计算机仿真技术

计算机仿真技术

工程机械教研室

交待几个问题:

作业无书面作业，上机实验，按时

完成，课后找时间上机练习。

人上机时间：周四35节、

实验

地点：机电学院机房

考试平时表现（上课与上机）：20%

期末测试:80%

课程介绍

使用教材

自编讲义

学习参考书

[1]郑建荣.ADAMS——虚拟样机技术入门与提高.北京：机械

工业出版社，2002

[2]王国强，张进平，马若丁编.虚拟样机技术及其在ADAMS

的实践，西安：西北工业大学出版社，2002

[3]郑凯，胡仁喜，陈鹿民等编著.ADAMS2005机械优化设计

高级应用实例.北京：机械工业出版社，2006

本门课教学内容

/弟r/r一洪'44-仿真技术概述及ADAMS仿真软件

/弟r/r一洪'44-ADAMS软件仿真虚拟样机的模型建立

/r/r■■、II

弟二洪虚拟样机的连接与载荷的施加及修改

第四讲虚拟样机测量与仿真及仿真后处理

/弟r/r五-7-洪JJ-ADAMS软件在工程机械仿真中的应用

第一讲仿真技术概述及

ADAMS仿真软件

概述

二、ADAMS简介

ADAMS仿真技术理论基础

四、ADAMS基本操作

五、ADAMS仿真环境设置

1-1概述

1.计算机仿真技术的含义

计算机仿真技术(ComputerImationTechnology)

又称虚拟样机技术(VirtualPrototypeTechnology)

是国际上20世纪80年代随着计算机技术的发展

而迅速发展起来的一项计算机辅助工程(CAE)

