計算機仿真技術(shù)

計算機仿真技術(shù)

工程機械教研室

交待幾個問題:

作業(yè)無書面作業(yè)，上機實驗，按時

完成，課后找時間上機練習(xí)。

人上機時間：周四35節(jié)、

實驗

地點：機電學(xué)院機房

考試平時表現(xiàn)（上課與上機）：20%

期末測試:80%

課程介紹

使用教材

自編講義

學(xué)習(xí)參考書

[1]鄭建榮.ADAMS——虛擬樣機技術(shù)入門與提高.北京：機械

工業(yè)出版社，2002

[2]王國強，張進平，馬若丁編.虛擬樣機技術(shù)及其在ADAMS

的實踐，西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2002

[3]鄭凱，胡仁喜，陳鹿民等編著.ADAMS2005機械優(yōu)化設(shè)計

高級應(yīng)用實例.北京：機械工業(yè)出版社，2006

本門課教學(xué)內(nèi)容

/弟r/r一洪'44-仿真技術(shù)概述及ADAMS仿真軟件

/弟r/r一洪'44-ADAMS軟件仿真虛擬樣機的模型建立

/r/r■■、II

弟二洪虛擬樣機的連接與載荷的施加及修改

第四講虛擬樣機測量與仿真及仿真后處理

/弟r/r五-7-洪JJ-ADAMS軟件在工程機械仿真中的應(yīng)用

第一講仿真技術(shù)概述及

ADAMS仿真軟件

概述

二、ADAMS簡介

ADAMS仿真技術(shù)理論基礎(chǔ)

四、ADAMS基本操作

五、ADAMS仿真環(huán)境設(shè)置

1-1概述

1.計算機仿真技術(shù)的含義

計算機仿真技術(shù)(ComputerImationTechnology)

又稱虛擬樣機技術(shù)(VirtualPrototypeTechnology)

是國際上20世紀80年代隨著計算機技術(shù)的發(fā)展

而迅速發(fā)展起來的一項計算機輔助工程(CAE)

技術(shù)。

設(shè)計人員在計算機上建立樣機模型，對模型進行各

種動態(tài)性能分析，然后改進樣機設(shè)計方案，用數(shù)字化形

式代替?zhèn)鹘y(tǒng)的實物樣機實驗的一門技術(shù)。

仿真就是采用模型來再現(xiàn)真實情況。模型就是系

統(tǒng)、過程或現(xiàn)象的物理、數(shù)學(xué)或其它邏輯的表達

研究對象：機械系統(tǒng)的仿真。

仿真的內(nèi)容:機械系統(tǒng)的運動仿真、動力學(xué)仿真、

靜力學(xué)仿真等。

仿真的實現(xiàn)：目前有采用模型與仿真用計算

機程序開發(fā)使用；也有采用現(xiàn)有軟件實現(xiàn)的。

仿真意義：

復(fù)看二品開發(fā)，避免測試實驗失敗帶來的損失；

縮短開發(fā)周期，提高效率；

改進質(zhì)量，自動進行大量重復(fù)測試實驗；

降低成本，仿真過程中對模型進行驗證和確認

仿真存在的問題：

仿真信息的有用性，實用性。

仿真規(guī)劃：

仿真之前，要進行規(guī)劃，明確目標,

1.要仿真什么

2.仿真精確度

3.仿真結(jié)果數(shù)據(jù)輸出內(nèi)容與形式等。

仿真技術(shù)的研究對象是機械系統(tǒng)。

機械系統(tǒng)可以視為是由多個相互連接，彼此能

夠相對運動的構(gòu)件的組合。

結(jié)構(gòu)和機構(gòu)

