虚拟样机技术及其在ADAMS上的应用课件

虚拟样机技术及其在虚拟样机技术及其在ADAMSADAMS上上的应用的应用福州大学机械学院福州大学机械学院郭晓宁郭晓宁7/16/2024虚拟样机技术及其在ADAMS上的应用福州大学机械学院8/141美国波音美国波音777777飞机飞机美国美国美国美国B777B777B777B777的应用效果的应用效果的应用效果的应用效果开发周期：开发周期：开发周期：开发周期：9 9 9 9年年年年4.54.54.54.5年年年年成本降低：成本降低：成本降低：成本降低：25252525出错返工率减少出错返工率减少出错返工率减少出错返工率减少:75%:75%:75%:75%制造周期缩短制造周期缩短制造周期缩短制造周期缩短:50%:50%:50%:50%100100100100整机数字化设计整机数字化设计整机数字化设计整机数字化设计现代产品开发新现代产品开发新现代产品开发新现代产品开发新技术的技术的技术的技术的里程碑里程碑里程碑里程碑虚拟产品开发虚拟产品开发虚拟产品开发虚拟产品开发(Virtual Product Development,VPD)虚拟样机技术虚拟样机技术虚拟样机技术虚拟样机技术(Virtual Prototyping,VP)美国波音777飞机美国B777的应用效果现代产品开发新技2数字化轿车数字化轿车技术趋势技术趋势数字化设计制造数字化设计制造虚拟样机虚拟样机全球采购和分销全球采购和分销大规模定制大规模定制通用公司应用状况通用公司应用状况开发周期（开发周期（4848月月2424月月 12 12月）月）碰撞试验（碰撞试验（100100次次 50 50次）次）个性化定单个性化定单 3 3小时小时通过在线采购降低成本通过在线采购降低成本1010产品概念设计产品概念设计产品详细设计产品详细设计数字化轿车技术趋势通用公司应用状况产品概念设计产品详细设3一、虚拟样机技术产生背景一、虚拟样机技术产生背景市场激烈竞争的拉动市场激烈竞争的拉动 技术迅速发展的推动技术迅速发展的推动多品种小批量多品种小批量大批量定制大批量定制T T(最快的上市时间最快的上市时间最快的上市时间最快的上市时间)QQ(最好的产品质量最好的产品质量最好的产品质量最好的产品质量)C C(最低的产品成本最低的产品成本最低的产品成本最低的产品成本)S S(良好的产品服务良好的产品服务良好的产品服务良好的产品服务)E E(尽少的环境污染尽少的环境污染尽少的环境污染尽少的环境污染)要求要求现代信息技术特别是计算机技术的飞速发展现代信息技术特别是计算机技术的飞速发展现代信息技术特别是计算机技术的飞速发展现代信息技术特别是计算机技术的飞速发展与广泛应用与广泛应用与广泛应用与广泛应用一、虚拟样机技术产生背景市场激烈竞争的拉动多品种小批量大批量4二、虚拟产品开发技术二、虚拟产品开发技术“虚拟产品开发是虚拟产品开发是虚拟产品开发是虚拟产品开发是一种设想一种设想一种设想一种设想，在这个设想中，以，在这个设想中，以，在这个设想中，以，在这个设想中，以网络方式组合在一起的人们将网络方式组合在一起的人们将网络方式组合在一起的人们将网络方式组合在一起的人们将协同协同协同协同工作，以完成工作，以完成工作，以完成工作，以完成对产品的设计、分析、制造以及技术支持。他们对产品的设计、分析、制造以及技术支持。他们对产品的设计、分析、制造以及技术支持。他们对产品的设计、分析、制造以及技术支持。他们的工作将以数字化的方式确定和分配，从而使得的工作将以数字化的方式确定和分配，从而使得的工作将以数字化的方式确定和分配，从而使得的工作将以数字化的方式确定和分配，从而使得他们能够在任何时间、任何地点协同或独立地工他们能够在任何时间、任何地点协同或独立地工他们能够在任何时间、任何地点协同或独立地工他们能够在任何时间、任何地点协同或独立地工作。这种开发网络除了生产公司外，还将包括供作。这种开发网络除了生产公司外，还将包括供作。这种开发网络除了生产公司外，还将包括供作。这种开发网络除了生产公司外，还将包括供应商、合作伙伴和客户。应商、合作伙伴和客户。应商、合作伙伴和客户。应商、合作伙伴和客户。”