虚拟样机技术

1、 1、概念： 机械工程中的虚拟样机技术又称为机械系统动态仿真技术，是国际上机械工程中的虚拟样机技术又称为机械系统动态仿真技术，是国际上2020世纪世纪8080年代发展起来的一项计算机辅助工程（年代发展起来的一项计算机辅助工程（CAECAE）技术。工程师在）技术。工程师在计算机上建立样机模型，对模型进行各种计算机上建立样机模型，对模型进行各种动态性能分析动态性能分析，然后改进样机，然后改进样机设计方案，用数字化形式代替传统的实物样机实验设计方案，用数字化形式代替传统的实物样机实验。 2、研究范围主要是机械系统的运动学和动力学分析，其核心是利用计算机辅助分析主要是机械系统的运动学和动力学分析，其核

2、心是利用计算机辅助分析技术进行机械系统的运动学和动力学分析，以确定系统及其各构件在任技术进行机械系统的运动学和动力学分析，以确定系统及其各构件在任意时刻的位置、速度和加速度，同时，通过求解代数方程组确定引起系意时刻的位置、速度和加速度，同时，通过求解代数方程组确定引起系统及其各构件运动所需的作用力和反作用力统及其各构件运动所需的作用力和反作用力第一章第一章 绪论绪论1 1、1 1虚拟样机技术虚拟样机技术在机械系统中有三种不同性质的分析1 1、机械系统的静力学分析：刚性系统、机械系统的静力学分析：刚性系统2 2、机械系统的运动学分析：主要涉及系统及其构件的运、机械系统的运动学分析：主要涉及系统及

3、其构件的运动分析动分析 当机构的自由度当机构的自由度=0=0时时, ,进行运动学分析进行运动学分析3 3、机械系统的动力学分析：主要涉及由外力作用引起的、机械系统的动力学分析：主要涉及由外力作用引起的系统运动分析系统运动分析 当机构的自由度当机构的自由度0时时,进行动力学分析进行动力学分析3、虚拟样机技术的应用、虚拟样机技术的应用 广泛应用于汽车制造、工程机械、航天航空、造船、广泛应用于汽车制造、工程机械、航天航空、造船、航海、机械电子和通用机械各领域。航海、机械电子和通用机械各领域。1 1、2 2 虚拟样机技术软件虚拟样机技术软件比较有影响的有美国比较有影响的有美国MSCMSC公司的公司的A

4、DAMSADAMS、比利时、比利时LMSLMS公司公司的的DADSDADS以及德国航天局的以及德国航天局的SIMPACKSIMPACK。 ADAMSADAMS 占据市场占据市场50%50%以上份额。其他软件还有：以上份额。其他软件还有：Working ModelWorking Model、Flow3DFlow3D、IDEASIDEAS、PhoenicsPhoenics、ANSYSANSYS和和PamcrashPamcrash。ADAMSADAMS（Automatic DynamicAutomatic DynamicAnalysis Mechanical Analysis Mechanical

5、SystemSystem）软件是美国）软件是美国MDIMDI公司（现已并入公司（现已并入MSCMSC公司）开发的机公司）开发的机械系统动力学仿真分析软件，械系统动力学仿真分析软件，是目前世界上最具权威的，使是目前世界上最具权威的，使用最广的机械动力学分析软件。用最广的机械动力学分析软件。ADAMSADAMS软件的仿真可用于预测机械系统的性能、运动软件的仿真可用于预测机械系统的性能、运动范围、碰撞检测、峰值载荷以及计算有限元的输入载荷等。范围、碰撞检测、峰值载荷以及计算有限元的输入载荷等。包括包括ADAMS/View ADAMS/SolverADAMS/View ADAMS/Solver及其他扩

6、展模块。及其他扩展模块。第二 章 ADAMS软件2、1 ADAMS软件模块介绍软件模块介绍 ADAMS由基本模块、扩展模块、接口模块、由基本模块、扩展模块、接口模块、专业领域模块组成专业领域模块组成基本模块：基本模块：ADAMSADAMS软件包包括三个最基本的解题模块：软件包包括三个最基本的解题模块：ADAMS/ViewADAMS/View（基本环境）（基本环境） ADAMS/SolverADAMS/Solver（求解器）（求解器） ADAMS/PostProcessorADAMS/PostProcessor（后处理）（后处理）ADAMS/ViewADAMS/View（界面模块）：样机建摸、样

7、机模型（界面模块）：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。的输入和输出、同其他应用程序的接口。ADAMS/SolverADAMS/Solver（求解器）：求解机械系统的运动和动力学问题的（求解器）：求解机械系统的运动和动力学问题的程序程序ADAMS/PostProcessorADAMS/PostProcessor（后处理）：回放仿真结果、绘制各种分（后处理）：回放仿真结果、绘制各种分析曲线析曲线扩展模块扩展模块-

