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1、计算机仿真技术,主讲教师：张春燕,课件制作者：张春燕,上次课重点内容回顾,MATLAB/SIMULINK主要用于工程领域的哪方面仿真？SIMULINK和MATLAB相比，各有什么优缺点？SIMULINK模块库按功能分为哪几类？信号通路中MUX和DEMUX的作用各是什么？根据下列系统的物理模型，建立其相应的数学模型，并应用SIMULINK建立下列系统的仿真模型，并对上面的数学模型求其传递函数，应用传递函数模型搭建对应的仿真模型。,m=5，k=2，c=1,已知条件：假设系统处于零平衡位置，外力函数为幅值为1 的阶跃函数。,第6讲 用adams进行仿真简介,本次课要求 虚拟样机 adams简介 应用
2、adams进行仿真实例 小结 作业,本次课要求,通过本次课学习，熟练安装、卸载adams软件，能应用adams进行建模、仿真，并能应用其它建模软件（如CATIA、PRO/E、UG等软件）进行建模后导入adams进行仿真。,虚拟样机（Virtual Prototyping 简称VP）技术又称为机械系统动态仿真技术，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。工程师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。,虚拟样机,国内外虚拟样机的研究状况,目前，虚拟样机在国内外处于发展阶段,
3、发达国家非常重视虚拟样机技术，它们不但重视虚拟样机技术的研究，而且重视技术的应用。克林顿政府批准了快速发展和推广虚拟样机技术的计划支配给远景研究规划局和国防部的预算超过十亿美元。美国宇航局和波音公司在开发军队最新最大的航空项目Commanche时，大规模使用了虚拟样机技术。使Commanche的开销大幅度降低。,芬兰VTT电子公司正在从事消费类电子产品的VP研究，己开发了手机的虚拟样机。美国波音公司的波音777型飞机在设计开发过程中全面采用了虚拟原型样机技术，在没有建造一架物理原型样机的情况下，节省了大量开发经费，开发周期由八年缩短到四年。而且，在虚拟样机商业软件方面也发展迅速，成熟的如MDI
4、公司的ADAMS。,通用公司应用状况开发周期（48月24月 12月）碰撞试验（100次 50次）个性化定单 3小时通过在线采购降低成本10,美国GM公司虚拟样机技术 戴维陈是GM R&D虚拟样机（VP）的首席科学家，他的观点值得考虑：虚拟样机是一个方向，同时也是一个渐进过程；产品设计的所有要求，用数学模型创建后，一定要验证，用试验验证；关键是建模（Creating Model），且应在专家指导下进行；一个CAE虚拟仿真过程，是一个“无烟工业”。目前，虚拟仿真效果已为GM公司每年节省4亿美元资金投入。,国内虚拟样机技术的研究尚处于起步阶段，主要是对虚拟样机概念和结构的研究，对虚拟样机要求的相关技
5、术，如数据库技术、CADCAM技术、网络技术、分布交互仿真技术有一定的基础，但尚未发现支持虚拟样机的工具与环境。总体来看，与国外相比还有很大差距。,虚拟样机技术软件的介绍,由于虚拟样机技术刚刚起步，国内外虚拟样机方面的软件并不多,目前世界范围内流行使用的机械系统的仿真软件有 ADAMS和比利时LMS的DADS（Dynamic Analysis and Design System）动力学分析和设计系统软件。ADAMS是虚拟样机技术的杰出代表，它全称是 Automatic Dynamic Analysis of Mechanical System，即机械系统自动动力学分析系统。是美国MDI公司（M
