第五章 虚拟样机技术与应用

1、12022年3月26日第五章第五章 虚拟样机技术与应用虚拟样机技术与应用22022年3月26日o概述概述o虚拟样机技术的形成、发展和应用虚拟样机技术的形成、发展和应用o一阶直线倒立摆的虚拟样机一阶直线倒立摆的虚拟样机o问题与探究问题与探究“球棒球棒”系统的虚拟样机研究系统的虚拟样机研究 32022年3月26日概述o虚拟样机中的关键技术虚拟样机中的关键技术o虚拟样机技术中的几个概念虚拟样机技术中的几个概念o虚拟样机中的相关技术虚拟样机中的相关技术42022年3月26日o工程案例工程案例1：火星车：火星车概述勇气号虚拟样机勇气号虚拟样机 勇气号物理样机勇气号物理样机 52022年3月26日概述o工

2、程案例工程案例1：基于虚拟样机的汽车试验基于虚拟样机的汽车试验 62022年3月26日概述o工程案例工程案例3：铣刀片的应力场分析铣刀片的应力场分析 72022年3月26日概述o利用软件建立机械系统的三维实体模型和动力学模型，分析和利用软件建立机械系统的三维实体模型和动力学模型，分析和评估系统的性能，从而为物理样机的设计和制造提供依据。评估系统的性能，从而为物理样机的设计和制造提供依据。o虚拟样机技术是一种基于虚拟的数字化设计方法，是各领域虚拟样机技术是一种基于虚拟的数字化设计方法，是各领域CAX/DFX技术的发展和延伸。技术的发展和延伸。o进一步融合先进的建模与仿真技术、现代信息技术、先进设

3、计进一步融合先进的建模与仿真技术、现代信息技术、先进设计制造技术和现代管理技术，将这些技术应用于复杂产品全生命制造技术和现代管理技术，将这些技术应用于复杂产品全生命周期、全系统，并对它们进行综合管理。周期、全系统，并对它们进行综合管理。o虚拟样机技术强调系统的观点、涉及产品全生命周期、支持对虚拟样机技术强调系统的观点、涉及产品全生命周期、支持对产品的全方位测试、分析与评估，强调不同领域的虚拟化的协产品的全方位测试、分析与评估，强调不同领域的虚拟化的协同设计。同设计。82022年3月26日概述o虚拟样机中的关键技术虚拟样机中的关键技术 虚拟样机技术的实施是一个渐进的过程，其中涉及到许虚拟样机技术

4、的实施是一个渐进的过程，其中涉及到许多相关技术，如总体技术、多领域协同建模多相关技术，如总体技术、多领域协同建模/仿真仿真/评估技评估技术、数据术、数据/过程管理技术、支撑框架技术等等。下面主要提过程管理技术、支撑框架技术等等。下面主要提及三个关键技术及三个关键技术 n虚拟样机管理技术 n协同仿真技术 n多学科设计优化技术（MDO） 92022年3月26日虚拟样机管理技术o虚拟样机开发过程中涉及到大量的人员、工具、虚拟样机开发过程中涉及到大量的人员、工具、数据数据/模型、项目模型、项目/流程，对这些元素进行合理流程，对这些元素进行合理的组织和管理，使其构成一个高效的系统，实的组织和管理，使其构

5、成一个高效的系统，实现整个开发过程中的信息集成和过程集成，是现整个开发过程中的信息集成和过程集成，是优质成功的进行虚拟样机开发的必要条件。优质成功的进行虚拟样机开发的必要条件。102022年3月26日协同仿真技术o协同仿真技术将面向不同学科的仿真工具结合协同仿真技术将面向不同学科的仿真工具结合起来构成统一的仿真系统，可以充分发挥仿真起来构成统一的仿真系统，可以充分发挥仿真工具各自的优势，同时还可以加强不同领域开工具各自的优势，同时还可以加强不同领域开发人员之间的协调与合作。目前发人员之间的协调与合作。目前HLA规范已经规范已经成为协同仿真的重要国际标准。基于成为协同仿真的重要国际标准。基于HL