8、ADAMS/linear-ADAMS/linear模块（线形化分析模块）：进行系统仿模块（线形化分析模块）：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真时将系统非线形的运动学和动力学进行线形化处理专业模块专业模块ADAMS/Aaircraft:ADAMS/Aaircraft:是专门用来构造飞机起落架模型和飞机模型的是专门用来构造飞机起落架模型和飞机模型的软件环境软件环境ADAMS/CarADAMS/Car（轿车模块）：是（轿车模块）：是MDIMDI公司与公司与AudiAudi、BMWBMW、VolvoVolvo等公司等公司合作开发的整车设计模块，能够快速建造高精度的整车虚拟样机。

9、合作开发的整车设计模块，能够快速建造高精度的整车虚拟样机。ADAMS/Chassis(ADAMS/Chassis(底盘模块底盘模块):):可以建立标准的汽车子系统和部件或可以建立标准的汽车子系统和部件或者管理大量的悬架或整车实验数据者管理大量的悬架或整车实验数据ADAMS/Driverline:ADAMS/Driverline:用户可快速的建立、测试具有完整传动系统用户可快速的建立、测试具有完整传动系统或或传动部件的功能化虚拟样机或或传动部件的功能化虚拟样机ADAMS/EngineADAMS/Engine：可以快速创建配气机构、曲柄连杆、正时带以及：可以快速创建配气机构、曲柄连杆、正时带以及其

10、他驱动附件的虚拟模型其他驱动附件的虚拟模型ADAMS/RailADAMS/Rail：专门用于研究铁路机车、车辆、列车和线路相互作：专门用于研究铁路机车、车辆、列车和线路相互作用的模块用的模块接口模块：接口模块：ADAMS/ControlsADAMS/Controls：用户可以将基于几何外形的完整的系：用户可以将基于几何外形的完整的系统模型，便捷的放到所使用的控制系统设计软件所定统模型，便捷的放到所使用的控制系统设计软件所定义的框图中。义的框图中。ADAMS/FlexADAMS/Flex（柔性分析模块）：提供了（柔性分析模块）：提供了ADAMSADAMS软件与其软件与其他有限元软件之间的双向数据

11、接口。他有限元软件之间的双向数据接口。2、3虚拟样机仿真分析基本步骤虚拟样机仿真分析基本步骤机械系统机械系统的建模的建模仿真分析仿真分析仿真结果仿真结果分析分析验证仿真验证仿真分析结果分析结果精制机械精制机械系统模型系统模型重复仿真重复仿真分析分析机械系统机械系统优化分析优化分析YN第三章 ADAMS操作初步3、1 ADAMS的启动及窗口基本操作的启动及窗口基本操作3、2 几何建模几何建模3、3 约束模型机构约束模型机构3、4施加载荷施加载荷3 3、1 ADAMS1 ADAMS的启动及窗口基本操作的启动及窗口基本操作StartProgramMSC.SoftwareMSC.ADAMS 2005A

12、viewADAMS-ADAMS-View 启动程序后，出现对话框有启动程序后，出现对话框有4种不同的启动方式：种不同的启动方式：（1）creat a new model 产生一个新的模型文产生一个新的模型文件件（2）open an existing database打开已经存在打开已经存在的模型文件的模型文件（3）import a file 调入一个命令文件调入一个命令文件（4）exit 退出退出ADAMSADAMS/View建模环境。建模环境。ADAMS/View窗口简介窗口简介3、2 几何建模几何建模的预备知识几何建模的预备知识 1、几何体类型、几何体类型 刚体、柔性体、点质量、大地刚体、

13、柔性体、点质量、大地 2、几何体的命名、几何体的命名 点质量：点质量：POINT_MASS_1 刚体刚体:PART_2建模前的准备工作建模前的准备工作 1、工作栅格的设置、工作栅格的设置 2、坐标系的设置、坐标系的设置 3、单位的设置、单位的设置 4、确定当前所绘几何形体属于：新的构件、向现有、确定当前所绘几何形体属于：新的构件、向现有构件添加的几何形体、添加在地基上的几何构件。构件添加的几何形体、添加在地基上的几何构件。创建几何体创建几何体 1、创建关键点、创建关键点 2、创建坐标标记点、创建坐标标记点 3、创建直线和多线段、创建直线和多线段 4、创建圆弧和圆、创建圆弧和圆 5、创建多义线、

14、创建多义线创建实体创建实体 1、创建矩形块、创建矩形块 2、创建圆柱体、创建圆柱体 3、创建球体、创建球体 4、创建锥台、创建锥台 5、创建圆环、创建圆环 6、创建连杆、创建连杆 7、创建平板、创建平板 8、创建拉伸实体、创建拉伸实体 9、创建旋转体、创建旋转体创建复杂几何图形创建复杂几何图形 P40P40 1、连接线性建构几何图形幻灯片、连接线性建构几何图形幻灯片 15 2、组合几何体幻灯片、组合几何体幻灯片 16 3、添加几何体细节特征幻灯片、添加几何体细节特征幻灯片 17将线框几何图形连接成复杂的剖面形状将线框几何图形连接成复杂的剖面形状,然后然后通过拉伸或旋转通过拉伸或旋转,创建实体或