6、echanical Dynamics Inc.）开发的一种机械动力学仿真软件。目前已被美国MSC公司收购成为MSC/ADAMS。,ADAMS是虚拟样机的核心 是机械系统运动学和动力学仿真技术,同时还包括三维CAD建模技术,有限元分析技术，机电液控制技术，最优化等相关技术。应用它可以方便地建立参数化的实体模型，并采用多刚体系统动力学原理进行仿真计算。其建模仿真的精度和可靠性在现在所有的动力学分析软件中名列前茅。,adams简介,adams简介,应用adams软件进行虚拟样机仿真的实例视频如下：,飞机起飞,汽车碰撞试验,履带运行,升降台性能、行程仿真,机械腿仿真,凸轮位移、速度和加速度轨迹测试,曲
7、轴应力变化分析,仿真机器人1、2,ADAMS 软件包介绍,ADAMS软件包括3个最基本的解题程序模块：A/View(基本环境)、A/Solver（求解器）和A/PostProcessor(后处理)。另外还有一些特殊场合应用的附加程序模块，A/Rail(机车模块)、A/Driver(驾驶员模块)、A/Tire(轮胎模块)、A/Linear(线性模块)、A/Flex(柔性模块)、A/Controls（控制模块）、A/Car(轿车模块)、A/FEA（有限元模块）、A/Hydraulics（液压模块）、A/Vibrations(振动模块)A/Exchange(接口模块)、A/Animation（高速动
8、画模块）等。,机械系统动力学分析与仿真要经历物理建模、数学建模、问题求解和结果后处理几个阶段。物理建模是对实际机械系统进行抽象，用标准的运动副、驱动约束、力元和外力等要素建立与实际机械系统一致的物理模型，这个过程中，对实际部件进行合理的抽象与简化是操作关键。抽象之后的物理模型是计算多体系统动力学研究对象。在三个基本的程序中，A/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。,数学建模是指由物理模型根据计算多体系统动力学理论生成数学模型，问题求解是通过调用专门求解器实现的，求解器对数学模型进行解算得到分析结果。数学建模和问题求解是分析与仿真中最复杂过程，所幸的是，在
9、ADAMS软件系统中，这两个过程是自动进行的，除了求解的控制界面外，内部过程对于用户是不可见的。A/Solver是求解机械系统运动和动力学问题的程序。完成样机的准备工作之后，A/View可以自动调用A/Solver模块，完成样机的静力学、运动学或动力学的问题。完成仿真分析后，又会自动回到A/View操作界面，因此一般的工程人员可以将A/Solver看成是一个“黑匣子”，不需要知道ADAMS内部的运行，只要熟悉A/View的操作界面就可以了。,得到分析结果之后，结果通常要与实验结果进行对比，这些对分析结果进行处理的过程是在后处理器完成的。后处理器一般都提供了曲线显示、曲线运算和动画显示功能。AD
10、AMS仿真分析结果的后处理，可以通过调用后处理模块A/PostProcessor来完成。A/PostProcessor具有很强的后处理功能，可以回放各种仿真结果，可以绘制曲线，还有它可以对仿真分析曲线进行一些数学和统计计算；可以输入试验数据绘制试验曲线，同仿真结构进行比较；可以进行分析结果曲线图的各种编辑。,ADAMS 软件的特点,（1）快捷方便的图形界面AView。通过简便的图标菜单功能，AView、提供了一个直观的、强有力的建模造型和分析机械系统模型的环境；具有组装、分析和动态显示以及同一模型在不同的参数、不同的环境下动态变化的能力；强大的数据处理功能和灵活方便的输出形式，而且可对仿真结果
11、进行编辑。,（2）强大的建模和分析功能 具有三维的实体建模能力，具有先进的数值分析技术和强有力的求解器，求解速度快而准确。分析类型包括运动学、静力学和完全非线性动力学分析，而且可进行多刚体和多柔性体的分析。具有约束库、力库、函数库以及可生成用户定义的运动发生器，从而使建模分析工作更加迅速。通过使用函数表达式和用户自定义程序，可以使ADAMS很容易适用于特殊应用。,（3）开放式结构。允许用户集成自己的程序，ADAMS通过FORTRAN、C、C等语言的程序与用户接口程序进行数据交换，进入ADAMS求解器，可从求解器中输出数据。具有与Pro/E、FEA和控制系统建模软件之间的专用接口。如ADAMSI
