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机械系统的建模和结构分析,主要内容,机械系统的组成参考机架坐标系机械系统的自由度速度、加速度和角加速度,机械系统的组成,机械系统是机器和机构的总称，由构件和零件组成。机构由两个以上具有相对运动的构件组成，用于传递运动或改变运动形式。机器是由若干机构组成的系统。机构的构件既保持接触，又有一定的相对运动。运动副：两构件既保持接触，又有一定的相对运动的连接。,参考机架,参考机架：计算速度、加速度的参考坐标系地面参考机架：为独立的惯性参考坐标系构件参考机架：对每一个刚体都有一个参考机架，刚体上各点相对于该构件参考机架是静止的。,坐标系,地面坐标系：固定坐标系。构件机架坐标系：固定在构件上随构件运动，它相对地面坐标系的位置和方向确定构件的位置和方向。标记坐标系：也称标记。固定标记：固定在构件上，用于确定构件的形状、质心、力的作用点和构件的连接位置。浮动标记：相对构件运动，有的力和运动要用它定位。,坐标系,x,z”,y”,x”,z,y,x,z,y,固定坐标系,标记坐标系,构件坐标系,确定坐标系的位置和方向,欧拉角法：坐标系原点在基准坐标系中的坐标，三点法：X-Z点法：,欧拉角法：,坐标系原点在基准坐标系中的坐标x0,y0,z0坐标系相对基准坐标系的旋转轴、旋转角度和旋转顺序。常用为3-1-3旋转法则：1、2、3代表x、y、z轴，3-1-3表示先绕基准坐标系的z轴旋转，再绕基准坐标系的x轴旋转，最后再绕基准坐标系的z轴旋转。共有24种组合，代表不同的旋转方式。不能连续对基准坐标系的同一轴旋转。,三点法：,不在同一直线上的三点A,B,C在定位坐标系的坐标值；A,B,C，3点在基准坐标系的坐标值；,X-Z点法：,定位坐标系原点O在基准坐标系中的坐标x0,y0,z0定位坐标系x或z轴上一点A的坐标x-z平面上另一点B的坐标,B点与O,A不共线。,机械系统的自由度,自由度：机械系统中各构件相对地面构架的独立运动数。n活动构件数，m运动副总数Pi-第I个运动副的约束条件数Qj-第I个原动机的驱动约束条件数S-原动机总数Rk其它约束条件数,系统的自由度例,系统自由度F0,且Qj=0，系统蜕化为刚体系统。系统自由度F0,且Qj0，表明原动机将不能驱动系统，或系统在薄弱环节将损坏。当F=0,且Qj0，机械系统有确定运动。当F0,机械系统没有确定的相对运动。,系统自由度的计算,复合铰链：m个构件在一处以铰链联接局部自由度：与构件运动无关的自由度虚（重复）约束：轨迹重合转动副轴线重合移动副导轨平行其它重复约束,(m-1),虚约束对刚体无影响，对柔性体可增加刚度，但在计算运动将删除虚约束。,速度计算,设地面坐标系o-xyz,构件坐标系o-xyz,p点固结在构件坐标系o-xyz，它在地面坐标系o-xyz中的矢量为,机械系统动态仿真,DynamicSimulationofMechanicalSystem,美国MSC公司;MDI(MechanicalDynamicsInc.),ADAMS:AutomaticDynamicAnalysisofMechanicalSystems,MSC.ADAMS,Adams是集建模、求解、可视化技术于一体的虚拟样机软件世界上目前使用范围最广、最负盛名的机械系统仿真分析软件产生复杂机械系统的虚拟样机，真实地仿真其运动过程，并且可以迅速地分析和比较多种参数方案，直至获得优化的工作性能，08/ylb/yqsb/gccl/2005060716.htm,参考资料,ADAMS虚拟样机技术入门与提高郑建荣编著北京机械工业出版社2002ADAMS实例教程李军,邢俊文,覃文洁等编北京北京理工大学出版社2002虚拟样机技术及其在ADAMS上的实践王国强,张进平,马若丁编西安西北工业大学出版社2002软件：ADAMSv11帮助文档,作业,上机练习1,2,3上机大作业，参考ADAMS/View使用入门练习Username:studentPassword:student,虚拟样机VirtualPrototyping,真实系统的功能仿真大大减少设计-样机-试验-改进循环所需时间提高产品质量降低成本,“目标是将开发时间从60个月降为12个月，和把成本从60-70亿降为10亿美元”Boeing,CommercialAirplaneGroup,GettingThereFaster,数字汽车,FullVehicle,底盘,引擎,传动,车身,Suspension,Steering,Brakes,Tires,Valvetrain,Cranktrain,Chain/Belt,Acc.Drives,Transmission,Clutch,Differential,Axles/CV,Body-in-white,Frame,Seating,Restraints,Road,Driver,TestRigs,虚拟样机成功案例,Daimler-Chrysler汽车降低成本$8000万元上市时间提前8个月每辆汽车利润增加$1,500元物理样机从50辆减少为31辆,汽车,机械,铁路、工程机械,航空、航天、国防,虚拟样机技术在各主要工业部门都取得显著成就,飞机着陆时的起落架变形,飞机着陆时的起落架变形,ADAMS/PPT(后处理),液压+机械仿真Hydraulic+MechanicalSimulation,可运行包含液压回路的整个系统仿真静态、瞬态、动态和线性分析调整液压元件参数使系统优化,获得所有液压仿真分析结果,包括压力、流量、阀门位置、,油缸位置等。,空间望远镜展开系统概念设计,高性能越障机器人的性能设计,ADAMS/View,Solver求解器ADAMS/PostProcessor后处理ADAMS/Controls控制ADAMS/Hydraulics液压ADAMS/Flex柔性ADAMS/Animation动画ADAMS/Linear线性ADAMS/Exchange接口ADAMS/Insight优化,ADAMS/Car轿车VehicleDesignSuspensionDesignADAMS/Driver驾驶员ADAMS/Engine引擎ADAMS/Pre轿车性能ADAMS/Tire轮胎ADAMS/Rail机车CAT/ADAMSMECHANISM/ProADAMS/SDK,CAD嵌入模块,ADAMS动态仿真模块,MSC.Software,MSC.ADAMS、MSC.Nastran、MSC.Fatigue集成方式*由MSC.Nastran对部件进行有限元分析，生成含有模态信息的mnf文件；*将mnf文件导入MSC.ADAMS中，创建刚柔耦合模型；*由MSC.ADAMS对机构进行动力学分析；*分析得载荷和位移等边界条件可转入MSC.Nastran进行详细的应力、振动、噪音分析；*分析得到的载荷时间历程信息可通过格式文件转入MSC.Fatigue中进行疲劳分析。,数字工程DigitalEngineering,ProductDataManagementSystem,TraditionalComponent-focusedCAD/CAE/CAM,System-focusedVirtualPrototyping,Design-Development-Production,CAD,CAE,CAM,VirtualMock-up,VirtualPrototypingMaintain,Collapse选SameAs和维持（Maintain），当设标记Mar_1与标记Mar的方位关系如下：(ORI_RELATIVE_TO(90d,90d,0,.MODEL_1.PART_1.MAR_2)执行之前执行之后维持Maintain,参数化：使用f(x)工具-Collapse,选收缩（Collapse）使对象的标记与参考点、标记重合。实行后位置关系成为：(LOC_RELATIVE_TO(0,0,0,.model_1.part_1.POINT_1)执行前执行后收缩Collapse,参数化：使用f()工具-Collapse,选项SameAs和收缩Collapse使对象标记的方位与参考点或标记坐标系方位完全相同。施行后方位关系成为：(ORI_RELATIVE_TO(0,0,0,.MODEL_1.PART_1.MAR_2)原方位施行后选项：Collapse,沿轴定向AlongAxis,使标记、约束、力的坐标系的一轴矢与两标记的联接矢量同向。对杆件上标记Mar_4设定如下条件时：(ORI_ALONG_AXIS(.MODEL_1.PART_1.MAR_4,.MODEL_1.PART_1.MAR_1,“z”)当拖动标记Mar_1时，约束杆件的标记Mar_4的Z轴（因而杆件）始终保持与Mar_4Mar_1的联接矢量同向。用选项SameAs或InPlane可使3轴或两轴互相平行。,设计变量DesignVariables,创建设计变量：BuildDesignVariableNew在任意对话框的数值输入区（限于标量）弹出右键菜单，选ParameterizeCreateDesignVariable修改设计变量：BuildDesignVariableModify删除设计变量：EditDelete弹出DatabaseNavigator选设计变量OKToolsTableEditor选Variables选要删的设计变量右键菜单Delete,创建设计变量,变量名；单位类型:Real,Integer,String,Object标准值及值范围：绝对最大、最小值，差值；%最小值、最大值允许优化时不考虑值的范围列出允许值还可自己定点数及其数值：按Generate允许设计研究不考虑此列表,创建设计变量允许值,ADAMS函数Function,Design-TimeFunctions模型设计时用于参数化定义的函数，通常在定义时即计算，其值在运行过程中不变，但优化和设计研究除外。