結(jié)構(gòu)：特征是正常的工況下沒有相對運動

機構(gòu)：特征是系統(tǒng)在運動過程中部件間存在相對運動

在機械系統(tǒng)設(shè)計中有3種性質(zhì)不同的分析：

(1)機械系統(tǒng)的靜力學(xué)分析：

在一定條件下，機械系統(tǒng)變成一個剛性系統(tǒng)，

系統(tǒng)中的各構(gòu)件之間沒有相對運動，此時主要

是分析在各種力的作用下，各構(gòu)件的受力和強

度問題。

(2)機械系統(tǒng)的運動學(xué)分析

主要涉及系統(tǒng)及其各構(gòu)件的運動分析，而與引起運動

的力無關(guān)。運動學(xué)分析中，系統(tǒng)中一個或多個構(gòu)件的

位置或相對位置與時間的關(guān)系是規(guī)定好的，其余構(gòu)件

的位置，速度和加速度與時間的關(guān)系，可以通過求解

位置的非線性方程組和速度，加速度的非線性方程組

來確定。

(3)機械系統(tǒng)的動力學(xué)分析

主要涉及由外力作用引起的系統(tǒng)運動分析，有兩種情

況：一種是確定與時間無關(guān)的力作用下系統(tǒng)的平衡位

置。在外力作用下系統(tǒng)的運動與動力學(xué)關(guān)系式相一致,

這些關(guān)系是通過連接系統(tǒng)構(gòu)件的運動副施加給系統(tǒng)。

可以運用動力學(xué)方程或微分方程與代數(shù)方程的組合求

解，確定系統(tǒng)的運動。另一種情況是運動學(xué)分析和動

力學(xué)分析的混合形式。

機械計算機仿真技術(shù)是機械系統(tǒng)的一種現(xiàn)代設(shè)

計分析方法，它與傳統(tǒng)的設(shè)計分析方法比較：

產(chǎn)品I

傳統(tǒng)設(shè)計流程計算機仿真

技術(shù)流程

機械系統(tǒng)仿真技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用

機械計算機仿真技術(shù)實現(xiàn)必須具備：CAD圖形學(xué)、幾何

造型技術(shù)以及工程數(shù)據(jù)處理技術(shù)以及計算力學(xué)等知識。

20世紀60年代，古典的剛體力學(xué)、分析力學(xué)與計算機

相結(jié)合的力學(xué)分支——多體系統(tǒng)動力學(xué)在社會生產(chǎn)實

際需要的推動下產(chǎn)生了。其主要任務(wù)：1、建立系統(tǒng)運

動學(xué)和動力學(xué)的數(shù)學(xué)模型，開發(fā)數(shù)學(xué)模型的軟件；2、

開發(fā)實現(xiàn)處理數(shù)學(xué)模型的計算方法，自動得到運動學(xué)

和藥力羋的相應(yīng)規(guī)律；3、實現(xiàn)有效的數(shù)據(jù)處理，采用

動畫顯示。

機械仿真技術(shù)的核心是機械系統(tǒng)的運動學(xué)和動力

學(xué)、控制理論，沒有成熟的計算機圖形技術(shù)和基

于圖形的用戶界面，仿真技術(shù)也不能成熟發(fā)展，

所以仿真技術(shù)的發(fā)展與計算機輔助設(shè)計CAD技術(shù)

的成熟發(fā)展而發(fā)展的。

機械仿真技術(shù)的發(fā)展對計算機硬件的依賴也是比

較明顯的，例如，火星探測器的動力學(xué)及控制系

統(tǒng)模擬在惠普工作站上進行，CPU時間750h

總之，機械仿真技術(shù)是許多技術(shù)的綜合。它的核心

部分是多體系統(tǒng)動力學(xué)和運動學(xué)建模理論及其技術(shù)的實

現(xiàn)。

目前有20多家公司，比較有影響的有美國機械動

力學(xué)公司(MechanicalDynamicsInc.)的ADAMS,比

利時的LMS公司的DADS以及德國的SIMPACK。其中美國

的ADAMS占據(jù)市場的50%。

?應(yīng)用：汽車制造業(yè)、工程機械、航空航天、國防以

及通用抗械。

?工程機械在高速和重載下出現(xiàn)蛇形現(xiàn)象和自己振動,

由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，傳統(tǒng)設(shè)計分析方法找不到原因。

?保齡球的形狀:一家保齡球制造商采用虛擬樣機技

術(shù)，在計算機上改變球的幾何形狀及指孔分布進行動

力學(xué)仿真，不僅縮短制造周期，減少成本，而且實現(xiàn)