12、GES可将CAD中的实体模型转到ADAMS的模型中。ADAMS 可与其它有限元软件如ANSYS，NASTRAN之间通讯。,ADAMS软件仿真分析的基本步骤,ADAMS软件在工程应用事例,工程领域 应 用 航空航天 发射系统动力学研究 制导系统设计和研究 弹道和姿态动力学 模拟零重量和微重量环境 雷达/人造卫星设计轨道 碎石和微陨石碰撞分析 模拟飞船连接和俘获顺序,汽车工程 悬架设计 汽车动力学仿真 发动机仿真 动力传动系仿真 噪音、振动和冲击特性预测 操纵舒适性和乘坐舒适性 控制系统设计 驾驶员行为仿真 轮胎道路相互作用仿真,增加发动机、车身后整车多体动力学模型,以汽车前、后悬架及转向机构为主
13、的多体动力学模型,汽车可操作性和乘坐舒适性仿真：,铁路车辆及装备 悬挂系统设计 磨耗预测 轨道载荷预测 货物加固效果仿真 物料运输设备设计 事故再现 车辆稳定性分析 临界车速预测 乘员舒适性研究,大变形碰撞仿真,摆式车空调 通风仿真,疲劳分析仿真,动力学仿真,气流噪声仿真,气动压力仿真,结构噪声仿真,双层车模态仿真,温度场仿真,D38轻量化设计,强度分析,制动及冲击响应仿真,工业机械 涡轮机和发动机设计 传送带和电梯仿真 卷扬机和起重机设计 机器人仿真 包装机械工作过程模拟 压缩机设计 洗衣机振动模拟 动力传动装置模拟,工程机械 履带式或轮式车辆动力学分析 车辆稳定性分析 重型工程机械的动态性
14、能预测 工作效率预测 振动载荷谱分析 发动机尺寸确定、载荷预测 耐久性研究 挖掘功率预测 萤石碰撞效应,操作界面简介,ADAMS软件使用简介,软件安装/卸载,利用adams对机械系统进行仿真过程,建模方式,应用此软件对简单机械系统进行仿真,工作环境设置,ADAMS软件安装/卸载,Adams2005软件安装说明,ADAMS/View的启动 启动ADAMS/View有三种方式：1)从Windows开始菜单启动：”开始”“程序”“MSC.Software”“MSC.ADAMS2005”“Aview”“ADAMS/View”2)双击桌面上的快捷方式。3)从命令提示符下启动ADAMS2005,操作界面简
15、介,ADAMS/View启动之后会出现Welcome欢迎窗口。,操作界面简介,ADAMS/View的界面介绍 启动ADAMS/View后，ADAMS/View关闭 Welcome对话窗口，并进入ADAMS/View的主窗口界面。如图所示。,操作界面简介,点线绘制,实体绘制,布尔操作,特征修饰,参数设置,Adams建模工具,操作界面简介,约束工具,虚约束工具,运动工具,约束工具,状态参数设置,约束与运动工具集,操作界面简介,力、力矩工具,柔性力,状态参数设置,载荷工具集,操作界面简介,仿真工具集,操作界面简介,总工具集,操作界面简介,后处理程序窗口,菜单栏,工具条,对象结构关系栏,状态栏,控制面
16、板区,特性编辑区,后处理的绘图区,页面操作区,操作界面简介,工作环境设置,工作栅格的设置 坐标的系设置 单位的设置 背景颜色的设置 重力的设置。图 标的设置,ADAMSSETTINGS分别设置,*利用Adams软件建模工具直接建立样机模型,*利用其它软件建立模型后输入Adams软件,利用adams仿真软件对机械系统进行仿真过程：,建模,系统几何建模,施加约束和运动,施加载荷,测量调试,仿真与仿真再现,仿真后处理,利用adams对机械系统进行仿真过程,建模方式,应用ADAMS2005直接建立几何模型,应用其他三维CAD软件建立几何模型，然后通过相 应的接口导入ADAMS2005,应用ADAMS对
17、机械系统进行仿真，必须要有所要仿真系统的模型（或物理模型），通过哪些途径/方法建立其几何模型？,（1）预备知识（2）几何建模工具（3）创建几何形状（4）创建简单实体模型（5）创建复杂实体模型（6）修改几何模型,应用ADAMS2005直接建立几何模型,（1）预备知识,几何体类型 ADAMS/View为用户提供了四种类型的零件：刚体(Rigid Bodies)、柔性体（Flexible Bodies）、点质量（Point Masses）和大地（Ground）。几何体坐标系 当新创建几何体时，ADAMS/View会为它们分配一个坐标系，即几何体的局部坐标系。在仿真过程中，局部坐标系会随着几何体的运动
