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1、第五章 虚拟样机技术与应用,概述虚拟样机技术的形成、发展和应用一阶直线倒立摆的虚拟样机问题与探究“球棒”系统的虚拟样机研究,概述,虚拟样机中的关键技术虚拟样机技术中的几个概念虚拟样机中的相关技术,工程案例1：火星车,概述,勇气号虚拟样机,勇气号物理样机,概述,工程案例1：基于虚拟样机的汽车试验,概述,工程案例3：铣刀片的应力场分析,概述,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。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。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
2、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。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同设计。,概述,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，其中涉及到许多相关技术，如总体技术、多领域协同建模/仿真/评估技术、数据/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 虚拟样机管理技术 协同仿真技术 多学科设计优化技术（MDO）,虚拟样机管理技术,虚拟样机开发过程中涉及到大量的人员、工具、数据/模型、项目/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，实现整个开
3、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。,协同仿真技术,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HLA规范已经成为协同仿真的重要国际标准。基于HLA的协同仿真技术也将会成为虚拟样机技术的研究热点之一。,多学科设计优化技术（MDO）,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MDO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的技术途径。目前MDO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Engi
4、neous公司的iSIGHT。国内关于MDO技术的研究和应用也已经展开。,概述,虚拟样机技术中的几个概念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。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。 虚拟样机技术的应用是产品设计的重要组成部分。,概述,虚拟样机中的相关技术 几何形体的计算机辅助设计(CAD)软件和技术 。有限元分析(FEA)软件和技术 。模拟各种各样作用力的软件编程技术 。利用实验装置的实验结果进行某些构件的建模控制系统设计与分析软件和技术 优化分析软件和技术,虚拟样机技术的形成、发展和应用,虚拟样机技术的形成与发展虚
5、拟样机技术的工程应用ADAMS工具软件简介,虚拟样机技术的形成、发展和应用,虚拟样机技术的形成与发展虚拟样机技术的形成：源于对多体系统动力学的研究,虚拟样机技术的形成、发展和应用,虚拟样机技术的形成与发展虚拟样机技术的发展过程 虚拟样机技术是许多技术的综合。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。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。CAD/FEA技术的发展为虚拟样机技术的应用提供了技术环境。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。,虚拟样机技术的形成、发
6、展和应用,虚拟样机技术的工程应用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。美国机械动力学公司(Mechanical Dynamics Inc.)的ADAMS，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。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。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。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。,虚拟样机技术的形成、发展和
7、应用,虚拟样机技术的工程应用实例一：工程机械领域的应用。,虚拟样机技术的形成、发展和应用,实例二：产品研发中的应用,保龄球的外形研发,虚拟样机技术的形成、发展和应用,实例三：产品的动力学分析,虚拟样机技术的形成、发展和应用,实例四：车辆肇事仿真,虚拟样机技术的形成、发展和应用,实例五：机械系统的参数优化设计,洗衣机的振动模拟,虚拟样机技术的形成、发展和应用,实例六：飞行器设计,飞行模拟,虚拟样机技术的形成、发展和应用,ADAMS工具软件简介,ADAMS工具软件简介,ADAMS软件的特点 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。分析类型包括运动学、静力学和准静力学分析，以
8、及线性和非线性动力学分析，包含刚体和柔性体分析。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。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。具有一个强大的函数库供用户自定义力和运动发生器。具有开放式结构，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，仿真结果显示为动画和曲线图形。可预测机械系统的性能、运动范围、碰撞、包装、峰值载荷和计算有限元的输入载荷支持同大多数CAD、FEA和控制设计软件包之间的双向通讯。,ADAMS工具软件简介,ADAMS软件的应用,ADAMS工具软件简介,ADAMS的工具模块,一阶直线倒立摆的
9、虚拟样机,问题提出 虚拟样机制作 虚拟样机的动态仿真实验,问题提出,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。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。对倒立摆的研究最初始于二十世纪50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。,问题提出,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,虚拟样机制作,一阶倒立摆的形态 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
10、行分解，并将这些结构归纳为一定的单一形体,虚拟样机制作,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，并按照对称与均衡的规律进行了组合,虚拟样机制作,单元设计,虚拟样机制作,系统总装,虚拟样机制作,虚拟样机的动态仿真实验 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,问题与探究“球棒”系统的虚拟样机研究,问题提出 基于ADAMS/MATLAB的联合仿真技术问题探究,问题与探究“球棒”系统的虚拟样机研究,问题提出由刚性球和连杆臂构成的球棒系统,连杆在驱动力矩作用下绕轴心O点做旋转运动。连杆的
11、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。,问题与探究“球棒”系统的虚拟样机研究,基于ADAMS/MATLAB的联合仿真技术技术描述 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型，其可以最大限度的模拟球棒系统真实的运动情况。MATLAB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；ADAMS建立的系统模型，相当于“虚拟样机”。ADAMS/Control可以将ADAMS的机械系统模型与控制系统应用软件(如MATLAB、EASY5或者MATRIX)连接起来，实现在控制系统软件环境下进行交互式仿真，
12、还可以在ADAMS中观察仿真结果。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。,问题与探究“球棒”系统的虚拟样机研究,仿真方法及其步骤在使用ADAMS/Control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,问题与探究“球棒”系统的虚拟样机研究,使用ADAMS/Control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
13、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模型。既节约了设计时间，又增加了设计的可靠性。,问题与探究“球棒”系统的虚拟样机研究,ADAMS/Control控制系统设计主要有以下四个步骤,问题与探究“球棒”系统的虚拟样机研究,球棒系统的联合仿真实验 在ADAMS中建立球棒系统动力学模型,问题与探究“球棒”系统的虚拟样机研究,定义状态变量,生成ADAMS-MATLAB模块,问题与探究“球棒”系统的虚拟样机研究,建立MATLAB控制系统,问题与探究“球棒”系统的虚拟样机研究,问题探究：试利用“虚拟样机”模型，以及ADAMS/MATLAB动力学联合仿
14、真方法，分析下列问题：改变小球的材料（转动惯量），看一下控制效果又如何？控制策略应作如何改变？改变长杆材料（转动惯量），看一下控制效果又如何？控制策略应作如何改变？改变球与棒之间的动摩擦系数，看一下控制效果又如何？控制策略应作如何改变？,本章小结阐述了虚拟样机技术的产生背景、工程应用和发展方向，介绍了虚拟样机技术基本概念、知识构成及其应用范围。虚拟样机技术是一种数字化方针方法，其应用是产品设计的重要组成部分，其特点是：运行成本极低、开发周期短、解决传统设计的弊端等，它的出现不仅为工程应用开辟了新路，更将数字仿真技术的应用提高到了一个新的境界。本章针对一阶倒立摆实验系统，通过建立其虚拟样机模型，较深入地说明了虚拟样机的制造过程。本章通过一个动力学联合仿真的例子（球棒系统），指出了虚拟样机在动力学“联合仿真”方面的意义与优势；详细说明了基于MATLAB/ADAMS联合动力学仿真的建模（虚拟样机制造）、控制及其仿真实验过程。,The end谢谢,