了精確達到使用者的要求。

?虛擬樣機技術(shù)還用到法庭上。

飛機制造業(yè)對虛擬樣機的需求最為迫切。

虛擬技術(shù)是一門新興技術(shù)，它有著關(guān)闊的發(fā)展前

景及市場?，F(xiàn)在世界上主要汽車制造商都在使用ADAMS

數(shù)值化虛擬樣機軟件，可模擬人以運動零部件，即修

改驗證懸架、輪胎、轉(zhuǎn)向器、車窗門窗、刮雨器等方

案設(shè)計，甚至整車駕駛，駕駛員在各種工況下的模擬

駕駛等。

本課程的任務(wù)與目的

機械系統(tǒng)計算機仿真技術(shù)是一種現(xiàn)代設(shè)計理論與方法。

基礎(chǔ)：(1)機械系統(tǒng)運動學(xué)、動力學(xué)、機械原

理與零件、機械設(shè)計

(2)機械三維造型

該課程的主要任務(wù)與目的：

①通過ADAMS軟件了解和基本掌握機械系

統(tǒng)仿真技術(shù)的基本理論知識、過程和方法，即

掌握仿真這種現(xiàn)代設(shè)計方法；

②擴大視野，利用現(xiàn)有仿真軟件ADAMS,

初步具有應(yīng)用計算機仿真技術(shù)的基本理論和基

本方法解決簡單工程實際問題的素質(zhì)。

1-2ADAMS軟件簡介

機械系統(tǒng)動力學(xué)自動分析軟件ADAMS

(AutomaticDynamicAnalysisofMechanical

system)是美國MDI公司(MechanicalDynamics

Inc.)開發(fā)的非常指明的虛擬樣機分析軟件。

ADAMS一方面是虛擬樣機分析的應(yīng)用軟件，用

戶可以運用該軟件非常方便的對虛擬機械系統(tǒng)進

行靜力學(xué)、運動學(xué)和動力學(xué)分析。另一方面，又

是虛擬樣機分析開發(fā)工具，其開放性的程序結(jié)構(gòu)

