化分析模块）可以进行系统仿真时将系统非线形的运动学和动力学进行线形化处理。在仿真系统在最接近物理模型的情况下进行简化，这样则更有利于模型的求解。ADAMS软件功能强大，可以应用在各个领域，针对各专业领域，ADAMS具有相应的专业模块，包括ADAMS/AIRCRAFT、ADAMS/CAR（轿车模块）、ADAMS/CHASSIS底盘模块、ADAMS/DRIVELINE、ADAMS/ENGINE、ADAMS/RAIL、ADAMS/CONTROLS、ADAMS/FLEX（柔性分析模块）等。其中在车辆系统建模与仿真中，应用最多的专业模块是ADAMS/CAR（轿车模块）。33ADAMS设计一般流程331建模在ADAMS中创建刚性构件有两种方法10，一种是利用ADAMS/VIEW提供的建模工具直接创建刚性构件；另一种是通过ADAMS与其他CAD软件的数据接口，直接导入CAD几何模型，通过适当的编辑可以转换成ADAMS中的刚性构件。对于比较简单的几何模型，可以直接在ADAMS/VIEW中建立，而对于比较复杂的几何模型，则需要在其他CAD软件中建立起装配模型，再导入ADAMS/VIEW中进行一些简单的编辑就可以进行仿真了，其中主要是修改导入模型的材料质量属性、定义运动副、添加驱动和载荷等。332验证模型在仿真计算之前，可以对系统的构成、系统的自由度、未定义质量的构件和过约束等情况进行查询，即便是在建立模型的过程中，也可以进行查询，以保证模型的准确性。通过模型验证，不仅可以核实概念模型是否正确地描述了原型系统，而且可以进一步检验模型输入/输出行为是否充分接近原型系统的输入/输出行为。使模型系统能够一定程度上尽可能复现原型系统的行为。333完善模型如果通过了验证，并进行了机械系统初步的仿真分析，就可以继续完善细化模型，在己经建好的模型中增加更加复杂的因素。例如，增加两个物体之间的摩擦力、将刚性体改变为柔性体、添加力函数、定义控制、将刚性约束副替换为弹性连接等，以更好的与实际情况相吻合。总之，在建模过程中，要不断的反复验证修改模型，以使模型更能真实的模拟实际机械系统，为我们后来的分析优化提供可靠基础支持。334迭代经过对虚拟机仿真数据的研究，可能会发现虚拟样机还有很多缺点，需要进一步改变设计，这样又要进行一次建模和计算分析的过程，这是一个繁琐的过程。ADAMS提供了对模型进行参数化设计和分析的功能。我们在设计一个虚拟样机时，可以使一些关键的设计参数在一定的范围内进行变化，在仿真过程中进行不同参数值的迭代，并得到不同的数据，通过对这些数据的研究，来确定最优化的参数。要进行参数化设计，就要定义设计变量，并参数化模型。335优化优化分析是ADAMS/VIEW提供的一种复杂的高级分析工具。在优化分析过程中，用户可以设定设计变量的变化范围，并施加一定的限制条件以保证最优化设计处于合理的取值范围内。通常，优化问题可以归结为在满足设计条件和在指定的变量变化范围内，通过自动地选择设计变量，由分析程序求目标函数的最大值或最小值。与实验设计相比，优化分析更侧重于获得最佳目标值。336完成仿真通过以上一系列的仿真分析，可以实现对虚拟样机的相关参数的优化，并获得有关虚拟样机的详细数据，为机械系统的设计提供可靠的依据。4ADAMS/CAR在车辆建模中的应用虚拟样机技术是一门新兴的技术，它有着广阔的发展前景及应用市场。在发达国家，虚拟样机技术己被广泛应用，应用的领域涉及汽车制造、机械工程、航空航天、军事国防、医学等各个领域，涉及的产品由简单的照相机快门到庞大的工程机械11。虚拟样机技术使高效率、高质量的设计生产成为可能。