（UGUG总裁总裁总裁总裁John John Mazzloa,1993Mazzloa,1993）1、虚拟产品开发的技术特点、虚拟产品开发的技术特点二、虚拟产品开发技术“虚拟产品开发是一种设想，在这个设想中，51、虚拟产品开发的技术特点、虚拟产品开发的技术特点数字化方式数字化方式 一、一、一、一、产品存在的数字化产品存在的数字化产品存在的数字化产品存在的数字化 二、开发管理的数字化二、开发管理的数字化二、开发管理的数字化二、开发管理的数字化 三、信息交流的数字化三、信息交流的数字化三、信息交流的数字化三、信息交流的数字化产品全生命周期产品全生命周期 CAD/CAD/CAE/CAM/PDMCAE/CAM/PDM VP/PLM VP/PLM（虚拟样机（虚拟样机（虚拟样机（虚拟样机/产品全生命周期管理）产品全生命周期管理）产品全生命周期管理）产品全生命周期管理）网络协同网络协同二、虚拟产品开发技术二、虚拟产品开发技术1、虚拟产品开发的技术特点数字化方式二、虚拟产品开发技术6数字化方式数字化方式管路设计管路设计强度分析强度分析结构分析结构分析数字预装配数字预装配CAM装配过程仿真装配过程仿真装配过程仿真装配过程仿真数字化方式管路设计强度分析结构分析数字预装配CAM装配过程仿7VP/PLM生产生产生产生产销售销售销售销售使用使用使用使用维护维护维护维护/服务服务服务服务规划规划规划规划设计设计设计设计/确认确认确认确认制造制造制造制造概念设计概念设计概念设计概念设计产品全生命周期产品全生命周期报废报废报废报废/回收回收回收回收VP/PLM生产销售使用维护/服务规划设计/确认制造概念设计83、虚拟产品开发使能技术、虚拟产品开发使能技术二、虚拟产品开发技术二、虚拟产品开发技术产品数字化建模：几何模型、分析模型、制造模型PDM/PLM（产品数据管理/产品全生命周期管理）网络协同技术业务流程重组3、虚拟产品开发使能技术二、虚拟产品开发技术产品数字化建模：93、虚拟产品开发流程、虚拟产品开发流程 虚拟产品开发的最主要特征是虚拟产品开发的最主要特征是虚拟产品开发的最主要特征是虚拟产品开发的最主要特征是产品开发过程产品开发过程产品开发过程产品开发过程的数字化的数字化的数字化的数字化虚拟样机虚拟样机虚拟样机虚拟样机概念概念概念概念产品产品产品产品概念概念概念概念设计设计设计设计制造制造制造制造产品产品产品产品传统产品开发流程传统产品开发流程传统产品开发流程传统产品开发流程虚拟产品开发流程虚拟产品开发流程虚拟产品开发流程虚拟产品开发流程二、虚拟产品开发技术二、虚拟产品开发技术3、虚拟产品开发流程虚拟产品开发的最主要特征是产品开发过程的10三、虚拟样机技术三、虚拟样机技术CAXDFX先进仿真技术先进仿真技术先进仿真技术先进仿真技术先进制造技术先进制造技术先进制造技术先进制造技术现代信息技术现代信息技术现代信息技术现代信息技术CADCAECAMDAMDFA虚拟样虚拟样机技术机技术融合融合融合融合基础基础基础基础将这些技术应用于复杂系统全生命周期和全系统并对它们进将这些技术应用于复杂系统全生命周期和全系统并对它们进将这些技术应用于复杂系统全生命周期和全系统并对它们进将这些技术应用于复杂系统全生命周期和全系统并对它们进行综合管理，从系统的层面来分析复杂系统行综合管理，从系统的层面来分析复杂系统行综合管理，从系统的层面来分析复杂系统行综合管理，从系统的层面来分析复杂系统,支持由上到下的支持由上到下的支持由上到下的支持由上到下的复杂系统开发模式，利用虚拟样机代替物理样机对产品进行复杂系统开发模式，利用虚拟样机代替物理样机对产品进行复杂系统开发模式，利用虚拟样机代替物理样机对产品进行复杂系统开发模式，利用虚拟样机代替物理样机对产品进行创新设计测试和评估创新设计测试和评估创新设计测试和评估创新设计测试和评估,以缩短开发周期以缩短开发周期以缩短开发周期以缩短开发周期,降低产品开发成本，降低产品开发成本，降低产品开发成本，降低产品开发成本，改进产品设计质量改进产品设计质量改进产品设计质量改进产品设计质量,提高面向客户与市场需求的能力提高面向客户与市场需求的能力提高面向客户与市场需求的能力提高面向客户与市场需求的能力三、虚拟样机技术CAXDFX先进仿真技术先进制造技术现代信息11虚拟样机（虚拟样机（Virtual Prototype）虚拟样机是由分布的、不同工具开发的、甚至异虚拟样机是由分布的、不同工具开发的、甚至异虚拟样机是由分布的、不同工具开发的、甚至异虚拟样机是由分布的、不同工具开发的、甚至异构的子模型组成的模型联合体构的子模型组成的模型联合体构的子模型组成的模型联合体构的子模型组成的模型联合体：产品的产品的产品的产品的CADCADCADCAD模型模型模型模型产品的外观表示模型产品的外观表示模型产品的外观表示模型产品的外观表示模型产品的功能和性能仿真模型产品的功能和性能仿真模型产品的功能和性能仿真模型产品的功能和性能仿真模型产品的各种分析模型（可制造性、可装配性等）产品的各种分析模型（可制造性、可装配性等）产品的各种分析模型（可制造性、可装配性等）产品的各种分析模型（可制造性、可装配性等）产品的使用和维护模型产品的使用和维护模型产品的使用和维护模型产品的使用和维护模型以及环境模型等；以及环境模型等；以及环境模型等；以及环境模型等；虚拟样机是建立在计算机上的原型系统或子系统模虚拟样机是建立在计算机上的原型系统或子系统模虚拟样机是建立在计算机上的原型系统或子系统模虚拟样机是建立在计算机上的原型系统或子系统模型，它在一定程度上具有与物理样机相当的功能真型，它在一定程度上具有与物理样机相当的功能真型，它在一定程度上具有与物理样机相当的功能真型，它在一定程度上具有与物理样机相当的功能真实度。