机电产品虚拟设计与仿真 2

1、目录目录 第一部分第一部分 虚拟样机技术简介虚拟样机技术简介 第二部分第二部分 机械系统动力学分析与仿真机械系统动力学分析与仿真 多体系统动力学多体系统动力学 计算多体系统动力学计算多体系统动力学 第三部分第三部分 ADAMS ADAMS软件简介软件简介 ADAMS软件案例分析软件案例分析第一部分第一部分 虚拟样机技术简介虚拟样机技术简介 产品开发流程产品开发流程对比对比n大大减少大大减少 “设计设计- 样机样机 - 试验试验 - 改进改进 ”循环所需时间循环所需时间 n提高产品质量提高产品质量n降低成本降低成本第一部分第一部分 虚拟样机技术简介虚拟样机技术简介 虚拟样机技术虚拟样机技术 面向

2、系统级设计的、应用于基于仿真设计过程的面向系统级设计的、应用于基于仿真设计过程的技术，包含技术，包含数字化物理样机数字化物理样机(Digital Mock-up)、功能虚拟样机功能虚拟样机(Functional Virtual Prototyping)、和、和虚拟工厂仿真虚拟工厂仿真(Virtual Factory Simulation) 数字化物理样机对应于产品的装配过程（数字化物理样机对应于产品的装配过程（装配性装配性能能）、功能虚拟样机对应于产品分析过程（）、功能虚拟样机对应于产品分析过程（功能功能性能性能）、虚拟工厂仿真对应于产品制造过程（）、虚拟工厂仿真对应于产品制造过程（制制造性能

3、造性能）第一部分第一部分 虚拟样机技术简介虚拟样机技术简介 虚拟样机技术虚拟样机技术第一部分第一部分 虚拟样机技术简介虚拟样机技术简介 虚拟样机与传统虚拟样机与传统CAX(CAD/CAE/CAM)技术对技术对比比 虚拟样机技术是面向系统的设计虚拟样机技术是面向系统的设计/分析分析/制造，以提高制造，以提高产品产品整体整体质量和性能降低开发与制造成本为目的质量和性能降低开发与制造成本为目的 CAX技术是面向零部件的设计技术是面向零部件的设计/分析分析/制造，以提高制造，以提高零零部件部件的质量和性能为目的的质量和性能为目的第一部分第一部分 虚拟样机技术简介虚拟样机技术简介 虚拟样机与传统虚拟样机

4、与传统CAX(CAD/CAE/CAM)技术对技术对比比第一部分第一部分 虚拟样机技术简介虚拟样机技术简介 虚拟样机技术的应用虚拟样机技术的应用 在发达国家，如美国、德国、日本等得到广泛应用在发达国家，如美国、德国、日本等得到广泛应用 典型领域：汽车制造、工程机械、航空航天业、造典型领域：汽车制造、工程机械、航空航天业、造船业、机械电子工业船业、机械电子工业 典型应用案例：波音典型应用案例：波音777、火星探测器、火星探测器“探路号探路号”、Caterpillar公司利用虚拟试验设计工程机械公司利用虚拟试验设计工程机械第一部分第一部分 虚拟样机技术简介虚拟样机技术简介 虚拟样机技术的应用案例虚拟

5、样机技术的应用案例“目标是将开发时间从目标是将开发时间从60个月降为个月降为12个月，和个月，和把成本从把成本从60-70亿降为亿降为10亿美元亿美元”Boeing, Commercial Airplane Group第一部分第一部分 虚拟样机技术简介虚拟样机技术简介 虚拟样机技术的应用案例虚拟样机技术的应用案例汽车汽车机械机械铁路、工程机械铁路、工程机械航空、航天、国防航空、航天、国防第一部分第一部分 虚拟样机技术简介虚拟样机技术简介 虚拟样机技术的三个重要内容中，虚拟样机技术的三个重要内容中，“功能虚拟功能虚拟样机或数字化功能样机样机或数字化功能样机”起着重要作用起着重要作用 数字化功能样

