Adams實驗優(yōu)化設(shè)計論文

1、(2010-2011學(xué)年第二學(xué)期)課程論文題目：實驗設(shè)計在ADAMS 優(yōu)化問題中的運用課程名稱實驗設(shè)計課程類別學(xué)位課 非學(xué)位課任課教師所在學(xué)院學(xué)科專業(yè)姓名 學(xué)號提交日期2011年6月18日注意事項：1、以上各項由研究生認(rèn)真填寫；2、研究生課程論文應(yīng)符合一般學(xué)術(shù)規(guī)范，具有一定學(xué)術(shù)價值，嚴(yán)禁網(wǎng)上下載或抄襲；凡檢查或抽查不合格者，一律取消該門課程成績和學(xué)分，并按有關(guān)規(guī)定追究相關(guān)人員責(zé)任；3、論文得分由批閱教師填寫（見封底），并簽字確認(rèn)；批閱教師應(yīng)根據(jù)作業(yè)質(zhì)量客觀、公正的在文后簽寫批閱意見；4、原則上要求所有課程論文均須用A4紙打印，加裝本封面封底，左側(cè)裝訂；5、課程論文由各學(xué)院（部）統(tǒng)一保存，以備查

2、用。4、卷紙不夠?qū)?，可另附紙。實驗設(shè)計在ADAMS優(yōu)化問題中的運用摘要: 本文首先介紹了實驗設(shè)計目前的發(fā)展?fàn)顩r和常用的實驗設(shè)計方法，并對實驗設(shè)計在虛擬樣機研究領(lǐng)域中的發(fā)展前景進行展望。本文通過摩托車平順性仿真分析的項目結(jié)合實驗設(shè)計方法中的析因?qū)嶒炘O(shè)計技術(shù)對摩托車的懸架進行優(yōu)化設(shè)計?；谔摂M樣機技術(shù),建立摩托車多體動力學(xué)模型。以B級路面譜為振動激勵對某款摩托車進行隨機振動分析。綜合研究摩托車懸架彈簧剛度和阻尼、后懸架彈簧與擺臂連接位置對舒適性的影響?；谔摂M樣機技術(shù)的產(chǎn)品設(shè)計,大大提高了產(chǎn)品設(shè)計效率,縮短了產(chǎn)品設(shè)計周期。關(guān)鍵詞： 實驗設(shè)計；ADAMS；仿真；優(yōu)化設(shè)計前言在三十、四十年代

3、，英、美、蘇等國對實驗設(shè)計法進行了進一步研究，并將其逐步推廣到工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中，在冶金、建筑、紡織、機械、醫(yī)藥等行業(yè)都有所應(yīng)用。二戰(zhàn)期間，英美等國在工業(yè)試驗中采用實驗設(shè)計法取得了顯著效果，戰(zhàn)后，日本將其作為管理技術(shù)之一從英美引進，對其的經(jīng)濟復(fù)蘇起了促進作用。今天，實驗設(shè)計已成為日本企業(yè)界人士、工程技術(shù)人員、研究人員和管理人員必備的一種通用技術(shù)。五十年代，田口玄一博士借鑒實驗設(shè)計法提出了信噪比實驗設(shè)計，并逐步發(fā)展為以質(zhì)量損失函數(shù)、三次設(shè)計為基本思想的田口方法。八十年代，田口方法進入美國，得到了普遍關(guān)注。如今，實驗設(shè)計技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)突破了傳統(tǒng)的工業(yè)過程改進和產(chǎn)品設(shè)計范疇，廣泛地滲透到商業(yè)布局、商

4、品陳列、廣告設(shè)計及產(chǎn)品包裝的應(yīng)用之中1。1常用的實驗設(shè)計方法1.1完全隨機設(shè)計不考慮個體差異的影響，僅涉及一個處理因素，但可以有兩個或多個水平，所以亦稱單因素實驗設(shè)計。該設(shè)計常用于將受試對象按隨機化原則分配到處理組和對照組中，各組樣本例數(shù)可以相等，也可以不等，但相等時效率高。完全隨機設(shè)計的優(yōu)點是設(shè)計和統(tǒng)計分析方法簡單易行；缺點是只分析一個因素，沒有考慮個體間的差異，因而要求各觀察單位要有較好的同質(zhì)性，否則，需擴大樣本含量。先將實驗對象編號，按預(yù)先規(guī)定，利用隨機排列表或隨機數(shù)字表產(chǎn)生的隨機數(shù)字將實驗對象隨機分配到各組中去（用隨機排列表進行分組時，各組例數(shù)相等；用隨機數(shù)字表進行分組時，各組例數(shù)常不