和多種接口，可以成為特殊行業(yè)用戶進行特殊類

型虛擬樣機分析的二次開發(fā)工具平臺。

ADAMS軟件包

ADAMS軟件包括3個最基本的解題程序模塊ADAMS/View

（基本環(huán)境）、ADAMS/solver（求解器）和

ADAMS/Postprocessor（后處理）。另外還有一些特殊場合

應(yīng)用的附加程序模塊，例如：ADAMS/Car（轎車模塊）、

ADAMS/Rail（機車模塊）、ADAMS/Driver（駕駛員模

塊）、ADAMS/Tire（輪胎模塊）、ADAMS/Linear（線性

模塊）、ADAMS/Flex（模性柔性）ADAMS/Control（控

制模塊）、ADAMS/FEA（有限元模塊）、

ADAMS/Hydraulics（液壓模塊）、ADAMS/Exchange（接

口模塊）、Mechanism/Pro（與Pro/Engineer的接口模塊）、

ADAMS/Animation（高速動畫模塊）等。

ADAMS/View軟件包

在3個基本程序中，ADAMS/View提供了一個直

接面向用戶的基本操作對話環(huán)境和虛擬樣機分

析的前處理功能，其中包括樣機的建模和各種

建模工具、樣機模型數(shù)據(jù)的輸入與編輯、與求

解器和后處理等程序的自動連接，虛擬樣機分

析參數(shù)的設(shè)置，各種數(shù)據(jù)的輸入與輸出，同其

他應(yīng)用程序的接口等。

ADAMS/Solver軟件包

是求解機械系統(tǒng)運動和動力學(xué)問題的程序的求解

器。完成樣機分析的準備工作后，ADAMS/View程

序可以自動的調(diào)用ADAMS/Solver模塊，求解樣機模

型的靜力學(xué)，運動學(xué)或動力學(xué)的問題，完成仿真分

析以后再自動返回ADAMS/View操作界面。因此，

一般用戶可以將ADAMS/Solver的操作視為一個"黑

匣子”，只需熟悉ADAMS/View的操作，即可完成

建模和整個分析過程。

ADAMS/PostProcesso后處理模塊

ADAMS仿真分析結(jié)果的后處理，可以通過調(diào)用

后處理模塊ADAMS/PostProcessor來完成。

ADAMS/PostProcessor模塊具有相當強的后處

理功能，它可以回放仿真結(jié)果，也可以繪制各

種分析曲線。除了可以直接繪制仿真結(jié)果曲線

以外,ADAMS/PostProcessor還可以對仿真分析

曲線進行一些數(shù)學(xué)和統(tǒng)計計算；可以輸入實驗

數(shù)據(jù)繪制試驗曲線，并同仿真結(jié)果進行比較；

可以進行分析結(jié)果曲線圖的各種編輯。

本課將主要介紹ADAMS/View前

ADAMS/PostProcessor的操作。

ADAMS軟件在機械系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)幾個應(yīng)用

1、概念設(shè)計

在設(shè)計的初始階段，工程師需要利用設(shè)計自動化工具初

進行不同的初始設(shè)計，并在計算機上表示出模型樣

機，這樣可以方便的監(jiān)測、研究與改進。在這個階段主

要是建立初始的模型樣機，可以采用各種CAD軟件，利

用ADAMS/EXCHANGE轉(zhuǎn)化，輸入到ADAMS軟件中；

也可以直接利用ADAMS本身的建模工具。

2、設(shè)計細化

一旦系統(tǒng)的初始模型樣機被建成，簡單的運動特性

測試后，系統(tǒng)及其零部件的設(shè)計就可細化、改進。

此時用戶可以在ADAMS中或輸入到其它CAD軟件中,

建立更精確的模型樣機，計算分析其工作性能。

3、設(shè)計驗證

在一個具體的產(chǎn)品樣機未建成前，設(shè)計檢查方

案很重要，通過各種輸入，觀察其設(shè)計的一系列運

動過程，以避免以后重新設(shè)計而增加成本，帶來煩

惱。

4、試驗規(guī)劃

設(shè)計人員為證明設(shè)計合理，需要花費很大時間進

行試驗驗證。ADAMS在建立物理樣機前，就可以準

確地告訴用戶測試的結(jié)果和工作特性。

5、工作狀態(tài)再現(xiàn)

ADAMS同樣可進行故障診斷。例如在產(chǎn)品售出后出

現(xiàn)故障，部件失靈等現(xiàn)象時，ADAMS可形象化的進

行故障再現(xiàn)，以判斷故障出現(xiàn)的原因。

1-3ADAMS仿真技術(shù)理論基礎(chǔ)

一、機械系統(tǒng)的組成

機械系統(tǒng)是機器和機構(gòu)的總稱，它由許多

構(gòu)件和零件組成。

零件

是組成機器的最小單元。若將一部機器進行拆卸,

拆到不可再拆的最小單元就是零件。從制造工藝

角度看，零件也是加工的最小單元。

構(gòu)件

通常是由若干零件組成的。構(gòu)件是由若干零件

組成的一個剛性系統(tǒng)，是機械系統(tǒng)運動的最小

單元。當然構(gòu)件也可以僅由一個零件組成。

機構(gòu)

由兩個以上具有相對運動的構(gòu)件系統(tǒng)組成的,

機構(gòu)的作用在于傳遞運動或改變運動的形式。

機器

由若干機構(gòu)組成的系統(tǒng)。

在機構(gòu)中，每一個構(gòu)件都以一定的方式與其

它構(gòu)件相互連接。相互連接的兩構(gòu)件既保持

直接接觸，又能產(chǎn)生一定的相對運動。我們

把兩構(gòu)件直接接觸而又能產(chǎn)生一定形式的相

對運動的連接稱為運動副O(jiān)

將機構(gòu)和機器統(tǒng)稱為機械系統(tǒng)或樣機,而機

械系統(tǒng)或樣機是由若干個構(gòu)件通過不同的運

動副相互連接組成的。

二、參考機架

在計算一個系統(tǒng)及其構(gòu)件的度和加速度時，需

要指定參考機架，作為速度和加速度的參考坐

標系。在機械系統(tǒng)的運動分析過程中，有兩種

類型的參考機架：地面參考機架和構(gòu)件參考機

架。

地面參考機架

是一個單獨的牛頓慣性參考系，它固定在一個

“絕對靜止”的空間中。通過地面參考機架建

立機械系統(tǒng)的“絕對靜止”參考體系，屬于地

面框架上的任何一點的速度和加速度均為零。

對于大多數(shù)問題，可以將地球視為牛頓參考機

架，雖然地球是繞著太陽旋轉(zhuǎn)而且地球還有自

■■■■■■■■■■■■■■■■■■■

構(gòu)件參考機架

對于每一個剛性體都有一個參考機架，稱為構(gòu)

件參考機架，剛性體上的各點相對于該構(gòu)件參

考機架是靜止的。

二、坐標系

機械系統(tǒng)的坐標系廣泛采用直角坐標系，直角坐

標系由1個原點和3個相互垂直的單位坐標矢量組

成，常用的笛卡爾坐標系就是一個采用右手規(guī)則

的直角坐標系。運動學(xué)和動力學(xué)的所有矢量均可

以用沿3個單位坐標矢量的分量來表示。

坐標系可以固定在一個參考機架上，也可以相對

于參考機架而運動。合理地設(shè)置坐標系可以簡化

機械系統(tǒng)的運動分析。在機械系統(tǒng)的運動分析中,

經(jīng)常使用3種坐標系。

1）地面坐標系。地面坐標系又稱為靜坐標系，

是固定在地面機架上的坐標系。在機械系統(tǒng)運

動分析中，所有構(gòu)件的位置、方向和速度都用

地面坐標系表示。

2）構(gòu)件機架坐標系構(gòu)件機架實際上是一個坐

標系，這個坐標系固定在構(gòu)件上隨構(gòu)件運動。每

個構(gòu)件都有一個構(gòu)件機架坐標，可以通過確定構(gòu)