技术。

设计人员在计算机上建立样机模型，对模型进行各

种动态性能分析，然后改进样机设计方案，用数字化形

式代替传统的实物样机实验的一门技术。

仿真就是采用模型来再现真实情况。模型就是系

统、过程或现象的物理、数学或其它逻辑的表达

研究对象：机械系统的仿真。

仿真的内容:机械系统的运动仿真、动力学仿真、

静力学仿真等。

仿真的实现：目前有采用模型与仿真用计算

机程序开发使用；也有采用现有软件实现的。

仿真意义：

复看二品开发，避免测试实验失败带来的损失；

缩短开发周期，提高效率；

改进质量，自动进行大量重复测试实验；

降低成本，仿真过程中对模型进行验证和确认

仿真存在的问题：

仿真信息的有用性，实用性。

仿真规划：

仿真之前，要进行规划，明确目标,

1.要仿真什么

2.仿真精确度

3.仿真结果数据输出内容与形式等。

仿真技术的研究对象是机械系统。

机械系统可以视为是由多个相互连接，彼此能

够相对运动的构件的组合。

结构和机构

结构：特征是正常的工况下没有相对运动

机构：特征是系统在运动过程中部件间存在相对运动

在机械系统设计中有3种性质不同的分析：

(1)机械系统的静力学分析：

在一定条件下，机械系统变成一个刚性系统，

系统中的各构件之间没有相对运动，此时主要

是分析在各种力的作用下，各构件的受力和强

度问题。

(2)机械系统的运动学分析

主要涉及系统及其各构件的运动分析，而与引起运动

的力无关。运动学分析中，系统中一个或多个构件的

位置或相对位置与时间的关系是规定好的，其余构件

的位置，速度和加速度与时间的关系，可以通过求解

位置的非线性方程组和速度，加速度的非线性方程组

来确定。

(3)机械系统的动力学分析

主要涉及由外力作用引起的系统运动分析，有两种情

况：一种是确定与时间无关的力作用下系统的平衡位

置。在外力作用下系统的运动与动力学关系式相一致,

这些关系是通过连接系统构件的运动副施加给系统。

可以运用动力学方程或微分方程与代数方程的组合求

解，确定系统的运动。另一种情况是运动学分析和动

力学分析的混合形式。

机械计算机仿真技术是机械系统的一种现代设

计分析方法，它与传统的设计分析方法比较：

产品I

传统设计流程计算机仿真

技术流程

机械系统仿真技术的发展与应用

机械计算机仿真技术实现必须具备：CAD图形学、几何

造型技术以及工程数据处理技术以及计算力学等知识。

20世纪60年代，古典的刚体力学、分析力学与计算机

相结合的力学分支——多体系统动力学在社会生产实

际需要的推动下产生了。其主要任务：1、建立系统运

动学和动力学的数学模型，开发数学模型的软件；2、

开发实现处理数学模型的计算方法，自动得到运动学

和药力芈的相应规律；3、实现有效的数据处理，采用

动画显示。

机械仿真技术的核心是机械系统的运动学和动力

学、控制理论，没有成熟的计算机图形技术和基

于图形的用户界面，仿真技术也不能成熟发展，

所以仿真技术的发展与计算机辅助设计CAD技术

的成熟发展而发展的。

机械仿真技术的发展对计算机硬件的依赖也是比

较明显的，例如，火星探测器的动力学及控制系

统模拟在惠普工作站上进行，CPU时间750h

总之，机械仿真技术是许多技术的综合。它的核心

部分是多体系统动力学和运动学建模理论及其技术的实

现。

目前有20多家公司，比较有影响的有美国机械动

力学公司(MechanicalDynamicsInc.)的ADAMS,比

利时的LMS公司的DADS以及德国的SIMPACK。其中美国

的ADAMS占据市场的50%。

・应用：汽车制造业、工程机械、航空航天、国防以

及通用抗械。

•工程机械在高速和重载下出现蛇形现象和自己振动,

由于结构复杂，传统设计分析方法找不到原因。

•保龄球的形状:一家保龄球制造商采用虚拟样机技

术，在计算机上改变球的几何形状及指孔分布进行动

力学仿真，不仅缩短制造周期，减少成本，而且实现

了精确达到使用者的要求。

•虚拟样机技术还用到法庭上。

飞机制造业对虚拟样机的需求最为迫切。

虚拟技术是一门新兴技术，它有着关阔的发展前

景及市场。现在世界上主要汽车制造商都在使用ADAMS

数值化虚拟样机软件，可模拟人以运动零部件，即修

改验证悬架、轮胎、转向器、车窗门窗、刮雨器等方

案设计，甚至整车驾驶，驾驶员在各种工况下的模拟

驾驶等。

本课程的任务与目的

机械系统计算机仿真技术是一种现代设计理论与方法。

基础：(1)机械系统运动学、动力学、机械原

理与零件、机械设计

(2)机械三维造型

该课程的主要任务与目的：

①通过ADAMS软件了解和基本掌握机械系

统仿真技术的基本理论知识、过程和方法，即

掌握仿真这种现代设计方法；

②扩大视野，利用现有仿真软件ADAMS,

初步具有应用计算机仿真技术的基本理论和基

本方法解决简单工程实际问题的素质。

1-2ADAMS软件简介

机械系统动力学自动分析软件ADAMS

(AutomaticDynamicAnalysisofMechanical