5、相等，故常用前者）。1.2配對設(shè)計與配伍組設(shè)計 先按配比條件將受試對象配成對子或區(qū)組，再將各對或各區(qū)組中的個體按隨機分配的原則給予不同的處理。該類設(shè)計考慮了個體差異的影響，可分析處理因素和個體差異對實驗效應(yīng)的影響，所以又稱兩因素實驗設(shè)計，比完全隨機設(shè)計的檢驗效率高。配對設(shè)計是將受試對象按配對條件配成對子，每對中的個體接受不同的處理。配對設(shè)計一般以主要的非實驗因素作為配比條件，而不以實驗因素作為配比條件。動物實驗中，常將同性別、同窩別、體重相近的兩個動物配成一對；人群試驗中，常將性別和年齡、生活條件、工作條件相同或相近的兩個人配成對子，再按隨機化原則把每對中的受試對象分別分配到實驗組和對照組，或

6、不同處理組。此外，某些醫(yī)學(xué)實驗研究中的自身對照也可看作是配對設(shè)計，如某指標(biāo)治療前后的比較；同一受試對象不同部位、不同器官的比較；同一標(biāo)本不同檢測方法的比較。1.3交叉設(shè)計它是在自身配對設(shè)計基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。該設(shè)計考慮了一個處理因素（A、B兩水平），兩個與處理因素?zé)o交互作用的非處理因素（試驗階段和受試對象）對試驗結(jié)果的影響。首先將條件相近的觀察對象配對并依次編號（如1.1，1.2；2.1，2.2；3.1，3.2；或1,2；3,4；5,6；），再用隨機的方法將各對觀察對象分配到A、B兩組；其中一個觀察對象在第階段接受A處理，第階段接受B處理；另一個觀察對象在第階段接受B處理，第階段接受A處理。因而

7、要求觀察對象的例數(shù)為偶數(shù)。由于A、B兩種處理在全部試驗過程中“交叉”進行，故稱為交叉試驗設(shè)計。該設(shè)計中A、B處理方式處于先后兩個試驗階段的機會是均等的，因而平衡了試驗順序的影響；能把處理方法之間的差別與時間先后之間的差別分開來分析。1.4拉丁方設(shè)計它是按拉丁方陣的字母、行和列安排實驗（或試驗）的三因素等水平的設(shè)計。該設(shè)計同時考慮三個因素對試驗結(jié)果的影響。利用拉丁方陣安排實驗（或試驗）。拉丁方陣亦稱階拉丁方或×拉丁方，是用個拉丁字母排成行列的方陣，每個字母在每行每列中只出現(xiàn)一次。設(shè)計的基本要求：必須是三個因素的實驗，且三個因素的水平數(shù)相等（若三因素的水平數(shù)略有不同，應(yīng)以主要處理因素的水

8、平數(shù)為主，其它兩因素的水平數(shù)可進行適當(dāng)調(diào)整）；三因素間是相互獨立的，均無交互作用；各行、列、字母所得實驗數(shù)據(jù)的方差齊。設(shè)計步驟：根據(jù)主要處理因素的水平數(shù)，確定基本型拉丁方，并從專業(yè)角度使另兩個次要因素的水平數(shù)與之相同；先將基本型拉丁方隨機化，然后按隨機化后的拉丁方陣安排實驗?？赏ㄟ^對拉丁方的任兩列交換位置，及任兩行交換位置實現(xiàn)隨機化；規(guī)定行、列、字母所代表的因素與水平，通常用字母表示主要處理因素。1.5析因?qū)嶒炘O(shè)計它是一種將兩個或多個因素的各水平交叉分組，進行實驗（或試驗）的設(shè)計。它不僅可以檢驗各因素內(nèi)部不同水平間有無差異，還可檢驗兩個或多個因素間是否存在交互作用。若因素間存在交互作用，表示各

9、因素不是獨立的，一個因素的水平發(fā)生變化，會影響其它因素的實驗效應(yīng)；反之，若因素間不存在交互作用，表示各因素是獨立的，任一因素的水平發(fā)生變化，不會影響其它因素的實驗效應(yīng)。該設(shè)計是通過各因素不同水平間的交叉分組進行組合的。因此，總的實驗組數(shù)等于各因素水平數(shù)的乘積。例如，兩個因素各有3個水平時，實驗組數(shù)為3×3=9；四個因素各有2個水平時，實驗組數(shù)為24=16。所以，應(yīng)用析因?qū)嶒炘O(shè)計時，分析的因素數(shù)和各因素的水平數(shù)不宜過多。一般因素數(shù)不超過4，水平數(shù)不超過3。2虛擬樣機技術(shù)的發(fā)展前景虛擬樣機技術(shù)以機械系統(tǒng)運動學(xué)、動力學(xué)和控制理論為核心,借助成熟的三維計算機圖形技術(shù)、基于圖形的用戶界面技術(shù)、