实度。实度。实度。（美国国防部）（美国国防部）（美国国防部）（美国国防部）虚拟样机（Virtual Prototype）虚拟样机是由分12虚拟样机虚拟样机虚拟样机虚拟样机支持产品开发制造的全生命周期支持产品开发制造的全生命周期需求分析和定义需求分析和定义概念设计概念设计详细设计详细设计生产制造生产制造测试评估测试评估使用使用维护训练维护训练直至销毁等不同阶段直至销毁等不同阶段概念设计详细设计生产制造（虚拟）测试评估使用维护训练需求分析和定义销毁虚拟样机虚拟样机支持产品开发制造的全生命周期概念设计详细设计13在产品全生命周期中的虚拟样机需求样机概念样机工程样机最终样机虚拟样机虚拟样机需求论证概念设计详细设计生产、装配维护在产品全生命周期中的虚拟样机需求样机概念样机工程样机最终样机14需求样机需求样机 需求样机是根据用户需求建立的未来产品的可视化需求样机是根据用户需求建立的未来产品的可视化和数字化描述，描述产品功能和外部行为的结构模型和数字化描述，描述产品功能和外部行为的结构模型进行未来产品的功能仿真，给设计部门演示和说明产进行未来产品的功能仿真，给设计部门演示和说明产品功能的具体要求和使用环境品功能的具体要求和使用环境给出未来产品的性能要求及其粗略框架，框架由有待给出未来产品的性能要求及其粗略框架，框架由有待填充、细化和完善的功能模块组成填充、细化和完善的功能模块组成需求样机 需求样机是根据用户需求建立15概念样机概念样机概念样机是根据需求样机的概念样机是根据需求样机的要求，对所提出未来产品要求，对所提出未来产品的方案设想的可视化和数的方案设想的可视化和数字化描述字化描述细化了功能模块和模块间细化了功能模块和模块间的信息流动关系的信息流动关系 为产品的性能和外部行为为产品的性能和外部行为提供物理细节和更详细的提供物理细节和更详细的可视化描述可视化描述对产品的可制造性、可装对产品的可制造性、可装配性及其可维护性进行概配性及其可维护性进行概略评估略评估概念样机概念样机是根据需求样机的要求，对所提出未来产品的方案16工程样机工程样机工程样机是概念样机的进一步细工程样机是概念样机的进一步细化，主要由产品的各种物理性化，主要由产品的各种物理性能模型、能模型、CADCAD模型以及其他模模型以及其他模型（成本、维护等）组成型（成本、维护等）组成开展产品的各种仿真试验开展产品的各种仿真试验工作，评估详细设计方案工作，评估详细设计方案的优缺点，以及可制造性、的优缺点，以及可制造性、可装配性、可维护性等可装配性、可维护性等根据评估结果，对产品的根据评估结果，对产品的开发和生产进度、成本、开发和生产进度、成本、质量提出更为全面的要求质量提出更为全面的要求工程样机工程样机是概念样机的进一步细化，主要由产品的各种物理17最终样机最终样机 在产品生产、装配和使用前，在产品生产、装配和使用前，虚拟样机在工程上基本定型。虚拟样机在工程上基本定型。原型样机是将原有样机与实原型样机是将原有样机与实际使用环境相结合，检验产际使用环境相结合，检验产品的实际使用效果，评估进品的实际使用效果，评估进一步改进设计方案的可能性一步改进设计方案的可能性加入可靠性模型、维护模加入可靠性模型、维护模型和可用性模型，支持产型和可用性模型，支持产品的虚拟维护品的虚拟维护加入虚拟仿真模型和操作加入虚拟仿真模型和操作模型，支持产品的使用训模型，支持产品的使用训练模拟练模拟最终样机 在产品生产、装配和使用前，虚拟样机在工程上基18虚拟样机的内涵虚拟样机的内涵 由分布的、不同工具开发的、甚至异构的子模由分布的、不同工具开发的、甚至异构的子模型组成的模型联合体（型组成的模型联合体（CAxCAx、DFxDFx、外观、仿真、外观、仿真），），这些数字模型联合体即虚拟样机这些数字模型联合体即虚拟样机（virtual prototypevirtual prototype），能从视觉、听觉、触觉），能从视觉、听觉、触觉以及功能、性能和行为上模拟真实产品。以及功能、性能和行为上模拟真实产品。