ADAMS提供了200多个设计时的函数，用户也可定义自己的函数。Run-TimeFunctions运行（仿真、实验设计、优化)时计算。ADAMS提供了许多运行时的函数，用户也可定义自己的函数。Help:view_fn.pdf,Design-TimeFunctions设计时函数,MathFunctions数学函数Location/OrientationFunctions位置/方向ModelingFunctions建模函数Matrix/ArrayFunctions矩阵/向量函数StringFunctions字符串函数DatabaseFunctions数据库函数MiscellaneousFunctions杂类函数,Run-TimeFunctions,DisplacementFunctions位移函数VelocityFunctions速度函数AccelerationFunctions加速度函数ContactFunctions接触函数SplineFunctions样条函数ForceinObjectFunctions对象上的力函数ResultantForceFunctions作用于一点的合力函数MathFunctions数学函数DataElementAccess数据单元访问函数User-WrittenSubroutineInvocation用户子程序函数Constantsq：相对速度q1：低触发距离，冲击力起作用的低端距离q2：高触发距离，冲击力起作用的高端距离K：刚度系数；e：刚度力指数c：阻尼系数；d：阻尼斜坡距离,双边冲击函数例：块和两平面的冲击,条件函数IF,IF(Expr1:Expr2,Expr3,Expr4)Expr1：计算的表达式.Expr2：Expr1的值0,返回Expr4的值,IF函数例,FunctionIF(time-2.5:0,0.5,1)Result0.0iftime2.5,实验设计步骤,确定实验目的，如确定哪些变量对系统影响最大。选择一组因子（Factor）测量系统的响应。确定每个因子的值(levels)，计划一组实验(runsortrials)，每组实验用不同的因子。这些实验的组合称为实验设计。执行这些实验，记录各实验中系统的性能。分析性能的不同，确定哪些最影响系统性能因素。,实验设计过程,实验设计中的水平,不直接给出因子(Factor)的值，只给出索引号，即因子的水平号，如-2,-1,0,+1,+2共5个水平或-1，+1两个水平等。最小的水平号对应因子的最小允许值，最大的水平号对应因子的最大允许值。中间的水平号对应的值平均分配。例如某因子的最大允许值为16，最小允许值为0，3个水平的索引号为-1，0，+1，分别对应于0，8，16。,选择水平的通常方法,Screening选择最影响系统的性能的因子。只选取最大和最小值，故通常称为两水平分析。ResponseSurfaceMethods(RSM)将实验结果拟合多项式，易于判断参数对系统性能的影响。而且可以作为优化的输入，或作为大系统的子系统模型。二次（Quadratic）RSM选择最大、最小和平均值进行3个水平的分析，三次（Cubic）RSM用最大、最小、1/3和2/3范围4个水平的分析。,选择水平的方法,FullFactorial全因子法FractionalFactorial部分因子法Plackett-Burman法Box-Behnken法CentralCompositeFaced(CCF)法D-Optimal法,FullFactorial全因子法,最全面，用各个因子水平的所有组合进行分析。试验次数为mn：m水平数，n因子数。只适合因子数少的场合。可进行混合水平分析，各个因子可取不同的水平数。,部分因子法,FractionalFactorial和Plackett-Burman法用全因子设计的子集，所以也称为缩减因子设计（reduced-factorialdesigns）。FractionalFactorial设计用的实验次数为2的整数幂(4,8,16.)。Placket-Burman设计用的实验次数为4的整数倍(4,8,12,.,48)。,Box-Behnken法,每个因子用3个水平，但只用部分组合。如右图：3个因子用3个水平，在每两个因子组成的参数平面上只取4点，中心再取1点，共13次实验。全因子法要33=27次实验。可能的因子数为3,4,5,6,7,9,10,11,12,16,CentralCompositeFaced(CCF)法,取参数平面上的顶点和中心点。实验次数为2n+2*n+1,多于Box-Behnken法。,D-Optimal法,从大量候选点中随机挑选，可事先指定试验次数、每个因子的水平数。