工程机械设计_吴永平_第一篇工程机械设计基础第二章虚拟设计

1、虚拟设计虚拟设计 v第一节第一节 虚拟设计的概念与应用虚拟设计的概念与应用 v第二节第二节 机械系统的建模和结构分析机械系统的建模和结构分析 v第三节第三节 ADAMS软件介绍软件介绍 波音公司采用虚拟样机技术成功地研制出世界上第一架波音公司采用虚拟样机技术成功地研制出世界上第一架 “无纸客机无纸客机”波音波音777777双喷机型；双喷机型； 对比以往的飞机研制，其成本降低对比以往的飞机研制，其成本降低2525，出错返工率减少，出错返工率减少 7575，制造周期缩短，制造周期缩短5050。 第一节第一节 虚拟设计的概念与应用虚拟设计的概念与应用 虚拟设计虚拟设计是指设计者在虚拟环境中进行设计。

2、它是以计是指设计者在虚拟环境中进行设计。它是以计 算机仿真为基础的现代设计方法与技术，算机仿真为基础的现代设计方法与技术，其核心是其核心是虚拟样机虚拟样机 技术技术(Virtual Prototyping Technology) (Virtual Prototyping Technology) 。 所谓所谓虚拟虚拟，就是通过计算机技术构造一种特定的，就是通过计算机技术构造一种特定的人工环人工环 境境，为人们创造出一种为人们创造出一种时域和空域可变时域和空域可变的、的、与现实世界相似与现实世界相似 的假想世界，从而使人们能够在这样一个世界里完成所需要的假想世界，从而使人们能够在这样一个世界里完成

3、所需要 的的设计、制造和模拟试验过程设计、制造和模拟试验过程，最终实现实际系统优化、节，最终实现实际系统优化、节 约成本、缩短设计制造周期的目标。约成本、缩短设计制造周期的目标。 传统的设计与制造过程传统的设计与制造过程 设计设计评价评价 产品产品 报报 废废 品品 制造制造 原料原料 设备设备厂房厂房 人员人员 试制试制 原料原料 设备设备厂房厂房 人员人员 样机样机试验试验 虚拟样机的设计与制造过程虚拟样机的设计与制造过程 数据数据 信息信息 原料原料 设备设备厂房厂房 实际制造实际制造 人员人员 设计设计 虚拟样机虚拟样机 评价评价 反反 馈馈 信信 息息 虚拟加工虚拟加工 虚拟装配虚拟

4、装配 虚拟检测虚拟检测 产产 品品 虚拟样机技术的特点虚拟样机技术的特点 虚拟样机技术的显著特点虚拟样机技术的显著特点就是利用存储在就是利用存储在 计算机内部的数字化模型计算机内部的数字化模型虚拟样机来代替虚拟样机来代替 实物模型而进行仿真、分析，从而提高产品在实物模型而进行仿真、分析，从而提高产品在 时间、质量、成本、服务和环境等多指标中的时间、质量、成本、服务和环境等多指标中的 决策水平，达到全局优化和一次开发成功的目决策水平，达到全局优化和一次开发成功的目 的。的。 v提供了一个全新的产品研发模式；提供了一个全新的产品研发模式； v更低的研发成本、更短的研发周期、更低的研发成本、更短的研

5、发周期、 更高的产品质量；更高的产品质量； v改变了产品设计的过程顺序。改变了产品设计的过程顺序。 虚拟样机设计技术的优点虚拟样机设计技术的优点 虚拟样机技术的核心虚拟样机技术的核心 虚拟样机技术是许多技术的综合，它的虚拟样机技术是许多技术的综合，它的核心核心 部分部分是多体系统运动学与动力学建模理论及其技是多体系统运动学与动力学建模理论及其技 术实现。术实现。 数值分析提供了有效的快速算法；数值分析提供了有效的快速算法； 计算机可视化技术及动画技术提供了友好的用户界面；计算机可视化技术及动画技术提供了友好的用户界面； CAD/CAECAD/CAE等技术的发展提供了技术环境等技术的发展提供了技