6、A的协的协同仿真技术也将会成为虚拟样机技术的研究热同仿真技术也将会成为虚拟样机技术的研究热点之一。点之一。 112022年3月26日多学科设计优化技术（MDO） o复杂产品的设计优化问题可能包括多个优化目标和复杂产品的设计优化问题可能包括多个优化目标和分属不同学科的约束条件。现代的分属不同学科的约束条件。现代的MDO技术为解决技术为解决学科间的冲突，寻求系统的全局最优解提供了可行学科间的冲突，寻求系统的全局最优解提供了可行的技术途径。目前的技术途径。目前MDO技术在国外已经有了许多成技术在国外已经有了许多成功的案例，并出现了相关的商用软件，典型的如功的案例，并出现了相关的商用软件，典型的如En

7、gineous公司的公司的iSIGHT。国内关于。国内关于MDO技术的研技术的研究和应用也已经展开。究和应用也已经展开。 122022年3月26日概述o虚拟样机技术中的几个概念虚拟样机技术中的几个概念n虚拟样机技术是一种数字仿真技术，它能有效降低研发成本。n虚拟样机技术是从分析解决产品整体性能及其相关问题的角度出发，解决传统的设计与制造过程弊端的高新技术。 n虚拟样机技术的应用是产品设计的重要组成部分。132022年3月26日概述o虚拟样机中的相关技术虚拟样机中的相关技术 n几何形体的计算机辅助设计(CAD)软件和技术 。n有限元分析(FEA)软件和技术 。n模拟各种各样作用力的软件编程技术

8、。n利用实验装置的实验结果进行某些构件的建模n控制系统设计与分析软件和技术 n优化分析软件和技术 142022年3月26日虚拟样机技术的形成、发展和应用o虚拟样机技术的形成与发展虚拟样机技术的形成与发展o虚拟样机技术的工程应用虚拟样机技术的工程应用oADAMS工具软件简介工具软件简介152022年3月26日虚拟样机技术的形成、发展和应用o虚拟样机技术的形成与发展虚拟样机技术的形成与发展n虚拟样机技术的形成：源于对多体系统动力学的研究 162022年3月26日虚拟样机技术的形成、发展和应用o虚拟样机技术的形成与发展虚拟样机技术的形成与发展n虚拟样机技术的发展过程 o虚拟样机技术是许多技术的综合。

9、o核心部分是多体系统运动学与动力学建模理论及其技术实现。数值算法及时地提供了求解这种问题的有效的快速算法。o计算机可视化技术及动画技术的发展为这项技术提供了友好的用户界面。oCAD/FEA技术的发展为虚拟样机技术的应用提供了技术环境。o虚拟样机技术已成为一项相对独立的产业技术，它改变了传统的设计思想对制造业产生了深远的影响。172022年3月26日虚拟样机技术的形成、发展和应用o虚拟样机技术的工程应用虚拟样机技术的工程应用n虚拟样机技术在工程中的应用是通过界面友好、功能强大、性能稳定的商品化虚拟样机软件实现的。n美国机械动力学公司(Mechanical Dynamics Inc.)的ADAMS

10、，比利时LMS公司的DADS以及德国航天局的SIMPACK。其中美国机械动力学公司的ADAMS占据了市场的50%以上。n目前虚拟样机技术已经广泛地应用到：汽车制造业、工程机械、航天航空业、国防工业及通用机械制造业等领域。n所涉及的产品从庞大的卡车到照相机的快门，上天的火箭到轮船的锚链。n在各个领域里，针对各种产品，虚拟样机技术都为用户节省了开支、时间并提供了满意的设计方案。182022年3月26日虚拟样机技术的形成、发展和应用o虚拟样机技术的工程应用虚拟样机技术的工程应用n实例一：工程机械领域的应用。192022年3月26日虚拟样机技术的形成、发展和应用o实例二：产品研发中的应用实例二：产品研

