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:作业考试无书面作业，上机实验，按时完成，课后找时间上机练习。平时表现（上课与上机）:20%期末测试:80%上机时间：周四3~5节、地点：机电学院机房实验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课程介绍本门课教学内容第一讲仿真技术概述及ADAMS仿真软件第二讲ADAMS软件仿真虚拟样机的模型建立第三讲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第五讲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仿真软件一、概述二、ADAMS简介三、ADAMS仿真技术理论基础四、ADAMS基本操作五、ADAMS仿真环境设置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。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。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。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。仿真意义：复杂产品开发，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：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，自动得到运动学和动力学的相应规律；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。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。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%。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。应用：汽车制造业、工程机械、航空航天、国防以及通用机械。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。机械系统计算机仿真技术是一种现代设计理论与方法。1-2ADAMS软件简介机械系统动力学自动分析软件ADAMS(AutomaticDynamicAnalysisofMechanicalsystem)是美国MDI公司(MechanicalDynamicsInc.)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。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/View软件包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和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。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。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。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。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转。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。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。构件参考机架三、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。1）地面坐标系。地面坐标系又称为静坐标系，是固定在