15、开口几何体创建实体或开口几何体.注意注意:被被连接的几何体必须在端点处相接触连接的几何体必须在端点处相接触,并且不能为封闭图形并且不能为封闭图形.创建了单独的零件后创建了单独的零件后,可以通过可以通过ADAMS提供的提供的布尔运算工具布尔运算工具,将它们组合成复杂的几何体将它们组合成复杂的几何体. 1、两个实体求和、两个实体求和 2、两个实体求交、两个实体求交 3、用一个实体切另一个实体、用一个实体切另一个实体 4、重生成求交或求割前的各零件、重生成求交或求割前的各零件 5、合并几何体、合并几何体包括：边缘倒角、边缘圆角、开孔、添加凸台、包括：边缘倒角、边缘圆角、开孔、添加凸台、抽壳等。抽壳等

16、。修改构件特性修改构件质量、转动惯量和惯性积修改构件质量、转动惯量和惯性积几何建模.ADAMS实例教程实例教程.pdf3、3 约束模型机构模型构件创建结束后，要定义构件间的连接方式和相对模型构件创建结束后，要定义构件间的连接方式和相对运动方式，就是对模型施加约束运动方式，就是对模型施加约束约束类型约束类型 1 1、理想约束。包括转动副、移动副和圆柱副理想约束。包括转动副、移动副和圆柱副等等 2、虚约束。限制构件某个运动方向、虚约束。限制构件某个运动方向 3、运动产生器。例如，规定一个构件遵循某、运动产生器。例如，规定一个构件遵循某个时间函数按指定的轨迹规律运动。个时间函数按指定的轨迹规律运动。

17、 4、接触约束。定义两构件在运动中发生接触、接触约束。定义两构件在运动中发生接触时是怎样相互约束的。时是怎样相互约束的。约束的命名约束的命名 系统自动生成的约束名为系统自动生成的约束名为JOINT_1JOINT_1常用约束常用约束常用理想约束常用理想约束虚约束虚约束高副约束高副约束定义机构的运动定义机构的运动3、4施加载荷施加力施加力施加力矩施加力矩创建弹簧创建弹簧3.5 仿真和动画如果模型的自由度如果模型的自由度=0 进行运动学仿真进行运动学仿真如果模型的自由度如果模型的自由度=1 进行动力学仿真进行动力学仿真第四章 ADAMS建模与仿真实例曲柄连杆机构曲柄连杆机构 曲柄连杆机构入图，曲柄曲

18、柄连杆机构入图，曲柄AC长长90mm，OC距距离离300mm。计算。计算=30度时度时r,r, ACO本案例主要分以下几个步骤：本案例主要分以下几个步骤：建立模型，设置单位和重力建立模型，设置单位和重力建立零件和链接建立零件和链接运动仿真运动仿真绘制结果绘制结果单摆结构如图单摆结构如图,杆为匀质杆杆为匀质杆.质量质量2KG,长长450mm,在垂在垂直平面内摆动直平面内摆动,当当=30=30度时角速度为度时角速度为3rad/s,3rad/s,求此时求此时A A点的支撑力点的支撑力凸轮机构(1)通过连接13个点绘出凸轮的轮廓线凸轮机构的设计(2)凸轮机构的设计一般采用反转法凸轮机构的设计一般采用反

19、转法,是在选定从动件的运是在选定从动件的运动规律和确定凸轮机构基本尺寸动规律和确定凸轮机构基本尺寸(基圆半径和偏距基圆半径和偏距)的的前提下前提下,采用反转法原理设计出凸轮的轮廓曲线采用反转法原理设计出凸轮的轮廓曲线从动件运动规律:S=(h/)(0度180度)S=(h/2)*(1+cos(pi/ )*(-180)(180度360度)其中，h=100mm, =180； =tIF(expr1:expr2,expr3,expr4)仿真结果后处理ADAMS/PostProcessorADAMS/PostProcessor模块主要提供了两个功能：仿真模块主要提供了两个功能：仿真结果回放功能和分析曲线绘制

20、功能。结果回放功能和分析曲线绘制功能。进入进入ADAMS/PostProcessorADAMS/PostProcessor的方法的方法窗口简介窗口简介Step函数函数 格式格式:step(x,x0,h0,x1,h1)(x0,h0)(x1,h1)样机的参数化分析ADAMS提供了提供了3种类型的参数化分析方法种类型的参数化分析方法 设计研究（设计研究（Design study） 试验研究（试验研究（Design of Experiments,DOE） 优化研究（优化研究（Optimization）设计研究（Design study）主要考虑和研究：如果某个变量发生变化，或主要考虑和研究：如果某个变量发生变化，或者取不同的值，样机的性能将会发生怎样的变者取不同的值，样机的性能将会发生怎样的变化。化。通过设计分析，将得到以下分析结果：通过设计分析，将得到以下分析结果：样机的有关性能可能的变化范围样机的有关性能可能的变化范围样机有关性能的变化对设计参