运动仿真技术

第四章运动仿真技术学习重点 了解机械系统运动仿真技术的特点及一般过程； 熟悉机械系统动力学分析软件（ADMAS2005）的基本功能；总体方案设计零部件及运动仿真模型建立运动环境设置运动仿真分析分析结果输出系统方案的构思、原理设计、评价与决策总体方案设计零部件及运动仿真模型建立运动环境设置运动仿真分析分析结果输出系统方案的构思、原理设计、评价与决策零部件的建模、装配关系的确定和运动副的定义力（包括重力、弹簧力和阻尼力）或扭矩的施加、初始条件定义等分析类型（如运动学、动力学、静力分析等）的定义 运动模拟的实现、运动特性曲线（如位移、速度、加速度等）的可视化、干涉检验及参数跟踪测量图4-1机械运动仿真步骤示意图4.1概述 在机械设计领域，其设计工程主要可分为原理方案设计、运动学分析、静力学或动力学分析、方案及系统优化、强度分析计算和结构设计等几个阶段。传统的设计方法可以通过理论分析计算实现，但在大多数情况下，为了避免复杂的理论分析计算，在机械设计过程中经常采用“经验法”、“类比法“或”试凑法”等方法，这样不但会延长设计周期和降低工作效率，而且容易导致设计结果不准确，很难得到满意的结果，也缺乏科学的理论根据。 科学技术的飞速发展和学科的相互交叉极大地促进了机械设计行业的发展和进步，设计的高效化和自动化已经成为今后发展的必然趋势。随着机械产品性能要求的不断提高和计算机技术的广泛使用，作为机械设计强大支撑技术之一的运动仿真技术越来越受到机械设计人员的重视和亲睐。 机械运动仿真技术是一种建立在机械系统运动学、动力学理论和计算机实用技术基础山的新技术，涉及建模、运动控制、机构学、运动学和动力学等方面的内容，主要是利用计算机来模拟机械系统在真实环境下的运动和动力特性，并根据机械设计要求和仿真结果，修改设计参数直至满足机械性能指标要求或对整个机械系统进行优化的过程。机械运动仿真的一般步骤如图4-1所示。 通过机械系统的运动仿真，不但可以对整个机械系统进行运动模拟，以验证设计方案是否正确合理，运动和力学性能参数是否满足设计要求，运动机构是否发生干涉等还可以及时发现设计中可能存在的问题，并通过不断改进和完善，严格保证设计阶段的质量，缩短了机械产品的研制周期，提高了设计成功率，从而不断提高产品在市场中的竞争力。因此，机械运动仿真当前已经成为机械系统运动学和动力学等方面研究的一种重要手段和方法，并在交通、国防、航空航天以及教学等领域都得到了非常广泛的应用。 机械系统的运动仿真可以采用VB、OpenGL、3Dmax、VC等语言编程实现，也可以使用具有运动仿真功能的机械设计软件（如ADMAS、Pro/E、EUCLID、UG、Solidworks、SolidEdge等）实现，而且，随着计算机软件功能的不断强大和完善，用软件进行运动仿真是一种省时、省力而用高效的方法，也是机械运动仿真发展趋势。 其中，由美国MDI公司开发的ADAMS(AutomaticDynamicAnalysisofMechanicalSystem)是当前应用最广泛且最具权威性的机械系统力学仿真分析软件之一。利用ADAMS软件中的用户界面模块(ADAMS/View)，通过简单的菜单、按钮及鼠标点击等交互式操作，可以很方便地对机械系统进行运动学、动力学或静力学等分析，主要包括建立零部件模型、施加运动副和载荷、仿真计算以及结果显示内容。 因此，本章主要介绍ADMAS12.0软件常用模块（如View和PostProcessor等）的使用方法和基本操作。希望通过两个实训模块的练习，能使学生了解动态仿真的基本过程，并学会正确使用和熟练操作ADAMS软件，为进一步的更深入的研究打基础。4.2实训1平面六杆机构的运动仿真平面六杆机构是常用的典型机构之一，它具有承载能力强、耐磨损、可实现多种运动规律和运动轨迹等优点，因此广泛应用于机械、仪表、交通以及航空航天等领域，如车辆转弯机构、车门启闭机构、压力表指示机构等等。