system)是美国MDI公司(MechanicalDynamics

Inc.)开发的非常指明的虚拟样机分析软件。

ADAMS一方面是虚拟样机分析的应用软件，用

户可以运用该软件非常方便的对虚拟机械系统进

行静力学、运动学和动力学分析。另一方面，又

是虚拟样机分析开发工具，其开放性的程序结构

和多种接口，可以成为特殊行业用户进行特殊类

型虚拟样机分析的二次开发工具平台。

ADAMS软件包

ADAMS软件包括3个最基本的解题程序模块ADAMS/View

（基本环境）、ADAMS/solver（求解器）和

ADAMS/Postprocessor（后处理）。另外还有一些特殊场合

应用的附加程序模块，例如：ADAMS/Car（轿车模块）、

ADAMS/Rail（机车模块）、ADAMS/Driver（驾驶员模

块）、ADAMS/Tire（轮胎模块）、ADAMS/Linear（线性

模块）、ADAMS/Flex（模性柔性）ADAMS/Control（控

制模块）、ADAMS/FEA（有限元模块）、

ADAMS/Hydraulics（液压模块）、ADAMS/Exchange（接

口模块）、Mechanism/Pro（与Pro/Engineer的接口模块）、

ADAMS/Animation（高速动画模块）等。

ADAMS/View软件包

在3个基本程序中，ADAMS/View提供了一个直

接面向用户的基本操作对话环境和虚拟样机分

析的前处理功能，其中包括样机的建模和各种

建模工具、样机模型数据的输入与编辑、与求

解器和后处理等程序的自动连接，虚拟样机分

析参数的设置，各种数据的输入与输出，同其

他应用程序的接口等。

ADAMS/Solver软件包

是求解机械系统运动和动力学问题的程序的求解

器。完成样机分析的准备工作后，ADAMS/View程

序可以自动的调用ADAMS/Solver模块，求解样机模

型的静力学，运动学或动力学的问题，完成仿真分

析以后再自动返回ADAMS/View操作界面。因此，

一般用户可以将ADAMS/Solver的操作视为一个"黑

匣子”，只需熟悉ADAMS/View的操作，即可完成

建模和整个分析过程。

ADAMS/PostProcesso后处理模块

ADAMS仿真分析结果的后处理，可以通过调用

后处理模块ADAMS/PostProcessor来完成。

ADAMS/PostProcessor模块具有相当强的后处

理功能，它可以回放仿真结果，也可以绘制各

种分析曲线。除了可以直接绘制仿真结果曲线

以外,ADAMS/PostProcessor还可以对仿真分析

曲线进行一些数学和统计计算；可以输入实验

数据绘制试验曲线，并同仿真结果进行比较；

可以进行分析结果曲线图的各种编辑。

本课将主要介绍ADAMS/View前

ADAMS/PostProcessor的操作。

ADAMS软件在机械系统设计与开发几个应用

1、概念设计

在设计的初始阶段，工程师需要利用设计自动化工具初

进行不同的初始设计，并在计算机上表示出模型样

机，这样可以方便的监测、研究与改进。在这个阶段主

要是建立初始的模型样机，可以采用各种CAD软件，利

用ADAMS/EXCHANGE转化，输入到ADAMS软件中；

也可以直接利用ADAMS本身的建模工具。

2、设计细化

一旦系统的初始模型样机被建成，简单的运动特性

测试后，系统及其零部件的设计就可细化、改进。

此时用户可以在ADAMS中或输入到其它CAD软件中,

建立更精确的模型样机，计算分析其工作性能。

3、设计验证

在一个具体的产品样机未建成前，设计检查方

案很重要，通过各种输入，观察其设计的一系列运

动过程，以避免以后重新设计而增加成本，带来烦

恼。

4、试验规划

设计人员为证明设计合理，需要花费很大时间进

行试验验证。ADAMS在建立物理样机前，就可以准

确地告诉用户测试的结果和工作特性。

5、工作状态再现

ADAMS同样可进行故障诊断。例如在产品售出后出

现故障，部件失灵等现象时，ADAMS可形象化的进

行故障再现，以判断故障出现的原因。

1-3ADAMS仿真技术理论基础

一、机械系统的组成

机械系统是机器和机构的总称，它由许多

构件和零件组成。

零件

是组成机器的最小单元。若将一部机器进行拆卸,

拆到不可再拆的最小单元就是零件。从制造工艺

角度看，零件也是加工的最小单元。

构件

通常是由若干零件组成的。构件是由若干零件

组成的一个刚性系统，是机械系统运动的最小

单元。当然构件也可以仅由一个零件组成。

机构

由两个以上具有相对运动的构件系统组成的,

机构的作用在于传递运动或改变运动的形式。

机器

由若干机构组成的系统。

在机构中，每一个构件都以一定的方式与其

它构件相互连接。相互连接的两构件既保持

直接接触，又能产生一定的相对运动。我们

把两构件直接接触而又能产生一定形式的相

对运动的连接称为运动副O

将机构和机器统称为机械系统或样机,而机