6、术环境 虚拟样机技术的发展也直接受其构成技术的影响。虚拟样机技术的发展也直接受其构成技术的影响。 虚拟技术目前已经广泛地应用在航空航天业、国防工虚拟技术目前已经广泛地应用在航空航天业、国防工 业、汽车制造、工程机械及通用机械制造业等各个领域。业、汽车制造、工程机械及通用机械制造业等各个领域。 虚拟技术的现状及应用虚拟技术的现状及应用 虚拟样机技术在工程机械领域可应用的方面有：虚拟样机技术在工程机械领域可应用的方面有： 履带式和轮式车辆稳定性、操作性能研究，液压系统、履带式和轮式车辆稳定性、操作性能研究，液压系统、 牵引设备性能预测，挖掘机械、铲运土机械、路面机牵引设备性能预测，挖掘机械、铲运土

7、机械、路面机 械等动态性能研究，零部件和发动机载荷预测与尺寸械等动态性能研究，零部件和发动机载荷预测与尺寸 确定，驾驶员视野研究，预测工程机械所需要功率，确定，驾驶员视野研究，预测工程机械所需要功率， 工作效率研究，可靠性分析等。工作效率研究，可靠性分析等。 摊铺机熨平板的虚拟技术研究摊铺机熨平板的虚拟技术研究 第二节第二节 机械系统的建模和结构分析基础机械系统的建模和结构分析基础 一、机械系统的组成一、机械系统的组成 零件零件构件构件机构机构机器机器 二、参考机架二、参考机架 在计算一个系统及其构件的速度和加速度时，需要指在计算一个系统及其构件的速度和加速度时，需要指 定参考机架，作为速度和

8、加速度的定参考机架，作为速度和加速度的参考坐标系参考坐标系。 在机械系统的运动分析过程在机械系统的运动分析过程 中，有两种类型的参考机中，有两种类型的参考机 架：架：地面参考机架地面参考机架和和构件参考机架构件参考机架。 地面参考机架地面参考机架是一个单独的是一个单独的牛顿惯性参考系牛顿惯性参考系，它固定，它固定 在一个在一个“绝对静止绝对静止”的空间中。的空间中。 对于每一个刚体都有一个参考机架，称为对于每一个刚体都有一个参考机架，称为构件参考机构件参考机 架，架，刚性体上的各点相对于其都是静止的。刚性体上的各点相对于其都是静止的。 三、坐标系三、坐标系 机械系统的坐标系机械系统的坐标系广泛

9、采用直角坐标系广泛采用直角坐标系，直角坐标系由，直角坐标系由 1 1个原点和个原点和3 3个相互垂直的单位坐标矢量组成，常用的笛卡尔个相互垂直的单位坐标矢量组成，常用的笛卡尔 坐标系就是一个采用右手规则的直角坐标系。坐标系就是一个采用右手规则的直角坐标系。 运动学和动力学的所有矢量均运动学和动力学的所有矢量均 可以用沿可以用沿3 3个单位坐标矢量的分个单位坐标矢量的分 量来表示。量来表示。 kRjRiRR zyx （1 1）地面坐标系地面坐标系 是固定在地面机架上的坐标系。是固定在地面机架上的坐标系。 （2 2）构件机架坐标系构件机架坐标系 是固定在构件上随构件运动是固定在构件上随构件运动 的

10、坐标系。每个构件都有一的坐标系。每个构件都有一 个构件机架坐标系，可以通个构件机架坐标系，可以通 过确定构件机架坐标系在地过确定构件机架坐标系在地 面坐标系的位置和方向，来面坐标系的位置和方向，来 确定一个构件的位置和方向。确定一个构件的位置和方向。 （3 3）标记坐标系标记坐标系 是为了简化建模和分析在构件上设立的是为了简化建模和分析在构件上设立的 辅助坐标系。可分为固定标记和浮动标记两类。辅助坐标系。可分为固定标记和浮动标记两类。 四、机械系统的自由度四、机械系统的自由度 机械系统的自由度机械系统的自由度表示机械系统中各机构相对于地面机表示机械系统中各机构相对于地面机 架所具有的独立运动数