平面连杆机构的运动分析是已知原动件的运动规律，求解各构件上某些点的位置、位移、速度和加速度等运动参数，通常可采用图解法、解析法和实验法等来进行分析，但相对实用软件分析来讲比较麻烦。下面就平面六杆机构的运动分析为例，来体验ADAMS软件的强大功能。图4-2平面六杆机构运动简图4.2.1图4-2平面六杆机构运动简图图4-2所示为一平面六杆机构，现已知：主动曲柄OA作匀速逆时针转动，且角度度w=10rad/s，各铰链点的坐标为O(0,0,0)，A(-60,80,0)，B(180,180,0)，C(180,0,0)，D(430,0,0)。试对该平面六杆机构进行运动分析，并计算在图示位置时滑块D点的位置、速度和加速度以及摇杆BC的角速度和角加速度的大小。4.2.2实训目的本实训的主要目的有二：一是使学生熟悉ADAMS软件的基本用户界面，了解使用该软件进行机构运动分析的一般过程。二是使学生体验使用ADAMS软件进行运动分析的简单性、方便性和高效性。4.2.3结果演示Control”按钮，将工作屏幕区显示为合适大小。图4-8主工具库4.图标大小设置。点击菜单栏中的“Settings>Icons…”,弹出“图标大小设置”对话框，在“NewSize”一栏中输入：30，其他保留缺省设置，如图4-8。点击“OK图4-8主工具库5.坐标窗口显示。点击菜单栏中的“View>CoordinateWindow…”,弹出“坐标显示”对话框。此时，坐标窗口中显示的坐标值随着光标在工作屏幕区的移动而变化，有利于模型的建立。6.存盘目录设置。点击菜单栏中的“File>SelectDirectory…”,弹出“存盘目录设置”对话框，在SelectDirectory下面的列表框中选择盘符（如e:/）,并在其下一级目录列表框中选择将文件要存入的文件夹（如adamsfile）,其他保留缺省设置，点击“OK”关闭该对话框。二、几何模型的创建图4-9连杆参数设置1.创建标记点（Marker），为建立连杆模型作准备。右键单击主工具箱中的按钮，弹出几何建模工具库，如图4-8所示。点击其中的按钮，并保留主工具箱的下半部分的Marker和Orientation栏的选项设置（分别为AddtoGround和GlobalXY），然后用鼠标左键单击工作屏幕区中坐标为（0，0，0）的位置，即完成了铰链点O的标记点创建。同理，依次创建其他各铰链点A(-60,80,0)，B(180,180,0)，C(180,0,0)，D(430,0,0)的标记点。图4-9连杆参数设置2.创建构建OA的模型。点主工具箱中的按钮(如果该按钮没有出现在主工具箱中的相应位置)，主工具箱的下半部分显示连杆参数设置选项，选中“Width”和“Depth”前的复选框，并在相应的文本框中分别输入：（20mm）和（10mm），如图4-9所示。然后依次点选上一步骤建立的O和A的标记点，即可建立OA构件的几何模型。右键单击该构件，弹出右键快捷菜单，电击“Part:PART_2>Rename”，弹出名称更改对话框。在“NewName”一栏中输入中输入：Crank，点击“OK”关闭对话框。3．创建构件AB、BC和BD的模型。同理可创建构件AB、BC和BD的模型，并分别将其改名为Link1、roker和Link2。4．建立滑块模型。右键单击主工具箱中的按钮，弹出几何建模工具库，点击其中的按钮，主工具箱的下半部分显示长方体参数设置选项，选中“Length、Width”和“Depth”前的复选框，并在相应的文本框中分别输入：（80mm）、（60mm）和（10mm）。然后将鼠标移动到工作屏幕区，屏幕区出现一个80mmX60mm的长方形，鼠标箭头位于该长方形的左下角，移动鼠标至（390，-30，0）的栅格点位置并点击，即可完成滑块模型的创建。并将其更名为：slider。图4-11转动副参数设置图4-10用户主界面5．改变滑块slider的位置。依次点击主工具箱中的按钮和按钮（也可以是其他视图方向的工具按钮），可以从不同方向观察上述建立的构件，显然，只有滑块slider沿Z轴方向与栅格平面（XY平面）不对称。