11、发中的应用 保龄球的外形研发保龄球的外形研发 202022年3月26日虚拟样机技术的形成、发展和应用o实例三：产品的动力学分析实例三：产品的动力学分析 212022年3月26日虚拟样机技术的形成、发展和应用o实例四：车辆肇事仿真实例四：车辆肇事仿真222022年3月26日虚拟样机技术的形成、发展和应用o实例五：机械系统的参数优化设计实例五：机械系统的参数优化设计 洗衣机洗衣机的振动模拟的振动模拟232022年3月26日虚拟样机技术的形成、发展和应用o实例六：飞行器设计实例六：飞行器设计 飞行模拟飞行模拟 242022年3月26日虚拟样机技术的形成、发展和应用oADAMS工具软件简介工具软件简介

12、 252022年3月26日ADAMS工具软件简介oADAMS软件的特点软件的特点 n利用交互式图形环境和零件、约束、力库建立机械系统三维参数化模型。n分析类型包括运动学、静力学和准静力学分析，以及线性和非线性动力学分析，包含刚体和柔性体分析。n具有先进的数值分析技术和强有力的求解器，使求解快速、准确。n具有组装、分析和动态显示不同模型或同一个模型在某一个过程变化的能力，提供多种“虚拟样机”方案。n具有一个强大的函数库供用户自定义力和运动发生器。n具有开放式结构，允许用户集成自己的子程序。n自动输出位移、速度、加速度和反作用力，仿真结果显示为动画和曲线图形。n可预测机械系统的性能、运动范围、碰撞

13、、包装、峰值载荷和计算有限元的输入载荷n支持同大多数CAD、FEA和控制设计软件包之间的双向通讯。262022年3月26日ADAMS工具软件简介oADAMS软件的应用软件的应用 272022年3月26日ADAMS工具软件简介oADAMS的工具模块的工具模块 282022年3月26日一阶直线倒立摆的虚拟样机一阶直线倒立摆的虚拟样机 o问题提出问题提出 o虚拟样机制作虚拟样机制作 o虚拟样机的动态仿真实验虚拟样机的动态仿真实验 292022年3月26日问题提出o倒立摆系统仿真与实物控制实验是控制领域中用来检验某种倒立摆系统仿真与实物控制实验是控制领域中用来检验某种控制理论或方法的典型方案。控制理论

14、或方法的典型方案。o它对一类不稳定系统的控制以及对于深入理解反馈控制理论它对一类不稳定系统的控制以及对于深入理解反馈控制理论具有重要的意义。具有重要的意义。o对倒立摆的研究最初始于二十世纪对倒立摆的研究最初始于二十世纪50年代，麻省理工学院年代，麻省理工学院（MIT）的控制论专家根据火箭发射助推器原理设计出一级）的控制论专家根据火箭发射助推器原理设计出一级倒立摆实验设备，而后世界各国都将一阶倒立摆控制作为验倒立摆实验设备，而后世界各国都将一阶倒立摆控制作为验证某种控制理论或方法的典型方案。证某种控制理论或方法的典型方案。 302022年3月26日问题提出o倒立摆系统的控制方法在军工、航天、机器

15、人倒立摆系统的控制方法在军工、航天、机器人等领域和一般工业过程中都有着广泛的用途等领域和一般工业过程中都有着广泛的用途312022年3月26日虚拟样机制作 o一阶倒立摆的形态一阶倒立摆的形态 n为了制作出一阶倒立摆系统的虚拟样机，首先需要对倒立摆的各项技术功能结构进行分解，并将这些结构归纳为一定的单一形体 322022年3月26日虚拟样机制作o进一步分析，将倒立摆本体的伺服电机，底座，进一步分析，将倒立摆本体的伺服电机，底座，护板，摆杆和小车几个部分赋予几何形态，并护板，摆杆和小车几个部分赋予几何形态，并按照对称与均衡的规律进行了组合按照对称与均衡的规律进行了组合 332022年3月26日虚拟

16、样机制作o单元设计单元设计 342022年3月26日虚拟样机制作o 系统总装系统总装 352022年3月26日虚拟样机制作o 虚拟样机的动态仿真实验虚拟样机的动态仿真实验 n经过以上过程，我们就建立了一阶倒立摆系统的虚拟样机模型，接下来我们将该虚拟样机模型导入ADAMS中进行机械动力学仿真 362022年3月26日问题与探究“球棒球棒”系统的虚拟样机研究系统的虚拟样机研究 o问题提出问题提出 o基于基于ADAMS/MATLAB的联合仿真技术的联合仿真技术o问题探究问题探究 372022年3月26日问题与探究“球棒球棒”系统的虚拟样机研究系统的虚拟样机研究o问题提出问题提出n由刚性球和连杆臂构成