我国虚拟样机技术也已经广泛的应用到了机械工程、汽车制造、航空航天、军事国防等各个领域。目前，集建模、求解、可视化技术于一体的虚拟样机软件ADAMS已经得到广泛使用12。在汽车领域，将虚拟样机技术应用于车辆这样复杂产品的研发中，它利用软件建立车辆的三维实体模型和力学模型分析和评估系统的性能，产生的车辆虚拟样机，可真实地仿真运动过程，为样车的设计制造提供重要的参数依据。虚拟样机技术是当前车辆设计制造领域的一门新技术，涉及多体系统动力学、计算方法与软件工程等学科。ADAMS/CAR集成了MDI、AUDI、BMW、RENAULT和VOLVO等公司在汽车设计、开发等方面的经验，是一个整车设计软件包13。利用ADAMS/CAR，工程师可以快速的建造高精度的整车虚拟样机（包括车身、悬架、传动系统、发动机、转向机构、制动系统等）并进行系统仿真，并输出标志操纵稳定性、制动性、乘坐舒适性和安全性的特征参数，从而减少对物理样机的依赖，而仿真时间只是物理样机试验的几分之一14。如图1所示，即为利用ADAMS/CAR所建立的一个整车虚拟样机。图1ADAMS/CAR整车虚拟样机在有的情况下，我们不需要分析整车性能，而是分析其部分装配，例如前悬架、后悬架或者传动系统等的特性，鉴于整车系统建立比较麻烦，且有时候没有必要，这种情况下只需利用ADAMS/CAR建立其部分装配。如图2即为利用ADAMS/CAR所建立的一个前悬架虚拟样机。ADAMS/CAR采用的用户化界面是根据汽车设计师的习惯而专门设计的。设计师不必经过任何专业培训，就可以应用该软件开展卓有成效的开发工作，ADAMSCAR中包括整车动力学软件包（VEHICLEDYNAMICS），悬架设计软件包（SUSPENSIONDESIGN）以及概念化悬架设计模块（CSM）15。其仿真工况包括方向盘阶跃、斜坡和脉冲输入、蛇行穿越试验、漂移试验、加速试验、制动试验和稳态转向试验，同时设定试验过程中的节气门开度、变速器档位等。5总结基于ADAMS的虚拟样机技术，在提高产品质量、缩短研发周期、降低成本、增强企业竞争力方面正发挥着越来越重要的作用。在我国，虚拟样机技术己引起越来越多的单位、科研机构、公司企业的重视，通过深入研究虚拟样机的关键技术，必将进一步促进这一新兴技术的推广和应用。本文针对基于ADAMS的虚拟样机技术的发展和应用现状，做了如下几个方面的内容1对虚拟样机技术的发展历程和发展现状进行了详细地介绍，阐述了虚拟样机技术相对传统设计模式的优势。2在介绍ADAMS软件的基础之上，把基于ADAMS软件设计产品的方法图2ADAMS/CAR前悬架虚拟样机分为建模、验证模型、完善模型、迭代、优化和完成仿真六个步骤，并分别做了具体阐述。3利用汽车专业应用比较多的ADAMS/CAR模块，建立了汽车前悬架模型和整车模型。虚拟样机技术作为新兴的新产品开发设计方法，可以大大简化复杂机械系统设计。而且可以缩短新产品的开发周期，提高产品的设计质量，降低研发成本。随着我国装备制造业水平的提高，各种大型复杂联合机械需求的增加，机械设备设计研发的步伐的加快，基于ADAMS虚拟样机技术将在机械设备研发中扮演越来越重要的角色。6参考文献1王侃,杨秀梅虚拟样机技术综述J新技术新工艺,2008,03293312张洪国虚拟样机综述J机电产品开发与创新,2008,051291303陈曦复杂产品虚拟样机技术及其应用研究D南京理工大学,20054朱浩,刘少军,黄中华,饶大可,李龙ADAMS/RAIL虚拟样机技术在车辆系统建模及仿真分析中的应用J交通与计算机,2003,0581845张建辉基于ADAMS的汽车操纵稳定性研究D长安大学,20086周鑫基于ADAMS与MATL