18、而运动，构件的尺寸和形状相对于该局部坐标静止不变。构件局部坐标在地面坐标系中的位置和方向，确定了几何体所在的位置和方向。,几何体的自由度 用户创建的每个刚体都可以在它的所有自由度运动，移动或转动；点质量可以在三个自由度上移动。用户可以通过以下方法来约束几何体的运动：把几何体加到大地上：这意味着几何体和大地固结在一起，在任何方向都不能运动。给几何体加约束：例如，铰链。铰链定义了几何体之间的连接方式以及它们之间的相对运动方式。几何体的命名 创建几何体时，ADAMS/View会根据它的类型和模型中同类几何体的数量而自动地为几何体取一个名称。例如，当创建第一个点质量时，命名它为POINT_MASS_1
19、。产生第二个点质量时，命名为POINT_MASS_2。,鼠标的应用 ADAMS/View的鼠标应用有两种方式，鼠标左键和鼠标右键。ADAMS/View使用鼠标左键，选择样机模型中的各种对象、选择菜单栏中的命令、和对话框中的有关命令。ADAMS/View中，鼠标右键是非常有用的，在不同的地方点击右键，有不同的作用。,使用鼠标右键的场合主要有：1）显示建模过程中屏幕上的各种对象弹出式菜单，例如：构件、标记、约束、运动和力等。2）在各种输入对话框中的参数文本输入栏，显示输入参数的弹出式菜单。3）在后处理过程中，显示曲线图中各种对象的弹出式菜单，例如：曲线、标题、坐标、符号标记等。4）在主工具箱等有工
20、具图标集的场合，显示其二级图标。,（2）几何建模工具,ADAMS/View为用户提供了非常丰富的基本几何体建模工具，调用几何建模工具有两种方法：利用几何建模工具图标建模 在主窗口菜单栏中选择Build菜单，并选择Bodies/Geometry项，显示浮动建模工具对话框，从中选择绘制几何形体工具，再选择输入建模参数并绘制模型。,（3）创建几何形状,ADAMS/View中建构几何形状包括：关键点（Point）、标记点（Marker）、直线（Line）和多段线（Polyline）、圆弧（Arc）和圆（Circle）、多义线（Spline）。这些几何体没有质量，主要用于定义其它几何形状和几何体。其中关
21、键点和标记点是最常用的几何建模辅助工具。,（4）创建简单实体模型,实体几何模型是三维零件。用户可以利用ADAMS/View的实体建模库创建实体零件或将封闭的曲线拉伸成实体几何模型。此外，用户还可以将简单零件组合而成形状复杂的零件或在零件上创建其它的特征，如：圆角、倒角等。下面介绍如何利用ADAMS/View的实体建模库创建实体零件。,（5）创建复杂实体模型,ADAMS/View为用户提供了许多由简单几何体创建复杂几何体的方法。可以由线框几何图形创建有质量的实体或无质量的形状复杂的开口的几何体。可以通过以下方法创建：连接线性构建几何图形。拉伸构建几何图形。组合几何体。,（6）修改几何模型,完成几
22、何体的创建后，ADAMS/View仍然允许用户对其几何形状和位置等进行修改。除了构件的几何形状外，用户还可以对其名称、颜色进行修改；进行仿真分析时，所需的构件特性还包括：质量、转动惯量和惯性积，初始速度，初始位置和方向等。,（1）在CATIA、solid-edge、solid-working、p-re、UG等三维造型软件中，绘制三维装配图形；,注意：机器包含许多零部件，为简化仿真模型，可以在建立三维图形时，将链接螺栓等非传动件忽略，将其质量添加到相连的传动件上，切记：在CAD软件中绘制完三维装配图后，将文件保存为.igs、或.x_t为后缀的格式退出。,应用其他三维CAD软件建立几何模型，然后通