11、量。架所具有的独立运动数量。 机械系统的自由度与构成机构的机械系统的自由度与构成机构的构件数量构件数量、运动副运动副的类的类 型和数量、型和数量、原动机原动机的类型和数量、以及的类型和数量、以及其他约束条件其他约束条件有关。有关。 X j kj m i i RqpnF 11 6 计算机械系统自由度时应注意的问题：计算机械系统自由度时应注意的问题： 1 复合铰链复合铰链 两个以上的构件两个以上的构件 同在一处以转动副相同在一处以转动副相 连接，构成了所谓复连接，构成了所谓复 合铰链。合铰链。 v当有当有m个构件（包括固定构件）以复合铰链相连个构件（包括固定构件）以复合铰链相连 接时，其转动副的数

12、目应为接时，其转动副的数目应为m1个。个。 2 局部自由度局部自由度 与机械系统中需与机械系统中需 要分析的构件运动无要分析的构件运动无 关的自由度称为局部关的自由度称为局部 自由度。自由度。 v在计算机械系统自由度时，局部自由度可以除去在计算机械系统自由度时，局部自由度可以除去 不计。不计。 3 虚约束虚约束 起重复限制作用的约束，又称多余约束。起重复限制作用的约束，又称多余约束。 1）轨迹重合）轨迹重合2）转动副轴线重合）转动副轴线重合 3） 移动副导路平行移动副导路平行 4 ）对运动重复约束的对称部分）对运动重复约束的对称部分 第三节第三节 ADAMS软件介绍软件介绍 1、介绍、介绍 A

13、DAMS，即机械系统动力学自动分析，即机械系统动力学自动分析 (Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems)，该软件是美国，该软件是美国MDI公司公司(Mechanical Dynamics Inc.)开发的虚拟样机分析软件。开发的虚拟样机分析软件。 ADAMS使用使用交互式图形环境和零件库、约交互式图形环境和零件库、约 束库、力库，束库、力库，通过创建通过创建完全参数化的机械系统模完全参数化的机械系统模 型，型，实现实现在计算机上对复杂机械系统进行静力学、在计算机上对复杂机械系统进行静力学、 运动学和动力学分析。运动学和动力学分析。 AD

14、AMS仿真仿真可用于可用于预测机械系统的性能、预测机械系统的性能、 运动范围、碰撞检测、峰值载荷以及以及优化工运动范围、碰撞检测、峰值载荷以及以及优化工 作循环等。作循环等。 2、ADAMS软件功能软件功能 机械系统建模机械系统建模 几何建模几何建模 施加运动副和运动约束施加运动副和运动约束 施加载荷施加载荷 仿真分析仿真分析 设置测量和仿真输出设置测量和仿真输出 进行仿真分析进行仿真分析 仿真分析结果仿真分析结果 回放仿真结果回放仿真结果 绘制仿真结果曲线绘制仿真结果曲线 验证仿真验证仿真分析结果分析结果 输入实验数据输入实验数据 添加实验数据曲线添加实验数据曲线 与试验结果一致与试验结果一

15、致 精制机械精制机械系统模型系统模型 增加摩擦力，改进载荷函数增加摩擦力，改进载荷函数 定义柔性物体和连接定义柔性物体和连接 定义控制定义控制 重复仿真分析重复仿真分析 设置可变参数点设置可变参数点 定义设计变量定义设计变量 机械系统优化分析机械系统优化分析 进行主要设计影响因素研究进行主要设计影响因素研究 进行试验设计研究进行试验设计研究 进行最优化研究进行最优化研究 虚拟样机仿真分析步骤示意图虚拟样机仿真分析步骤示意图 4、ADAMS软件组成软件组成 ADAMS软件由软件由基本模块基本模块、扩展模块扩展模块、接口接口 模块模块、专业领域模块专业领域模块及及工具箱工具箱5类模块组成。类模块组

16、成。 用户不仅可以采用用户不仅可以采用通用模块通用模块对一般的机械系对一般的机械系 统进行仿真，而且可以采用统进行仿真，而且可以采用专用模块专用模块针对特定工针对特定工 业应用领域的问题进行快速有效的建模与仿真分业应用领域的问题进行快速有效的建模与仿真分 析。析。 基本模块基本模块 用户界面模块用户界面模块ADAMSView 求解器模块求解器模块ADAMSSolver 后处理模块后处理模块ADAMSPostProcessor 扩展模块扩展模块 液压系统模块液压系统模块ADAMS/Hydraulics 振动分析模块振动分析模块ADAMS/Vibration 线性化分析模块线性化分析模块ADAMS