q现场沉浸感现场沉浸感q背面投影背面投影q立体显示立体显示q交互交互q快速原型快速原型虚拟样机的内涵 由分布的、不同工具开发的、甚至异构的子模19虚拟样机开发过程是产品全生命周期内基于模型的不断提炼与完善的过程 虚拟样机的内涵虚拟样机开发过程是产品全生命周期内基于模型的不断提炼与完善的20并行工程并行工程是虚拟样机技术是虚拟样机技术指导思想；指导思想；建模建模/仿真仿真是虚拟样机技术的是虚拟样机技术的核心；核心；协同仿真协同仿真是虚拟样机技术的是虚拟样机技术的关键；关键；CAx/DFx/CAx/DFx/仿真是仿真是虚拟样机技术的虚拟样机技术的工具；工具；虚拟样机技术（虚拟样机技术（Virtual Prototyping）并行工程是虚拟样机技术指导思想；虚拟样机技术（Virtual21虚拟样机技术虚拟样机技术虚拟样机技术是以虚拟样机技术是以虚拟样机技术是以虚拟样机技术是以并行工程思想并行工程思想并行工程思想并行工程思想为指导，为指导，为指导，为指导，建模仿真理论建模仿真理论建模仿真理论建模仿真理论为核为核为核为核心，以各领域心，以各领域心，以各领域心，以各领域CAxCAxCAxCAx（如（如（如（如CADCADCADCAD、CAMCAMCAMCAM、CAECAECAECAE等）等）等）等）/DFxDFxDFxDFx（如（如（如（如DFADFADFADFA、DFMDFMDFMDFM等）等）等）等）/仿真仿真仿真仿真为工具的一种综合应用技术。为工具的一种综合应用技术。为工具的一种综合应用技术。为工具的一种综合应用技术。测量测量装配序列装配序列装配过程仿真装配过程仿真多多CAD 模型集成装配模型集成装配 动态干涉检查动态干涉检查 动态剖面检查动态剖面检查 接近度阵列接近度阵列虚拟样机技术虚拟样机技术是以并行工程思想为指导，建模仿真理论22虚拟样机技术的特点虚拟样机技术的特点强调强调强调强调系统系统系统系统的观点的观点的观点的观点-强调在系统的层次上模强调在系统的层次上模拟产品的外观、功能和在特定环境下的行为；拟产品的外观、功能和在特定环境下的行为；拟产品的外观、功能和在特定环境下的行为；拟产品的外观、功能和在特定环境下的行为；虚拟样机技术的特点23虚拟样机技术的特点虚拟样机技术的特点涉及涉及涉及涉及产品全生命周产品全生命周产品全生命周产品全生命周期期期期-虚拟样机可虚拟样机可虚拟样机可虚拟样机可应用于产品开发的应用于产品开发的应用于产品开发的应用于产品开发的全生命周期，并随全生命周期，并随全生命周期，并随全生命周期，并随着产品生命周期的着产品生命周期的着产品生命周期的着产品生命周期的演进而演进而演进而演进而不断丰富和不断丰富和不断丰富和不断丰富和完善完善完善完善；生产生产生产生产销售销售销售销售使用使用使用使用维护维护维护维护/服务服务服务服务报废报废报废报废/回收回收回收回收规划规划规划规划设计设计设计设计/确认确认确认确认制造制造制造制造概念设计概念设计概念设计概念设计虚拟样机技术的特点生产销售使用维护/服务报废/回收规划设计/24虚拟样机技术的特点虚拟样机技术的特点支持产品的支持产品的支持产品的支持产品的全方位测全方位测全方位测全方位测试、分析与评估试、分析与评估试、分析与评估试、分析与评估-支支支支持不同领域人员从不持不同领域人员从不持不同领域人员从不持不同领域人员从不同的角度对同一虚拟同的角度对同一虚拟同的角度对同一虚拟同的角度对同一虚拟产品并行地进行测试、产品并行地进行测试、产品并行地进行测试、产品并行地进行测试、分析与评估活动。分析与评估活动。分析与评估活动。分析与评估活动。强调不同领域的强调不同领域的强调不同领域的强调不同领域的虚拟虚拟虚拟虚拟化化化化的协同设计的协同设计的协同设计的协同设计。虚拟样机技术的特点支持产品的全方位测试、分析与评估-支持25 虚拟样机技术已经广泛地应用在各个领域里：虚拟样机技术已经广泛地应用在各个领域里：虚拟样机技术已经广泛地应用在各个领域里：虚拟样机技术已经广泛地应用在各个领域里：1 1 1 1、汽车制造业、汽车制造业、汽车制造业、汽车制造业2 2 2 2、工程机械、工程机械、工程机械、工程机械3 3 3 3、航天航空业、航天航空业、航天航空业、航天航空业4 4 4 4、国防工业、国防工业、国防工业、国防工业5 5 5 5、通用机械制造业、通用机械制造业、通用机械制造业、通用机械制造业 虚拟样机技术应用领域虚拟样机技术应用领域 虚拟样机技术已经广泛地应用在各个领域里：1、汽26虚拟样机技术及其在ADAMS上的应用课件27虚拟样机技术及其在ADAMS上的应用课件28汽车可操作性和乘坐舒适性仿真汽车可操作性和乘坐舒适性仿真 汽车可操作性（汽车可操作性（handling)handling)仿真是指利用整车动仿真是指利用整车动力学模型，当操作人员在采用各种不同驾驶方法的力学模型，当操作人员在采用各种不同驾驶方法的情况下，对车辆的侧倾稳定性进行仿真研究。情况下，对车辆的侧倾稳定性进行仿真研究。