10、信息技術(shù)和集成技術(shù)等,將分散的產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)和分析過程集成在一起,使產(chǎn)品的設(shè)計者、使用者和制造者在產(chǎn)品研制的早期,在虛擬環(huán)境中直觀形象地對虛擬的產(chǎn)品原型進行設(shè)計優(yōu)化、性能測試、制造仿真和使用仿真,為產(chǎn)品的研發(fā)提供全新的數(shù)字化設(shè)計方法。機械系統(tǒng)運動學(xué)多剛體系統(tǒng)動力學(xué)的研究方法有:NewtonEuler方程法、Langrage方程法、圖論(Roberson-Wittenburg)方法、KaneHouston方法和變分方法。機械系統(tǒng)動力學(xué)仿真分析軟件ADAMS在虛擬樣機技術(shù)中應(yīng)用比較廣泛,其建模的精度和可靠性在各動力學(xué)分析軟件中也名列前茅。應(yīng)用它可以方便地建立參數(shù)化的實體模型,并采用多剛體系統(tǒng)動力學(xué)原

11、理進行仿真計算2。摩托車是比較復(fù)雜的空間機構(gòu)，以往傳統(tǒng)的設(shè)計計算方法在進行系統(tǒng)的運動學(xué)和動力學(xué)分析時有很大困難，過去多采用簡化條件下的圖解法和分析計算法對摩托車的運動學(xué)和動力學(xué)進行分析，用多自由度的質(zhì)量阻尼剛體數(shù)學(xué)模型對摩托車的性能進行仿真，所得的結(jié)果誤差較大。隨著計算機技術(shù)的進步，特別是20世紀(jì)80年代以來，這種情況得到了改變，而多體系統(tǒng)動力學(xué)的成熟，使摩托車的建模與仿真產(chǎn)生了巨大的飛躍，特別是ADAMS軟件的成功應(yīng)用使得虛擬樣機技術(shù)脫穎而出?；贏DAMS的虛擬試驗技術(shù)，可以把摩托車視為多個相互連接，彼此能夠相互運動的多體系統(tǒng)，其運動學(xué)和動力學(xué)仿真比以往通過幾個自由度的質(zhì)量剛體數(shù)學(xué)模型描述

12、更加真實反映摩托車的綜合性能，也比圖解法更加直接、方便。摩托車虛擬試驗技術(shù)是解決摩托車復(fù)雜工作過程仿真和分析的主要手段，是最有效的現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)。所謂摩托車試驗技術(shù)采用的虛擬樣機實際上是一種能描述摩托車產(chǎn)品各項性能的計算機數(shù)值模型，可仿真特定摩托車在真實工作條件下的動態(tài)行為，并以三維動畫方式供人觀察和測量。利用摩托車虛擬樣機可以實現(xiàn)摩托車整車及其主要零部件的各項技術(shù)性能及疲勞壽命等的分析和預(yù)測，并容易進行這些性能的影響因素定量分析，從而可以實現(xiàn)摩托車性能的優(yōu)化設(shè)計。3 基于ADAMS的摩托車平順性仿真與優(yōu)化3.1多體系統(tǒng)動力學(xué)方程摩托車平順性仿真試驗中的虛擬樣機技術(shù)以多體動力學(xué)為理論基礎(chǔ)，采用機

13、械系統(tǒng)仿真軟件ADAMS進行懸架運動學(xué)分析，應(yīng)用拉格朗日乘子法建立系統(tǒng)運動方程3。在ADAMS軟件中，選擇適當(dāng)?shù)膹V義坐標(biāo)對物體進行描述，對剛體i，采用質(zhì)心在慣性參考系中的笛卡爾坐標(biāo)和反映剛體方位的歐拉角作為廣義坐標(biāo)，即： （1）每個剛體用6個廣義坐標(biāo)描述，根據(jù)拉格朗日乘子法，建立多剛體系統(tǒng)動力學(xué)方程為： （2）式中：完整約束方程；非完整約束方程； T系統(tǒng)動能； q系統(tǒng)廣義坐標(biāo)列陣； Q廣義力列陣； P對應(yīng)于完整約束的拉氏乘子列陣； 對應(yīng)于非完整約束的拉氏乘子列陣。式（2）包括了機構(gòu)連接所要求的運動學(xué)約束，對式（2）數(shù)值積分，并且每步校核是否滿足約束就是解決機構(gòu)動力學(xué)數(shù)值仿真問題。3.2 摩托車