17、/Linear 高速动画模块高速动画模块ADAMS/Animation 试验设计与分析模块试验设计与分析模块ADAMS/Insight 耐久性分析模块耐久性分析模块ADAMS/Durability 数字化装配回放模块数字化装配回放模块ADAMS/DMU Replay 接口模块接口模块 柔性分析模块柔性分析模块ADAMS/Flex 控制模块控制模块ADAMS/Controls 图形接口模块图形接口模块ADAMS/Exchange CATIACATIA专业接口模块专业接口模块CAT/ADAMS Pro/EPro/E接口模块接口模块Mechanical/Pro 工具箱工具箱 软件开发工具包软件开发工

18、具包ADAMS/SDK 虚拟试验工具箱虚拟试验工具箱Virtual Test Lab 虚拟试验模态分析工具箱虚拟试验模态分析工具箱Virtual Experiment Modal Analysis 钢板弹簧工具箱钢板弹簧工具箱Leafspring Toolkit 飞机起落架工具箱飞机起落架工具箱ADAMS/Landing Gear 履带履带/ /轮胎式车辆工具箱轮胎式车辆工具箱Tracked/Wheeled Vehicle 齿轮传动工具箱齿轮传动工具箱ADAMS/Gear Tool 专业领域模块专业领域模块 轿车模块轿车模块ADAMS/Car 悬架设计软件包悬架设计软件包Suspension

19、Design 概念化悬架模块概念化悬架模块CSM 驾驶员模块驾驶员模块ADAMS/Driver 动力传动系统模块动力传动系统模块ADAMS/Driveline 轮胎模块轮胎模块ADAMS/Tire 柔性环轮胎模块柔性环轮胎模块FTire Module 柔性体生成器模块柔性体生成器模块ADAMS/FBG 经验动力学模型经验动力学模型EDM 发动机设计模块发动机设计模块ADAMS/Engine 配气机构模块配气机构模块ADAMS/Engine Valvetrain 正时链模块正时链模块ADAMS/Engine Chain 附件驱动模块附件驱动模块Accessory Drive Module 铁路车

20、辆模块铁路车辆模块ADAMS/Rail FORD汽车公司专用汽车模块汽车公司专用汽车模块ADAMS/Pre(现改名为现改名为Chassis) 4.1 用户界面模块用户界面模块 ADAMSView 采用以用户为采用以用户为 中心的中心的交互式图形环交互式图形环 境境，将图标操作、菜，将图标操作、菜 单操作、鼠标点击操单操作、鼠标点击操 作与交互式图形建模、作与交互式图形建模、 仿真计算、动画显示、仿真计算、动画显示、 优化设计、优化设计、X XY Y曲线曲线 图处理、结果分析和图处理、结果分析和 数据打印等功能集成数据打印等功能集成 在一起。在一起。 4.2 求解器模块求解器模块 ADAMSSo

21、lver ADAMS/Solver是是ADAMS系列产品的系列产品的核心模核心模 块之一块之一，是，是ADAMS产品系列中产品系列中处于心脏地位的处于心脏地位的 仿真器仿真器。 该软件自动形成机械系统模型的动力学方程，该软件自动形成机械系统模型的动力学方程， 提供静力学、运动学和动力学的解算结果。提供静力学、运动学和动力学的解算结果。 ADAMS/Solver有各种建模和求解选项，以便精有各种建模和求解选项，以便精 确有效地解决各种工程应用问题。确有效地解决各种工程应用问题。 4.3 后处理模块后处理模块 ADAMSPostProcessor 主要用来主要用来输输 出高性能的动画、出高性能的动画、 各种数据曲线各种数据曲线，还，还 可以进行可以进行曲线编辑曲线编辑 和数字信号处理和数字信号处理， 使用户可以方便快使用户可以方便快 捷地观察、研究仿捷