以汽车前、后悬架及转向机构以汽车前、后悬架及转向机构以汽车前、后悬架及转向机构以汽车前、后悬架及转向机构为主的多体动力学模型为主的多体动力学模型为主的多体动力学模型为主的多体动力学模型汽车可操作性和乘坐舒适性仿真 汽车可操作性（handlin29增加发动机、车身后的增加发动机、车身后的整车多体动力学模型整车多体动力学模型增加发动机、车身后的整车多体动力学模型30大变形大变形碰撞仿真碰撞仿真摆式车空调摆式车空调 通风仿真通风仿真工业设计工业设计疲劳分析疲劳分析仿真仿真动力学动力学仿真仿真气流噪声气流噪声仿真仿真气动压力气动压力仿真仿真结构噪声结构噪声仿真仿真双层车双层车模态仿真模态仿真温度场温度场仿真仿真D38轻量轻量化设计化设计强度强度分析分析制动及冲击制动及冲击响应仿真响应仿真铁路车辆领域仿真铁路车辆领域仿真大变形摆式车空调 通风仿真工业设计疲劳分析动力学气流噪31虚拟样机技术的内容虚拟样机技术的内容虚拟样机是面向虚拟样机是面向虚拟样机是面向虚拟样机是面向系统级系统级系统级系统级设计的、应用于基于仿真设计的、应用于基于仿真设计的、应用于基于仿真设计的、应用于基于仿真设计过程的技术（前设计过程的技术（前设计过程的技术（前设计过程的技术（前MDIMDIMDIMDI总裁）总裁）总裁）总裁）面向系统的虚拟样机技术面向系统的虚拟样机技术面向系统的虚拟样机技术面向系统的虚拟样机技术数字化数字化数字化数字化物理样机物理样机物理样机物理样机（虚拟物理样机虚拟物理样机虚拟物理样机虚拟物理样机）功能虚拟样机功能虚拟样机功能虚拟样机功能虚拟样机（虚拟样机与（虚拟样机与改进技术）改进技术）虚拟工厂仿真虚拟工厂仿真虚拟工厂仿真虚拟工厂仿真（虚拟产品）（虚拟产品）（虚拟产品）（虚拟产品）系统系统系统系统装配装配装配装配巡航巡航巡航巡航浏览浏览浏览浏览运动运动运动运动包迹包迹包迹包迹冲突冲突冲突冲突碰撞碰撞碰撞碰撞运动运动运动运动操纵操纵操纵操纵震动震动震动震动噪声噪声噪声噪声耐久耐久耐久耐久疲劳疲劳疲劳疲劳工效工效工效工效舒适舒适舒适舒适安全安全安全安全冲击冲击冲击冲击公差公差公差公差装配装配装配装配序列序列序列序列机器人机器人机器人机器人虚拟样机技术的内容虚拟样机是面向系统级设计的、应用于基于仿真32虚拟样机技术与传统虚拟样机技术与传统CAXCAX技术的比较技术的比较面向面向面向面向系统的系统的系统的系统的虚拟样机技术虚拟样机技术虚拟样机技术虚拟样机技术虚拟物理虚拟物理虚拟物理虚拟物理样机样机样机样机虚拟样机技术虚拟样机技术虚拟样机技术虚拟样机技术虚拟产品虚拟产品虚拟产品虚拟产品设计设计设计设计 分析分析分析分析 产品产品产品产品产品数据管理系统产品数据管理系统产品数据管理系统产品数据管理系统/产品全生命周期管理产品全生命周期管理产品全生命周期管理产品全生命周期管理面向面向面向面向零部件零部件零部件零部件的传统的传统的传统的传统CAD/CAE/CAMCAD/CAE/CAM技术技术技术技术CADCADCAMCAMCAECAE虚拟样机技术与传统CAX技术的比较面向系统的虚拟样机技术虚拟33功能虚拟样机功能虚拟样机将传统的基于有限元的CAE技术推广到系统系统级的功能与性能分析与仿真。级的功能与性能分析与仿真。实现了虚拟试验虚拟试验数字化物理样机与试验环境的集成。功能虚拟样机将传统的基于有限元的CAE技术推广到系统级的功能34功功能能虚虚拟拟样样机机实实现现过过程程功能虚拟样机实现过程35数字化功能虚拟样机数字化功能虚拟样机Functional Digital Prototyping，FDP其基础理论为：计算多体系统动力学；结构有限元理论；其他领域物理系统建模与仿真理论；多领域物理系统混合建模与仿真理论。数字化功能虚拟样机Functional Digital Pr36数字化功能样机运动/动力学应力疲劳非线性变形多领域混合液压/控制CFD碰撞/冲击传导/热传导噪声/震动多体系统理论有限元疲劳有限元非线性有限元模态有限元热传导有限元大变形有限元CFD液压控制论多领域仿真ADAMSDADSSIMPACKFE-SafeMarcAbaqusAdinaSysnosiseAutoSeaAnsysMarcNastranLs-dynaDytranAdinaStar/CDFluentFlow3DAmesimMatlabAdamsMatlabDymolaeasy5数字化运动/应力非线性多领域液压/CFD碰撞/传导/噪声/多37机械系统动力学分析与仿真机械系统动力学分析与仿真以美国以美国以美国以美国HaugHaug为代表为代表为代表为代表于于于于20202020世纪世纪世纪世纪70707070年代开始对机械系统动力学分析与仿年代开始对机械系统动力学分析与仿年代开始对机械系统动力学分析与仿年代开始对机械系统动力学分析与仿真的自动化建模和求解进行研究。真的自动化建模和求解进行研究。真的自动化建模和求解进行研究。真的自动化建模和求解进行研究。