件機架坐標系在地面坐標系的位置和方向，來確

定一個構(gòu)件的位置和方向。在軟件中，構(gòu)件機架

坐標系是構(gòu)造各種不同構(gòu)件的參考坐標系。在工

程中，可以將構(gòu)件機架坐標系視為繪圖板坐標系,

工程師在此坐標系下繪制零件或構(gòu)件。

3）標記坐標系。標記坐標系又稱為標記，是為

了簡化建模和分析在構(gòu)件上設(shè)立的輔助坐標系，

有兩種類型的標記坐標系：固定標記和浮動標

記。

固定標記固定在構(gòu)件上，并隨構(gòu)件運動?？梢酝?/p>

過固定標記在構(gòu)件機架坐標系的位置和方向，確

定固定標記坐標的位置和方向。固定標記可以用

來定義構(gòu)件的形狀、質(zhì)心位置、作用力和反作用

力的作用點、構(gòu)件之間的連接位置等。

浮動標記相對于構(gòu)件運動，在機械系統(tǒng)的運動

分析過程中，有些力和約束需要使用浮動標記

來定位。

四、機械系統(tǒng)的自由度

機械系統(tǒng)的自由度表示機械系統(tǒng)中各構(gòu)件相

對于地面機架所具有的獨立運動數(shù)量。

機械系統(tǒng)的自由度與構(gòu)成機械的構(gòu)件數(shù)量、

運動副的類型和數(shù)量、原動機的類型和數(shù)量、

以及其他約束條件有關(guān)。

機械系統(tǒng)的自由度F和原動機的數(shù)量與機械

系統(tǒng)的運動特性有著密切的關(guān)系：

當Fv=O且時，機械系統(tǒng)蛻變成剛性系

統(tǒng)，構(gòu)件之間沒有相對運動。

當F=0且時，機械系統(tǒng)具有確定的運動。

當FvO且時，表示在一個剛性機械

系統(tǒng)中設(shè)置有原動機，此時原動機

將無法運動，或者機械系統(tǒng)將在薄

弱處遭到破壞。

當F>0時，機械系統(tǒng)沒有確定的相對運

動，此時機械系統(tǒng)在阻力約束條件下,

按牛頓定律，向阻力最小的方向運動。

五、位移、速度、加速度表示

1、點在參考坐標系中位置表示:

r=r()+As=r0+Aos

r"=%+M

2、剛體運動方程

T?—?!—I?TI，1(,*I

5rmr-F+5n\JG'+coJco-n\=0

L4、ADAMS基本操作

l、ADAMSWiew安裝、界面與組成

2.ADAMS\View啟動、關(guān)閉

f3.文件新建、保存與退出

啟動ADAMS后顯示窗口

打開已有創(chuàng)建新

數(shù)據(jù)庫文件

Hofvouldyouliketopi^ed?

'?Createanewmodel

Openanexistingdatabas.輸入一

Importafile文件MSC.ADAMS'

退出

開始

Modelnamemodel」

文件

GravityEarthNormal(-GlobalY)▼

UnitsMMKS-mm,kgNs.deg▼

MSCXSOFTWARE.

lULitr重力

OK

單位度

ADAMSWiew啟動、關(guān)閉、保存與退出

—,

V&cning5

為Databasehaschanged.Doyouwanttosavedatabaseas'model_1'beforeproceeding?

Cancel

保

不

取

存

保

消

退

存

操

出

退

作

L5ADAMS仿真環(huán)境設(shè)置

包括：

坐標設(shè)置柵格設(shè)置單位設(shè)置

坐標窗口顯示

視圖顯示視窗設(shè)置圖標設(shè)置等

坐標設(shè)置

柵格設(shè)置總開關(guān)

歹ShowWorkingGridEI坐標形式

(?Rectangular「Polar

X

Size750mm|(500mm)柵格范圍和大小設(shè)置

p50mm)-p50mm)

Spacing

ColorWeight

DotsContrast▼FT柵格類型、坐標軸設(shè)置