23、过相 应的接口导入ADAMS2005,（2）将三维CAD图形文件调入ADAMS软件,打开ADAMS软件，进入ADAMS界面，进行以下操作：,在File菜单，选择Import命令，显示文件输入对话框。,输入文件编辑对话框,文件格式,要输入的文件,输入后adams文件名,在File Type栏，选择输入的CAD文件格式，后缀为.x_t格式，显示输入的CAD文件对话框；,在File To Read右边的空框内输入文件名，方法为：鼠标放在空框内，点击右键，选择browse，打开文件浏览对话框，找到已保存的后缀为.x_t的文件，双击即可；,在model Name 栏，输入ADAMS数据库名；,选择OK按
24、钮，即可将CAD文件调入ADAMS软件中。,（3）点击放大缩小图标，将鼠标放在绘图视窗内，按下左键，移动鼠标，显示调入的图形。,（4）修改各零部件的物理特性：视图在由CAD软件调入ADAMS软件后，其各部件的物理特性丢失，只保留了几何特性，所以，为进行系统仿真，需要对每一个零部件添加材料特性，方法如下：,将鼠标放在要修改的零部件上，点击右键，依次选择：浮动菜单的第一项partmodify，打开修改对话框；,特性参数修改对话框,在category栏选择mass properties；在define mass by栏选择geometry and material type；在material ty
25、pe 栏，输入零件的材料,点击修改对话框下角的show calculated inertia，计算零件的质量和转动惯量等参数；,Ok退出，即完成零件的物性修改，其它零件类推。,（5）模型建立导入完毕。,例2、活塞连杆机构运动仿真。,应用adams进行仿真实例,例2、活塞连杆机构运动仿真。,应用CATIA V5R17/19建立活塞连杆机构的零 件三维模型并进行装配：,曲轴,连杆,例2、活塞连杆连杆机构运动仿真。,应用CATIA V5R17/19建立活塞连杆机构的零 件三维模型并进行装配：,活塞,缸体,例2、活塞连杆连杆机构运动仿真。,应用CATIA V5R17/19建立活塞连杆机构的零 件三维模
26、型并进行装配：,活塞连杆机构装配体,例2、活塞连杆连杆机构运动仿真。,应用CATIA V5R17/19建立活塞连杆机构的装配体另存为.igs格式，然后用pro/e3.0打开，再保存副本选项中设为.x_t格式文件：,例2、活塞连杆连杆机构运动仿真。,打开adams软件，导入刚才保存为.x_t格式的文件活塞连杆机构装配体：,例2、活塞连杆连杆机构运动仿真。,打开adams软件，导入刚才保存为.x_t格式的文件活塞连杆机构装配体，更改零件名称，并进行运动副等设置：,例2、活塞连杆连杆机构运动仿真。,打开adams软件，导入刚才保存为.x_t格式的文件活塞连杆机构装配体，更改零件名称，并进行运动副等设
27、置：,例2、活塞连杆连杆机构运动仿真。,设置仿真起止时间，进行仿真：,例2、活塞连杆连杆机构运动仿真。,设置需要测量的参数，比如曲轴的旋转角速度，活塞的移动位移、速度等：,例2、活塞连杆连杆机构运动仿真。,仿真结果曲轴的角速度曲线：,例2、活塞连杆连杆机构运动仿真。,仿真结果活塞移动的位移曲线：,例2、活塞连杆连杆机构运动仿真。,仿真结果活塞移动的速度曲线：,本章主要介绍计算机仿真技术课程选用的仿真软件ADAMS2005，通过本章学习，应该掌握以下几个方面内容：明确ADAMS软件和MATLAB软件的区别与联系；了解虚拟样机技术与ADAMS软件的关系，以及ADAMS软件目前的应用情况；熟悉ADAMS的功能及在工程领域应用的现状及前景；能进行ADAMS软件的安装、卸载，熟悉该软件的界面；掌握应用ADAMS软件进行仿真的步骤，并能应用该软件对简单的系统模型进行仿真；掌握ADAMS软件的自身建模外，能将借用其他CAD软件（如：CATIA、UG、PRO/E等）建立的模型导入ADAMS进行仿真。,小结,小结,简述应用catia软件建立模型导入到adams进行动力学仿真的过程/步骤（以视频凸轮机构为例）；,传统CAD/CAE/CAM技术和虚拟样机技术的主要区别是什么？,