6、机内容中，数字化功能样机内容中，机械系统动力学分析机械系统动力学分析与仿真起着重要作用与仿真起着重要作用第一部分第一部分 虚拟样机技术简介虚拟样机技术简介 功能虚拟样机实现过程功能虚拟样机实现过程NVH: Noise, Vibration, Harshness第一部分第一部分 虚拟样机技术简介虚拟样机技术简介 功能虚拟样机实现过程图示功能虚拟样机实现过程图示第一部分第一部分 虚拟样机技术简介虚拟样机技术简介 数字化功能样机数字化功能样机 (FDP-Functional Digital Prototyping)是对虚拟功能样是对虚拟功能样机技术机技术(FVP-Functional Virtual

7、 Prototyping)的扩展，的扩展，是在是在CAX技术和一般虚拟样机技术基础上发展起来，理技术和一般虚拟样机技术基础上发展起来，理论技术为论技术为计算多体系统动力学计算多体系统动力学、结构有限元理论结构有限元理论、其它其它领域物理系统建模与仿真理论领域物理系统建模与仿真理论，以及，以及多领域物理系统混多领域物理系统混合建模与仿真理论合建模与仿真理论。侧重于系统层次的性能分析与优化。侧重于系统层次的性能分析与优化，通过虚拟试验，精确、快速地预测产品系统性能。，通过虚拟试验，精确、快速地预测产品系统性能。第一部分第一部分 虚拟样机技术简介虚拟样机技术简介 数字化功能样机数字化功能样机数字化功

8、能样机内容、基础理论及支持系统数字化功能样机内容、基础理论及支持系统第一部分第一部分 虚拟样机技术简介虚拟样机技术简介 数字化功能样机数字化功能样机 发展趋势发展趋势 软件系统功能集成：同一个软件系统，基于某些相软件系统功能集成：同一个软件系统，基于某些相近的理论实现多功能的基础，如有限元软件近的理论实现多功能的基础，如有限元软件ANSYS 围绕某类产品的分析与仿真实现全分析功能的集成围绕某类产品的分析与仿真实现全分析功能的集成：如汽车开发的分析与仿真，涉及到运动特性、结：如汽车开发的分析与仿真，涉及到运动特性、结构、振动和噪声、应力疲劳、碰撞与冲击、控制、构、振动和噪声、应力疲劳、碰撞与冲击

9、、控制、电子灯特性或领域。（实现系统见前页图）电子灯特性或领域。（实现系统见前页图）第二部分第二部分 机械系统动力学分析与仿真机械系统动力学分析与仿真 多体系统动力学多体系统动力学 是机械系统动力学分析与仿真技术的理论基础是机械系统动力学分析与仿真技术的理论基础 是指系统是指是指系统是指多个物体多个物体通过通过运动副运动副连接的复杂机械系统连接的复杂机械系统 在经典刚体系统动力学的基础上，经历了在经典刚体系统动力学的基础上，经历了多刚体系统动力学多刚体系统动力学和和计算多体系统动力学计算多体系统动力学两个发展阶段两个发展阶段 根据物体的力学特性，多体系统可分为根据物体的力学特性，多体系统可分为

10、多刚体系统多刚体系统、柔性多柔性多体系统体系统和和刚柔混合多体系统刚柔混合多体系统第二部分第二部分 机械系统动力学分析与仿真机械系统动力学分析与仿真 多体系统案例多体系统案例 第二部分第二部分 机械系统动力学分析与仿真机械系统动力学分析与仿真 多体系统案例多体系统案例第二部分第二部分 机械系统动力学分析与仿真机械系统动力学分析与仿真 多体系统案例多体系统案例汽车悬挂系统，含柔性轮胎汽车悬挂系统，含柔性轮胎第二部分第二部分 机械系统动力学分析与仿真机械系统动力学分析与仿真 多体系统四要素多体系统四要素 物体物体 铰铰 外力（力偶）外力（力偶） 力元：包括弹簧、梁、衬套等力元：包括弹簧、梁、衬套等

11、 多体系统研究内容多体系统研究内容 运动学运动学：从几何角度研究物体的运动规律，如位移、速度、加速度等（不考虑从几何角度研究物体的运动规律，如位移、速度、加速度等（不考虑力和质量）力和质量） 动力学动力学：研究运动与作用力之间的关系，动力学正问题研究运动与作用力之间的关系，动力学正问题已知运动求力；动已知运动求力；动力学逆问题力学逆问题已知力求运动（考虑力和质量）已知力求运动（考虑力和质量） 静平衡静平衡：研究在与时间无关的力作用下系统的平衡位置。静平衡分析一种特殊研究在与时间无关的力作用下系统的平衡位置。静平衡分析一种特殊的动力学分析。的动力学分析。第二部分第二部分 机械系统动力学分析与仿真