点击按钮恢复到原来的栅格平面视图，在slider构件的左下角右键单击，弹出右键快捷菜单，依次点击—Marker.MARKE_14>Modify，弹出“标记参数修改”对话框，将该对话框的“Location”一栏中的最后一个数字0改为5，其他保留缺省设置，如图4-10所示，点击“OK”关闭对话框，即可将滑块移动到与栅格平面对称的位置。可以点击按钮查看滑块为之后的结果。图4-11转动副参数设置图4-10用户主界面三、约束副的创建创建机架与crank、机架与rocker构件之间的转动副。点击主工具箱中的按钮，主工具箱的下半部分显示转动副参数设置选项，确保“Construction”一栏下面的两个列表框中分别选中“1Location”和“NormaltoGrid”，如图4-11左图所示。然后，移动鼠标到工作屏幕区，点选O标记点，即可在机架与crank构件之间创建了一个转动副，相当于固定铰链。同理，根据实训要求，C点也应该为固定铰链点，因此，在机架与rocker构件之间也创建一个与上述具有相同设置的转动副。创建构件crank与link1、link1与rocker、rocker与link2以及link2与slider之间的转动副。点击主工具箱中的按钮，主工具箱的下半部分显示转动副参数设置选项，确保“Construction”一栏下面的两个列表框中分别选中“2Bod-1Loc”crank、link1构件和A标记点，即可在crank和link1构件之间创建了一个转动副。同理，可创建link1和rocker、rocker和link2、link2和slider之间的转动副。图4-12六杆机构几何模型及约束图4-13仿真分析创建机架ground与滑块slider之间的移动副。右键单击主工具箱中的按钮，弹出约束工具库，点击其中的按钮，主工具箱的下半部分显示移动副参数设置选项，确保“Construction”一栏下面的两个列表框中分别选中“2Bod-1Loc”和“PickFeature”。然后，移动鼠标到工作屏幕区，依次点选ground、slider构件和D标记点，之后水平向右移动鼠标，直至出现一水平向右的箭头，按下鼠标左键，即可在机架与图4-12六杆机构几何模型及约束图4-13仿真分析创建运动驱动。点击主工具箱中的按钮，主工具箱的下半部分显示旋转运动驱动参数设置选项，在“Speed”一栏的文本框输入：10。然后，移动鼠标到工作屏幕区，在O标记点点击鼠标左键，即可在该转动副上创建了一个转动驱动。即定义crank构件为主动件，其转动角速度为。需要注意的是，这里的角速度的大小也可以是变速的，通常可通过输入表达式来设置，有兴趣的读者可查阅相关资料。到此为止，本实训所述六杆机构的几何建模部分和约束及运动驱动施加部分已经完成，完成后的结果如图4-12所示。四、运动仿真分析1.运动仿真分析。点击主工具箱中的按钮，主工具箱的下半部分显示仿真参数设置选项，确保“Simulation”标签下面的三个列表框中分别选中“Kinematic、EndTime”和“Steps”两个文本框中分别输入：2和200，其他保留缺省设置，如图4-13所示。然后，点击按钮，开始进行运动仿真分析，此时，可以看到工作屏幕区实时显示六杆机构的运动情况，仿真分析结束后，六杆机构停止运动。2.运动仿真动画播放。点击主工具箱中的按钮，主工具箱的下半部分显示仿真动画播放功能按钮及参数设置选项，选中左下角Loop前的复选框，表示循环播放动画，然后，点击按钮，开始进行运动仿真动画，点击按钮，可停止播放，点击按钮，可使六杆机构返回到开始播放的位置。五、动力仿真分析结果显示图4-14ADAMS/PostProcessor后处理器用户程序主界面菜单栏工具条对象结构关系窗口参数特性编辑窗口页面显示窗口控制区窗口1.启动ADAMS/图4-14ADAMS/PostProcessor后处理器用户程序主界面菜单栏工具条对象结构关系窗口参数特性编辑窗口页面显示窗口控制区窗口图4-15布局库2.规划页面显示窗口。右键单击ADAMS/PostProcessor的用户程序主界面的工具条中的按钮，弹出页面布局库，如图4-15所示。