17、的球棒系统,连杆在驱动力矩作用下绕轴心O点做旋转运动。连杆的转角和刚性球在连杆上的位置分别用、L表示,刚性球的半径为R 。当小球转动时，球的移动和棒的转动构成复合运动。 382022年3月26日问题与探究“球棒球棒”系统的虚拟样机研究系统的虚拟样机研究o基于基于ADAMS/MATLAB的联合仿真技术的联合仿真技术o技术描述技术描述 n通过建立该球棒系统的通过建立该球棒系统的ADAMS模型，可得到一个近似的虚拟实物模模型，可得到一个近似的虚拟实物模型，其可以最大限度的模拟球棒系统真实的运动情况。型，其可以最大限度的模拟球棒系统真实的运动情况。nMATLAB仿真是建立在数学模型的基础上的，其动态性

18、能都是经过计仿真是建立在数学模型的基础上的，其动态性能都是经过计算得来的；算得来的；ADAMS建立的系统模型，相当于建立的系统模型，相当于“虚拟样机虚拟样机”。nADAMS/Control可以将可以将ADAMS的机械系统模型与控制系统应用软件的机械系统模型与控制系统应用软件(如如MATLAB、EASY5或者或者MATRIX)连接起来，实现在控制系统软件连接起来，实现在控制系统软件环境下进行交互式仿真，还可以在环境下进行交互式仿真，还可以在ADAMS中观察仿真结果。中观察仿真结果。n将两种软件联合起来使用不仅可以验证动力学模型的准确性及控制策将两种软件联合起来使用不仅可以验证动力学模型的准确性及

19、控制策略实用性，还可以得到更加接近实际情况的仿真结果，并进行分析，略实用性，还可以得到更加接近实际情况的仿真结果，并进行分析，进一步改善控制策略的稳定性。进一步改善控制策略的稳定性。392022年3月26日问题与探究“球棒球棒”系统的虚拟样机研究系统的虚拟样机研究o仿真方法及其步骤仿真方法及其步骤n在使用在使用ADAMS/ControlADAMS/Control模块以前，机械设计师和控制工程师使用不同模块以前，机械设计师和控制工程师使用不同的软件对同一概念设计进行重复建模，并且进行不同的设计验证和的软件对同一概念设计进行重复建模，并且进行不同的设计验证和实验，然后制造物理样机。一旦出现问题，不

20、管是机械系统的故障实验，然后制造物理样机。一旦出现问题，不管是机械系统的故障还是控制系统的故障两方都要重新设计还是控制系统的故障两方都要重新设计402022年3月26日问题与探究“球棒球棒”系统的虚拟样机研究系统的虚拟样机研究o使用使用ADAMS/Control模块，机械设计师和控制工程师可以共享同一模块，机械设计师和控制工程师可以共享同一个虚拟模型，进行同样的设计验证和实验，使机械系统设计和控制系统个虚拟模型，进行同样的设计验证和实验，使机械系统设计和控制系统设计能够协调一致，并且可以设计复杂模型，包括非线性模型和非刚体设计能够协调一致，并且可以设计复杂模型，包括非线性模型和非刚体模型。既节约了设计时间，又增加了设计的可靠性。模型。既节约了设计时间，又增加了设计的可靠性。412022年3月26日问题与探究“球棒球棒”系统的虚拟样机研究系统的虚拟样机研究oADAMS/Control控制控制系统设计主要有以下四系统设计主要有以下四个步骤个步骤 422022年3月26日问题与探究“球棒球棒”系统的虚拟样机研究系统的虚拟样机研究o球棒系统的联合仿真实验球棒系统的联合仿真实验 n在ADAMS中建立球棒系统动力学模型 432022年3月26日问题与探究“球