12、机械系统动力学分析与仿真 计算多体系统动力学建模与求解过程计算多体系统动力学建模与求解过程 建模阶段：物理模型和数学模型建模阶段：物理模型和数学模型 求解阶段：根据情况应用求解器中的运动学、动力求解阶段：根据情况应用求解器中的运动学、动力学、静力平衡或逆向动力学分析算法，迭代求解。学、静力平衡或逆向动力学分析算法，迭代求解。第二部分第二部分 机械系统动力学分析与仿真机械系统动力学分析与仿真 计算多体系统动力学建模与求解过程计算多体系统动力学建模与求解过程 运动学运动学分析案例分析案例案例：案例：杆杆OA以角速度以角速度为为10/s 逆时针旋转逆时针旋转, 求当点求当点A 在在x =- 60,

13、y = 80 时（图示时（图示A位置）位置）, 杆杆A B 和和B C 的角速度的角速度?第二部分第二部分 机械系统动力学分析与仿真机械系统动力学分析与仿真用解析法做机构的运动学分析：复数矢量法用解析法做机构的运动学分析：复数矢量法(method of complex vector)和矩阵法和矩阵法(matrix method)复数矢量法复数矢量法1: 作出机构的封闭矢量多边形作出机构的封闭矢量多边形2：构建封闭矢量位置方程：构建封闭矢量位置方程3：将封闭矢量位置方程表达：将封闭矢量位置方程表达为复数矢量形式，推导位置方为复数矢量形式，推导位置方程式程式4：对位置方程式求导得到速：对位置方程式

14、求导得到速度方程式度方程式5：对速度方程式求导得到加：对速度方程式求导得到加速度方程式速度方程式计算过程计算过程第二部分第二部分 机械系统动力学分析与仿真机械系统动力学分析与仿真用解析法做机构的运动学分析：复数矢量法用解析法做机构的运动学分析：复数矢量法(method of complex vector)和矩阵法和矩阵法(matrix method)复数矢量法复数矢量法31 11233221 113223sin()/ sin()sin()/ sin()llll 2223tan(/ 2)()/()AABCBC1 313114222221341 412sin2 ( cos)2cosAl lBl l

15、lClllll l2222tan(/ 2)()/ ()DDEFEF1 211 212 4222212431 412sin2cos22cosDl lEl ll lFlllll l第二部分第二部分 机械系统动力学分析与仿真机械系统动力学分析与仿真 计算多体系统动力学建模与求解过程计算多体系统动力学建模与求解过程 动力学动力学分析案例分析案例求该质量块的位移、速求该质量块的位移、速度和加速度度和加速度第三部分第三部分 ADAMS ADAMS软件软件（机械系统动力学自动分析软件，（机械系统动力学自动分析软件，A Automatic utomatic D Dynamic ynamic A Analysi

16、s of nalysis of MMechanical echanical S Systemsystems）是集建）是集建模、求解、可视化技术于一体的虚拟样机软件模、求解、可视化技术于一体的虚拟样机软件, , 是目前世界上使用范围最广、最负盛名的机械是目前世界上使用范围最广、最负盛名的机械系统仿真分析软件。使用这套软件可以产生复系统仿真分析软件。使用这套软件可以产生复杂机械系统的虚拟样机杂机械系统的虚拟样机, , 真实地仿真其运动过真实地仿真其运动过程程, , 并且可以迅速地分析和比较多种参数方案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直至获得优化的工作性能第三部分第

17、三部分 ADAMS ADAMS软件的特点软件的特点利用交互式图形环境和零件库、约束库、力库建利用交互式图形环境和零件库、约束库、力库建立机械系统三维参数化模型立机械系统三维参数化模型; ;分析类型包括运动学、静力学和准静力学分析以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及线性和非线性动力学分析, , 包含刚体和柔性体分包含刚体和柔性体分析析; ;具有先进的数值分析技术和强有力的求解器具有先进的数值分析技术和强有力的求解器, , 使使求解快速、准确求解快速、准确; ;具有组装、分析和动态显示不同模型或同一个模具有组装、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