14、虛擬樣機模型的建立由于發(fā)動機的外形、結(jié)構(gòu)太過復(fù)雜,在建模中沒有考慮實體發(fā)動機的建模,而是對發(fā)動機的外形進行了簡化,但其質(zhì)量和轉(zhuǎn)動慣量等力學(xué)參數(shù)保持與實際發(fā)動機一致,以保證動力學(xué)分析的結(jié)果4。摩托車整體性能受摩托車乘員的質(zhì)量及油箱的質(zhì)量影響很大,在摩托車模型中也考慮了這些因素的影響,在實際的建模過程中,乘員和油箱的質(zhì)量是用兩個點質(zhì)量代替,點質(zhì)量的具體位置分別位于真實的乘員和油箱的質(zhì)心位置。在建立模型時,考慮到摩托車是一個包含慣性、彈性、阻尼等動力學(xué)特征的復(fù)雜系統(tǒng),其特點是運動構(gòu)件多、受力復(fù)雜,由于組成摩托車各機械系統(tǒng)之間的相互耦合作用,使摩托車的動態(tài)特征非常復(fù)雜要建立摩托車動力學(xué)仿真模型,需將復(fù)

15、雜的摩托車振動系統(tǒng)作簡化處理,去掉與研究內(nèi)容沒有太多聯(lián)系的部件,在不影響仿真結(jié)果的前提下,對模型作適當(dāng)?shù)暮喕?有利于提高計算速度,減少不相關(guān)因素的影響,故做以下假設(shè): 1)將車架看作剛體,懸架零/部件中,除彈性零/部件外,其余零件全部看作剛體。2)對于摩托車虛擬樣機模型中的鉸鏈,都沒有考慮其內(nèi)摩擦。3)假設(shè)摩托車無側(cè)向振動。4)由于要對前/后懸架做參數(shù)化分析,因此對前/后懸架做簡化處理。由此建立摩托車虛擬樣機模型如圖1所示。圖1 摩托車虛擬樣機模型3.3 摩托車平順性仿真分析本文以60km /h的車速進行虛擬機構(gòu)仿真,在人圖2摩托車動力學(xué)模型體質(zhì)心處放置垂向加速度測試點,得到人體質(zhì)心加速度曲線

16、和功率譜密度曲線,如圖2所示。利用ADAMS/View的后處理功能,從曲線圖2可以分析出,此款摩托車的人體質(zhì)心垂直方向振動的加速度響應(yīng)均方根值為2·656m/s2;在1·03·5Hz內(nèi)存在多個共振峰值;整車的實際樣車路試測試座墊部位垂直方向振動加速度響應(yīng)均方根值為3·05m/s2,誤差為12·94%5。圖2 人體質(zhì)心加速度和功率譜密度曲線3.4 懸架結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析影響摩托車乘坐舒適性的因素很多,其中摩托車懸架彈簧剛度和阻尼、后懸擺臂長度、后懸彈簧與擺臂間夾角對舒適性的影響最大。因此選擇前/后減振器剛度系數(shù)、阻力系數(shù)、后減振器與搖臂的連接點x、y坐

17、標(biāo)共6個設(shè)計變量,進行參數(shù)化分析。分別對6個設(shè)計變量敏感度進行設(shè)計研究6,結(jié)果見表1從中確定出對模型性能影響最大(敏感度最大)的3個設(shè)計變量(前/后減振器的阻尼系數(shù),后減振器與搖臂的連接點x坐標(biāo)),并進行優(yōu)化,得到最優(yōu)化結(jié)果,見表2從表2看出,該車的平順性有所改善,加速度均方根值由2·656m/s2優(yōu)化為2·001m/s2。4 總結(jié)1)本文首先介紹了實驗設(shè)計目前的發(fā)展?fàn)顩r和常用的實驗設(shè)計方法，并對實驗設(shè)計在虛擬樣機研究領(lǐng)域中的發(fā)展前景進行展望。本文通過嘉陵摩托車平順性仿真分析的項目結(jié)合實驗設(shè)計方法中的析因?qū)嶒炘O(shè)計技術(shù)對摩托車的懸架進行優(yōu)化設(shè)計。2)基于ADAMS的虛擬樣機技術(shù),可以把摩托車系統(tǒng)視為多體系統(tǒng),進行運動學(xué)和動力學(xué)仿真,虛擬樣機仿真可提供大量的運動學(xué)和動力學(xué)參數(shù)結(jié)果,這些結(jié)果可用于分析機構(gòu)運動特性。通過對改款摩托車虛擬樣機模型的測試結(jié)果和實際車輛的測試結(jié)果的比較可以判斷,該模型建模及簡化是正確有效的,模型構(gòu)建合理,ADAMS虛擬樣機技術(shù)仿真具有較高的求解精度。3)在該模型的基礎(chǔ)上對摩托車懸架性能參數(shù)進行優(yōu)化分析,對設(shè)計方案進行反復(fù)優(yōu)化對比分析,使得平順性得到改善,降低了整車的振動。在摩托車振動分析中,ADAMS虛擬樣機技術(shù)可提高設(shè)計質(zhì)量,縮短開發(fā)周期,并降低開發(fā)成本。參考文獻1劉文卿