点击页面布局库中的按钮，将整个页面窗口分为四个小视窗。图4-15布局库3.导入运动仿真过程。点击激活页面显示窗口的左上视窗，在该视窗内右键单击，弹出快捷菜单，点击“LoadAnimation”，即可将第四（1）步骤的运动仿真过程导入该视窗。点击工具条（或控制区窗口的顶部）中的按钮，即可显示六杆机构的运动过程，其他播放功能按钮与第四（2）步骤地播放按钮功能基本相同。图4-18曲线标题参数设置图4-17plot_3对象图4-16绘制位移滑块曲线时控制区窗口的参数选择4.绘制滑块“slider”的位移曲线。点击激活页面显示窗口的左下视窗，将鼠标移至控制控制区窗口，在Data标签中的“Model”列表框中选择“.linkage”，“Filter”列表框中选择“body”，“Object”列表框中选择“slider”，“Characteristic”列表框中选择“CM_Position”，“Component”列表框中选择“X”，如图图4-18曲线标题参数设置图4-17plot_3对象图4-16绘制位移滑块曲线时控制区窗口的参数选择图4-19横坐标标题设置5.修改滑块“slider”的位移曲线的标题。双击对象结构关系窗口的plot_3对象，显示其下一级对象，如图4-17所示。点击其中的title对象，并将鼠标移至参数特性编辑窗口，在该窗口中的文本框中输入：Position，如图4-18所示。此时，可看到页面显示窗口的左下视窗中的滑块位移曲线上的标题由原来的linkage变为“图4-19横坐标标题设置6.修改滑块“slider”的位移曲线的横纵坐标的标题。点击图4-17所示的haris对象，并将鼠标移至参数特性编辑窗口，点击该窗口中Labels标签，然后在其下得Label后面的文本框中输入：Time/s，如图4-19所示。此时，可以看到页面显示窗口的左下视窗中曲线的横坐标标题变为“Time/s”。在滑块的位移曲线视窗中，由于其左上角的“-.slider.CM_Position.X”框遮挡了曲线的一部分，对观察曲线有影响。因此，可以在该框上点击鼠标右键，弹出快捷菜单，依次点击Legend：legend_object>Delete，即可将该框删除。也可以按下鼠标左键将其拖动至别处。修改后的位移滑块曲线如图4-20所示。图4-20修改标题后的位移滑块曲线7.重复步骤（4）~（6），绘制滑块沿X方向的速度和加速度曲线。此时的页面显示窗口如图图4-20修改标题后的位移滑块曲线图4-22曲线数据统计列表图4-21页面显示窗口8.观察滑块在t=0时的位置、速度和加速度的大小。点击工具条中的按钮，在工具条下面弹出一行表格，如图4-22所示。当将鼠标在上述建立的曲线上移动时，该表格中的数据会随着鼠标的移动而实时发生变化。该工具不但能显示曲线上任意一点的坐标值，而且还能显示曲线的最大、最小值、平均值以及均方根值等等。现将鼠标移至滑块位移曲线的起始点（即曲线与t=0时纵坐标轴的交点处），观察图4-22所示列表，得到滑块在该位置的纵坐标Y=430mm,也就是六杆机构处于初始位置时，滑块在建立模型时所使用坐标系中的横坐标值。按照同样的步骤可以得到滑块位于初始位置时的速度和加速度的大小，分别为：=-1050mm/s,=7868.3333mm/。需要注意的是，如果曲线与纵坐标轴的交点比较难捕捉到，可以使用工具条中的工具来放大曲线的局部部位。图4-22曲线数据统计列表图4-21页面显示窗口图4-25退出对话框图4-24摇杆rocker的角速度和角加速度曲线图4-23绘制摇杆角速度曲线时控制区窗口的参数选择9.绘制摇杆rocker的角速度和角加速度曲线。由于页面显示窗口的四个视窗均已占用，因此，先创建一个新的页面。点击工具条中的按钮，即可完成新页（page_2,在对象结构关系窗口中可以看到该对象名称）的创建，而且页面布局与第一个页面一样，也分为四个视窗。也可按照第五（2）步骤的方法修改页面布局，这里保留现有布局。点击激活page