挑选的准则是选出的点组成的矩阵的行列式（determinant）值最大。这表示矩阵的列向量相关性最小。,数据的建立和访问,数据类型：数组Array曲线Cirve样条Spline矩阵Matrix字符串String建立和储存各种类型的数据可方便重复使用，并节省内存。,保存和访问数据,数据类型：数组Array曲线Cirve样条Spline矩阵Matrix字符串String建立和储存各种类型的数据可方便重复使用，并节省内存。,数据单元的用途,Array：定义输入值、变量、初始条件，可用于线性状态方程、通用状态方程、传递函数和ARYVALrun-time函数。Curve：定义三维参数曲线，曲线点直接给定或用子程序，可用于Curve-to-curve和point-to-curve约束、B-spline样条曲线和CURVErun-time函数。Spline：定义插值的离散数据，可用于AKISPL和CUBSPLrun-time函数。Matrix：两维数组的值可用于线性状态方程、曲线和多点力。String：定义字符串，可用于轮胎、TIRSUB、GTSRTG用户子程序。,建立数据单元方法,在ADAMS/View菜单BuildDataelements选Array,Curve,Spline,Matrix,String选New：创建新的数据单元Modify：修改数据单元,数组单元Array,普通/初始条件General/InitialConditions：定义通常的数组或系统单元的初始条件，用常数数组或用户子程序形式表示。状态数组States(X)输出变量数组Outputs(Y)输入变量数组Inputs(U)用以定义系统状态方程或传递函数其中，初始条件和输入数组可单独存在。,建立数组数据单元,输入数组单元名称、选择类型、输入数组元素的值，检查数组的大小是否正确。,Array大小,矩阵单元Matrix,产生MxN二维数组,用于建立曲线、线性状态方程、多维力等。用矩阵名称引用其数据。输入数据方法：直接输入，或引用仿真结果输入到矩阵中。,创建矩阵,矩阵名称单位输入方式：完全Full,稀疏Sparse,文件输入顺序：按列、按行数据来源：用户输入：输入行数、列数、循序输入数据仿真结果：输入结果集名称文件：输入文件名、文件中数组名称,稀疏矩阵输入法,例：,在Rowindex栏输入1,3,3,4在Columnindex栏输入1,1,2,2在Value栏输入：1.364，-3.546，4.008，0.7999,稀疏矩阵输入正确性的检验,ToolsDatabasenavigatorMatrix,矩阵数据文件格式ADAMSMAT2,字符串Strings,可连续输入，但ADAMS/VieworADAMS/Solver读取字符串单元时不能将其断开。在用户程序中用GTSRTGsubroutine读取字符串。应用举例：在程序中用字符串单元传递文件名。,曲线数据单元,定义三维参数曲线，用于创建pin-in-slotorcurve-on-curve凸轮轮廓曲线(B-spline样条)。定义曲线方法：曲线点(curvepoints)、控制点(controlpoints)、用户子程序。Curvepoints创建通过数据点的均匀B-spline样条曲线。Controlpoints由控制点生成均匀B-spline样条曲线。Subroutine编写子程序计算点坐标和导数产生各种类型的曲线或分析定义的曲线。,参数曲线,Thex,y,andzcoordinatesofapointonaparametriccurvearefunctionsofanindependentparameter,alpha.Asalphavariesfromitsminimumvaluetoitsmaximumvalue,thefunctionsx(alpha),y(alpha),andz(alpha)sweepoutpointsonthecurve.Asimpleexampleofaparametriccurveisthehelixdefinedbythefollowingequations:x=cos(alpha)y=sin(alpha)z=alpha,CurveCreationSteps,创建曲线单元:定义矩阵,BuildDataelementCurve曲线名标识号注释曲线闭合否定义方法：矩阵、子程序矩阵名拟合类型：曲线点、控制点曲线段数Segmentcount张紧度Tension,创建曲线单元:用子程序,BuildDataelementCurve曲线名标识号注释曲线闭合否定义方法：子程序用户函数子程序名参数最小值参数最大值子程序,CurvefromCurvePointswithDifferingTensionValues,Curvefr