20202020世纪世纪世纪世纪80808080年代：形成年代：形成年代：形成年代：形成计算多体系统动力学计算多体系统动力学计算多体系统动力学计算多体系统动力学学科。学科。学科。学科。20202020世纪世纪世纪世纪90909090年代：基于计算多体系统动力学的机械年代：基于计算多体系统动力学的机械年代：基于计算多体系统动力学的机械年代：基于计算多体系统动力学的机械系统分析与仿真技术系统分析与仿真技术系统分析与仿真技术系统分析与仿真技术趋于成熟。趋于成熟。趋于成熟。趋于成熟。机械系统动力学分析与仿真技术的成熟为机械系统动力学分析与仿真技术的成熟为机械系统动力学分析与仿真技术的成熟为机械系统动力学分析与仿真技术的成熟为CAECAECAECAE领领领领域带来了全新的面貌，使的面向系统层次的设计域带来了全新的面貌，使的面向系统层次的设计域带来了全新的面貌，使的面向系统层次的设计域带来了全新的面貌，使的面向系统层次的设计分析成为可能，功能虚拟样机技术正式在机械系分析成为可能，功能虚拟样机技术正式在机械系分析成为可能，功能虚拟样机技术正式在机械系分析成为可能，功能虚拟样机技术正式在机械系统动力学与仿真技术的基础上形成的。统动力学与仿真技术的基础上形成的。统动力学与仿真技术的基础上形成的。统动力学与仿真技术的基础上形成的。机械系统动力学分析与仿真以美国Haug为代表38国外虚拟样机技术的商品化过程早已完成。国外虚拟样机技术的商品化过程早已完成。目前有二十多家公司在这个日益增长的市目前有二十多家公司在这个日益增长的市场上竞争。比较有影响的产品包括机械动场上竞争。比较有影响的产品包括机械动力学公司力学公司(Mechanical Dynamics Inc.)(Mechanical Dynamics Inc.)的的ADAMSADAMS，LMSLMS的的DADSDADS以及德国航天局的以及德国航天局的SIMPACKSIMPACK。机械动力学公司占据了市场的。机械动力学公司占据了市场的70%70%。机械系统动力学分析与仿真机械系统动力学分析与仿真国外虚拟样机技术的商品化过程早已完成。目前有二十多家公司在这39ADAMS软件简介软件简介ADAMS是英文Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems的缩写，是由美国MDI公司（Mechanical Dynamics Inc.）开发的机械系统动力学自动分析软件。在当今动力学分析软件市场上ADAMS独占鳌头，拥有70%的市场份额，ADAMS拥有windows版和unix两个版本，目前最高版本为ADAMS 2005。ADAMS软件简介ADAMS是英文Automatic Dyn40ADAMS软件特点软件特点利用交互式图形环境和零件库、约束库、力库建利用交互式图形环境和零件库、约束库、力库建利用交互式图形环境和零件库、约束库、力库建利用交互式图形环境和零件库、约束库、力库建立机械系统三维参数化模型。立机械系统三维参数化模型。立机械系统三维参数化模型。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，以及分析类型包括运动学、静力学和准静力学，以及分析类型包括运动学、静力学和准静力学，以及分析类型包括运动学、静力学和准静力学，以及线性和非线性动力学分析，包含刚体和柔性体分线性和非线性动力学分析，包含刚体和柔性体分线性和非线性动力学分析，包含刚体和柔性体分线性和非线性动力学分析，包含刚体和柔性体分析析析析具有先进的数值分析和强有力的求解器，使求解具有先进的数值分析和强有力的求解器，使求解具有先进的数值分析和强有力的求解器，使求解具有先进的数值分析和强有力的求解器，使求解快速、准确快速、准确快速、准确快速、准确具有组装、分析和动态显示不同模型或同一模型具有组装、分析和动态显示不同模型或同一模型具有组装、分析和动态显示不同模型或同一模型具有组装、分析和动态显示不同模型或同一模型在某一过程变化的能力，提供多种在某一过程变化的能力，提供多种在某一过程变化的能力，提供多种在某一过程变化的能力，提供多种“虚拟样机虚拟样机虚拟样机虚拟样机”方案方案方案方案ADAMS软件特点利用交互式图形环境和零件库、约束库、力库建41ADAMS软件特点软件特点具有一个强大的函数库供用户自定义力和运动发具有一个强大的函数库供用户自定义力和运动发具有一个强大的函数库供用户自定义力和运动发具有一个强大的函数库供用户自定义力和运动发生器生器生器生器具有开放式结构，允许用户集成自己的子程序具有开放式结构，允许用户集成自己的子程序具有开放式结构，允许用户集成自己的子程序具有开放式结构，允许用户集成自己的子程序自动输出位移、速度、加速度和反作用力曲线，自动输出位移、速度、加速度和