虚拟样机技术

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20世纪80年代发展起来的一项计算机辅助工程 CAE 技术 工程师在计算机上建立样机模型 对模型进行各种动态性能分析 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 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统及其各构件运动所需的作用力和反作用力 第一章绪论 1 1虚拟样机技术 在机械系统中有三种不同性质的分析 1 机械系统的静力学分析 刚性系统2 机械系统的运动学分析 主要涉及系统及其构件的运动分析当机构的自由度 0时 进行运动学分析3 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当机构的自由度 0时 进行动力学分析 3 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 航海 机械电子和通用机械各领域 1 2虚拟样机技术软件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 ADAMS占据市场50 以上份额 其他软件还有 WorkingModel Flow3D IDEAS Phoenics ANSYS和Pamcrash ADAMS AutomaticDynamicAnalysisMechanicalSystem 软件是美国MDI公司 现已并入MSC公司 开发的机械系统动力学仿真分析软件 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 ADAMS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 包括ADAMS ViewADAMS Solver及其他扩展模块 第二章ADAMS软件 2 1ADAMS软件模块介绍ADAMS由基本模块 扩展模块 接口模块 专业领域模块组成基本模块 ADAMS软件包包括三个最基本的解题模块 ADAMS View 基本环境 ADAMS Solver 求解器 ADAMS PostProcessor 后处理 ADAMS View 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 ADAMS Solver 求解器 求解机械系统的运动和动力学问题的程序ADAMS PostProcessor 后处理 回放仿真结果 绘制各种分析曲线扩展模块 ADAMS linear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专业模块ADAMS Aaircraft 是专门用来构造飞机起落架模型和飞机模型的软件环境ADAMS Car 轿车模块 是MDI公司与Audi BMW Volvo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 ADAMS Chassis 底盘模块 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ADAMS Driverline 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ADAMS Engine 可以快速创建配气机构 曲柄连杆 正时带以及其他驱动附件的虚拟模型ADAMS Rail 专门用于研究铁路机车 车辆 列车和线路相互作用的模块 接口模块 ADAMS Controls 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义的框图中 ADAMS Flex 柔性分析模块 提供了ADAMS软件与其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 第三章ADAMS操作初步 3 1ADAMS的启动及窗口基本操作3 2几何建模3 3约束模型机构3 4施加载荷 3 1ADAMS的启动及窗口基本操作 Start Program MSC Software MSC ADAMS2005 Aview ADAMS View启动程序后 出现对话框有4种不同的启动方式 1 creatanewmodel产生一个新的模型文件 2 openanexistingdatabase打开已经存在的模型文件 3 importafile调入一个命令文件 4 exit退出ADAMS View建模环境 ADAMS View窗口简介 3 2几何建模 几何建模的预备知识1 几何体类型刚体 柔性体 点质量 大地2 几何体的命名点质量 POINT MASS 1刚体 PART 2建模前的准备工作1 工作栅格的设置2 坐标系的设置3 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1 创建关键点2 创建坐标标记点3 创建直线和多线段4 创建圆弧和圆5 创建多义线 创建实体1 创建矩形块2 创建圆柱体3 创建球体4 创建锥台5 创建圆环6 创建连杆7 创建平板8 创建拉伸实体9 创建旋转体 创建复杂几何图形P401 连接线性建构几何图形幻灯片152 组合几何体幻灯片163 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 然后通过拉伸或旋转 创建实体或开口几何体 注意 被连接的几何体必须在端点处相接触 并且不能为封闭图形 创建了单独的零件后 可以通过ADAMS提供的布尔运算工具 将它们组合成复杂的几何体 1 两个实体求和2 两个实体求交3 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5 合并几何体 包括 边缘倒角 边缘圆角 开孔 添加凸台 抽壳等 修改构件特性 修改构件质量 转动惯量和惯性积 几何建模 ADAMS实例教程 pdf 3 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运动方式 就是对模型施加约束 约束类型1 理想约束 包括转动副 移动副和圆柱副等2 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个时间函数按指定的轨迹规律运动 4 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 约束的命名系统自动生成的约束名为JOINT 1常用约束常用理想约束虚约束高副约束定义机构的运动 3 4施加载荷 施加力施加力矩创建弹簧 3 5仿真和动画 如果模型的自由度 0进行运动学仿真如果模型的自由度 1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入图 曲柄AC长90mm OC距离300mm 计算 30度时r r A C O 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零件和链接运动仿真绘制结果 单摆结构如图 杆为匀质杆 质量2KG 长450mm 在垂直平面内摆动 当 30度时角速度为3rad s 求此时A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 是在选定从动件的运动规律和确定凸轮机构基本尺寸 基圆半径和偏距 的前提下 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 t IF expr1 expr2 expr3 expr4 仿真结果后处理 ADAMS PostProcessor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功能 进入ADAMS PostProcessor的方法 窗口简介 Step函数格式 step x x0 h0 x1 h1 x0 h0 x1 h1 样机的参数化分析 ADAMS提供了3种类型的参数化分析方法设计研究 Designstudy 试验研究 DesignofExperiments DOE 优化研究 Optimization 设计研究 Designstudy 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化 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有关性能的变化对设计参数的敏感程度在一定的分析范围内 最佳的设计参数值 试验研究 DesignofExperiments DOE 试验设计可以考虑多个设计变量同时发生变化 对样机性能的影响 优化研究 Optimization 在满足各种设计条件和指定的变量变化范围内 通过自动化的选择设计变量 由分析程序求取目标函数的最大值和最小值 1 虚拟样机的概念及研究范围p12 ADAMS VIEW三个基本模块的功能p103 虚拟样机仿真分析