械系统或样机是由若干个构件通过不同的运

动副相互连接组成的。

二、参考机架

在计算一个系统及其构件的度和加速度时，需

要指定参考机架，作为速度和加速度的参考坐

标系。在机械系统的运动分析过程中，有两种

类型的参考机架：地面参考机架和构件参考机

架。

地面参考机架

是一个单独的牛顿惯性参考系，它固定在一个

“绝对静止”的空间中。通过地面参考机架建

立机械系统的“绝对静止”参考体系，属于地

面框架上的任何一点的速度和加速度均为零。

对于大多数问题，可以将地球视为牛顿参考机

架，虽然地球是绕着太阳旋转而且地球还有自

■■■■■■■■■■■■■■■■■■■

构件参考机架

对于每一个刚性体都有一个参考机架，称为构

件参考机架，刚性体上的各点相对于该构件参

考机架是静止的。

二、坐标系

机械系统的坐标系广泛采用直角坐标系，直角坐

标系由1个原点和3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。运动学和动力学的所有矢量均可

以用沿3个单位坐标矢量的分量来表示。

坐标系可以固定在一个参考机架上，也可以相对

于参考机架而运动。合理地设置坐标系可以简化

机械系统的运动分析。在机械系统的运动分析中,

经常使用3种坐标系。

1）地面坐标系。地面坐标系又称为静坐标系，

是固定在地面机架上的坐标系。在机械系统运

动分析中，所有构件的位置、方向和速度都用

地面坐标系表示。

2）构件机架坐标系构件机架实际上是一个坐

标系，这个坐标系固定在构件上随构件运动。每

个构件都有一个构件机架坐标，可以通过确定构

件机架坐标系在地面坐标系的位置和方向，来确

定一个构件的位置和方向。在软件中，构件机架

坐标系是构造各种不同构件的参考坐标系。在工

程中，可以将构件机架坐标系视为绘图板坐标系,

工程师在此坐标系下绘制零件或构件。

3）标记坐标系。标记坐标系又称为标记，是为

了简化建模和分析在构件上设立的辅助坐标系，

有两种类型的标记坐标系：固定标记和浮动标

记。

固定标记固定在构件上，并随构件运动。可以通

过固定标记在构件机架坐标系的位置和方向，确

定固定标记坐标的位置和方向。固定标记可以用

来定义构件的形状、质心位置、作用力和反作用

力的作用点、构件之间的连接位置等。

浮动标记相对于构件运动，在机械系统的运动

分析过程中，有些力和约束需要使用浮动标记

来定位。

四、机械系统的自由度

机械系统的自由度表示机械系统中各构件相

对于地面机架所具有的独立运动数量。

机械系统的自由度与构成机械的构件数量、

运动副的类型和数量、原动机的类型和数量、

以及其他约束条件有关。

机械系统的自由度F和原动机的数量与机械

系统的运动特性有着密切的关系：

当Fv=O且时，机械系统蜕变成刚性系

统，构件之间没有相对运动。

当F=0且时，机械系统具有确定的运动。

当FvO且时，表示在一个刚性机械

系统中设置有原动机，此时原动机

将无法运动，或者机械系统将在薄

弱处遭到破坏。

当F>0时，机械系统没有确定的相对运

动，此时机械系统在阻力约束条件下,

按牛顿定律，向阻力最小的方向运动。

五、位移、速度、加速度表示

1、点在参考坐标系中位置表示:

r=r()+As=r0+Aos

r"=%+M

2、刚体运动方程

T।—»!—I।TI，1(,*I

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

L4、ADAMS基本操作

l、ADAMSWiew安装、界面与组成

2.ADAMS\View启动、关闭

f3.文件新建、保存与退出

启动ADAMS后显示窗口

打开已有创建新

数据库文件

Hofvouldyouliketopi^ed?

'♦Createanewmodel

Openanexistingdatabas.输入一

Importafile文件MSC.ADAMS'

退出

开始

Modelnamemodel」

文件

GravityEarthNormal(-GlobalY)▼

UnitsMMKS-mm,kgNs.deg▼

MSCXSOFTWARE.

lULitr重力

OK

单位度

ADAMSWiew启动、关闭、保存与退出

—,

V&cning5

为Databasehaschanged.Doyouwanttosavedatabaseas'model_1'beforeproceeding?

Cancel

保

不

取

存

保

消

退

存

操

出

退

作

L5ADAMS仿真环境设置

包括：

坐标设置栅格设置单位设置

坐标窗口显示

视图显示视窗设置图标设置等

坐标设置

栅格设置总开关

歹ShowWorkingGridEI坐标形式

(•Rectangular「Polar

X

Size750mm|(500mm)栅格范围和大小设置

p50mm)-p50mm)

Spacing

ColorWeight

DotsContrast▼FT栅格类型、坐标轴设置