反作用力曲线，自动输出位移、速度、加速度和反作用力曲线，自动输出位移、速度、加速度和反作用力曲线，仿真结果显示为动画和曲线图形仿真结果显示为动画和曲线图形仿真结果显示为动画和曲线图形仿真结果显示为动画和曲线图形可预测机械系统的性能、以内动范围、碰撞、包可预测机械系统的性能、以内动范围、碰撞、包可预测机械系统的性能、以内动范围、碰撞、包可预测机械系统的性能、以内动范围、碰撞、包装、峰值载荷以及计算有限元的输入载荷装、峰值载荷以及计算有限元的输入载荷装、峰值载荷以及计算有限元的输入载荷装、峰值载荷以及计算有限元的输入载荷支持同大多数支持同大多数支持同大多数支持同大多数CADCADCADCAD、FEAFEAFEAFEA和控制设计软件包的双向和控制设计软件包的双向和控制设计软件包的双向和控制设计软件包的双向通信通信通信通信。ADAMS软件特点具有一个强大的函数库供用户自定义力和运动发42ADAMS的基本模块介绍的基本模块介绍ADAMS核心核心模块模块功能功能扩展扩展模块模块专业专业领域领域模块模块接口接口模块模块工具箱工具箱ADAMS的基本模块介绍ADAMS核心功能专业接口工具箱43核心模块核心模块ADAMS/View（用户界面模块）（用户界面模块）（用户界面模块）（用户界面模块）ADAMS/Solver（求解器模块）（求解器模块）（求解器模块）（求解器模块）ADAMS/PostProcessor（后处理模块）（后处理模块）（后处理模块）（后处理模块）核心模块ADAMS/View（用户界面模块）44ADAMS/View可以像建立物理样机一样建立任何机械系统的虚可以像建立物理样机一样建立任何机械系统的虚可以像建立物理样机一样建立任何机械系统的虚可以像建立物理样机一样建立任何机械系统的虚拟样机。首先拟样机。首先拟样机。首先拟样机。首先建立运动部件建立运动部件建立运动部件建立运动部件（或者从（或者从（或者从（或者从CADCADCADCAD软件中导软件中导软件中导软件中导入）、用入）、用入）、用入）、用约束约束约束约束将它们连接、通过装配成为系统、将它们连接、通过装配成为系统、将它们连接、通过装配成为系统、将它们连接、通过装配成为系统、利用利用利用利用外力或运动外力或运动外力或运动外力或运动将他们驱动。将他们驱动。将他们驱动。将他们驱动。ADAMS/ViewADAMS/ViewADAMS/ViewADAMS/View支持支持支持支持参数化建模参数化建模参数化建模参数化建模，以便能很容易地修，以便能很容易地修，以便能很容易地修，以便能很容易地修改模型并用于实验研究。改模型并用于实验研究。改模型并用于实验研究。改模型并用于实验研究。用户在仿真过程进行中或者当仿真完成后，都可用户在仿真过程进行中或者当仿真完成后，都可用户在仿真过程进行中或者当仿真完成后，都可用户在仿真过程进行中或者当仿真完成后，都可以观察主要的数据变化以及模型的运动。这些就以观察主要的数据变化以及模型的运动。这些就以观察主要的数据变化以及模型的运动。这些就以观察主要的数据变化以及模型的运动。这些就像做实际的物理试验一样。像做实际的物理试验一样。像做实际的物理试验一样。像做实际的物理试验一样。ADAMS/View可以像建立物理样机一样建立任何机械系统的45 ADAMS/View ADAMS/View46ADAMS/Solver 一个自动建立并解算用于机械系统运动仿真方程一个自动建立并解算用于机械系统运动仿真方程一个自动建立并解算用于机械系统运动仿真方程一个自动建立并解算用于机械系统运动仿真方程的，快速、稳定的数值分析工具。的，快速、稳定的数值分析工具。的，快速、稳定的数值分析工具。的，快速、稳定的数值分析工具。提供一种用于解算复杂机械系统复杂运动的数值提供一种用于解算复杂机械系统复杂运动的数值提供一种用于解算复杂机械系统复杂运动的数值提供一种用于解算复杂机械系统复杂运动的数值方法方法方法方法 。可以对以机械部件、控制系统和柔性部件组成的可以对以机械部件、控制系统和柔性部件组成的可以对以机械部件、控制系统和柔性部件组成的可以对以机械部件、控制系统和柔性部件组成的多域问题进行分析。多域问题进行分析。多域问题进行分析。多域问题进行分析。支持多种分析类型，其中包括运动学、静力学、支持多种分析类型，其中包括运动学、静力学、支持多种分析类型，其中包括运动学、静力学、支持多种分析类型，其中包括运动学、静力学、准静力学、线性或非线性动力学分析。准静力学、线性或非线性动力学分析。准静力学、线性或非线性动力学分析。准静力学、线性或非线性动力学分析。使用稳定的建模方法可以对巨大的模型进行分析。使用稳定的建模方法可以对巨大的模型进行分析。使用稳定的建模方法可以对巨大的模型进行分析。使用稳定的建模方法可以对巨大的模型进行分析。