18、能力型在某一个过程变化的能力, , 提供多种提供多种“虚拟样机虚拟样机”方案方案; ;具有一个强大的函数库供用户自定义力和运动发具有一个强大的函数库供用户自定义力和运动发生器生器; ;第三部分第三部分 ADAMS ADAMS软件的特点软件的特点具有开放式结构具有开放式结构, , 允许用户集成自己的子程序允许用户集成自己的子程序; ; 自动输出位移、速度、加速度和反作用力曲线自动输出位移、速度、加速度和反作用力曲线, , 仿仿真结果显示为动画和曲线图形真结果显示为动画和曲线图形; ;可预测机械系统性能、运动范围、碰撞、包装、可预测机械系统性能、运动范围、碰撞、包装、峰值载荷以及计算有限元的输入载

19、荷峰值载荷以及计算有限元的输入载荷; ;支持同大多数支持同大多数CADCAD、FEA FEA 和控制设计软件包之间和控制设计软件包之间的双向通讯。的双向通讯。第三部分第三部分 ADAMS ADAMS软件的组成软件的组成 核心模块核心模块：用户界面（用户界面（view)，求解器（，求解器（solver）和后）和后处理（处理（PostProcessor） 功能扩展模块：试验设计与分析，振动分析，耐用性分功能扩展模块：试验设计与分析，振动分析，耐用性分析，液压系统，高速动画，系统模态分析，数字化装配析，液压系统，高速动画，系统模态分析，数字化装配回放等回放等 专业模块：轿车模块，概念化悬架模块，动力

20、传动系统专业模块：轿车模块，概念化悬架模块，动力传动系统模块，驾驶员模块，经验动力学模型，柔性体生成器模模块，驾驶员模块，经验动力学模型，柔性体生成器模块，轮胎模块，配气机构模块，铁道模块块，轮胎模块，配气机构模块，铁道模块第三部分第三部分 ADAMS ADAMS软件的组成软件的组成 工具箱：虚拟试验工具箱，钢板弹簧工具箱，软件开发工具箱：虚拟试验工具箱，钢板弹簧工具箱，软件开发工具包，履带工具包，履带/轮胎式车辆工具箱，模态应力恢复与疲轮胎式车辆工具箱，模态应力恢复与疲劳工具包，齿轮传动工具箱，飞机起落架工具箱劳工具包，齿轮传动工具箱，飞机起落架工具箱 接口模块：接口模块：Pro/e接口，图

21、形接口模块，接口，图形接口模块，CATIA专业接专业接口模块，控制模块，柔性分析模块口模块，控制模块，柔性分析模块第三部分第三部分 ADAMS ADAMS软件的核心模块软件的核心模块 用户界面用户界面ADAMS/view（重点学习部分）（重点学习部分）交互式图形建模、仿真计算、动画显示、X-Y曲线图处理、结果分析、数据打印等。分层建模，具有零件几何图形库、约束库和力/力矩库，支持布尔运算，parosolid作为实体建模的核心。具有自定义的高级编程语言，支持命令行输入命令和C+语言。第三部分第三部分 ADAMS ADAMS软件的核心模块软件的核心模块 用户界面用户界面ADAMS/view（重点学

22、习部分）（重点学习部分）第三部分第三部分 ADAMS ADAMS软件的核心模块软件的核心模块 ADAMS/Solver:可以自动生成机械系统结算模型及可以自动生成机械系统结算模型及方程，提供静力学、运动学和动力学的解算结果。方程，提供静力学、运动学和动力学的解算结果。存在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。可输出用户自定义的数据可以通过运动副、运动激励、高副接触、用户定义的子程序等添加不同的约束可求解运动副之间的作用力和反作用力第三部分第三部分 ADAMS ADAMS软件的核心模块软件的核心模块 ADAMS/Postprocessor输出各种动画、数据、曲线可进行曲线编辑及数字信号处理完备的曲线数据统计功能：均值，极值、斜率具有丰富的