ADAMS/Solver 一个自动建立并解算用于机械系统运动47ADAMS/PostProcessor显示显示显示显示ADAMSADAMSADAMSADAMS仿真结果的可视化图形界面。仿真结果的可视化图形界面。仿真结果的可视化图形界面。仿真结果的可视化图形界面。提供了一个统一化的界面，以不同的方式回放仿提供了一个统一化的界面，以不同的方式回放仿提供了一个统一化的界面，以不同的方式回放仿提供了一个统一化的界面，以不同的方式回放仿真的结果。为了能够反复使用，页面设置以及数真的结果。为了能够反复使用，页面设置以及数真的结果。为了能够反复使用，页面设置以及数真的结果。为了能够反复使用，页面设置以及数据曲线格式都能保存起来，这样既有利于节省时据曲线格式都能保存起来，这样既有利于节省时据曲线格式都能保存起来，这样既有利于节省时据曲线格式都能保存起来，这样既有利于节省时间也有利于整理标准化的报告格式。间也有利于整理标准化的报告格式。间也有利于整理标准化的报告格式。间也有利于整理标准化的报告格式。可以方便地同时显示多次仿真的结果以便比较。可以方便地同时显示多次仿真的结果以便比较。可以方便地同时显示多次仿真的结果以便比较。可以方便地同时显示多次仿真的结果以便比较。ADAMS/PostProcessor显示ADAMS仿真结果48接口模块接口模块ADAMS/Flex（柔性体分析模块）柔性体分析模块）ADAMS/Controls（控制模块）（控制模块）ADAMS/Exchange（图形接口模块）（图形接口模块）Cat/ADAMS（CATIA专业接口模块）专业接口模块）Mechanical/Pro（Pro/E专业接口模块）专业接口模块）接口模块ADAMS/Flex（柔性体分析模块）49功能扩展模块功能扩展模块ADAMS/Hydraulic（液压系统模块）（液压系统模块）（液压系统模块）（液压系统模块）ADAMS/Vibration（振动系统分析模块）（振动系统分析模块）（振动系统分析模块）（振动系统分析模块）ADAMS/Linear（线性化分析模块）（线性化分析模块）（线性化分析模块）（线性化分析模块）ADAMS/Animation（高速动画模块）（高速动画模块）（高速动画模块）（高速动画模块）ADAMS/Insight（实验设计与分析模块）（实验设计与分析模块）（实验设计与分析模块）（实验设计与分析模块）ADAMS/Durability（耐久性分析模块）（耐久性分析模块）（耐久性分析模块）（耐久性分析模块）ADAMS/DMU Replay（数字化装配回放模块）（数字化装配回放模块）（数字化装配回放模块）（数字化装配回放模块）ADAMS/AutoFlex（柔性体自动生成模块）（柔性体自动生成模块）（柔性体自动生成模块）（柔性体自动生成模块）功能扩展模块ADAMS/Hydraulic（液压系统模块）50专业领域模块专业领域模块ADAMS/Car（轿车设计模块）（轿车设计模块）（轿车设计模块）（轿车设计模块）Suspension DesignSuspension Design（悬架设计模块）（悬架设计模块）（悬架设计模块）（悬架设计模块）CSM CSM（概念化悬架模块）（概念化悬架模块）（概念化悬架模块）（概念化悬架模块）ADAMS/Driveline（动力传动系统模块）（动力传动系统模块）（动力传动系统模块）（动力传动系统模块）ADAMS/Driver（驾驶员模块）（驾驶员模块）（驾驶员模块）（驾驶员模块）ADAMS/Engine（发动机模块）（发动机模块）（发动机模块）（发动机模块）ADAMS/Engine Valvetrain（配气机构模块）配气机构模块）配气机构模块）配气机构模块）ADAMS/Engine Chain（正时链模块）（正时链模块）（正时链模块）（正时链模块）ADAMS/Engine Timing Belt（正时带模块）（正时带模块）（正时带模块）（正时带模块）Accessory Drive Module（附件驱动模块）（附件驱动模块）（附件驱动模块）（附件驱动模块）ADAMS/Tire（轮胎模块）（轮胎模块）（轮胎模块）（轮胎模块）ADAMS/Chassis（底盘模块）（底盘模块）（底盘模块）（底盘模块）专业领域模块ADAMS/Car（轿车设计模块）51专业领域模块专业领域模块ADAMS/Aircraft（航空模块）（航空模块）ADAMS/Rail（铁路车辆模块）（铁路车辆模块）EDM（经验动力学模块）（经验动力学模块）ADAMS/Figure（人体模块模块）（人体模块模块）专业领域模块ADAMS/Aircraft（航空模块）52 FORDFORD公司基于多领域商用仿真软件公司基于多领域商用仿真软件的汽车姿态控制系统开发的汽车姿态控制系统开发 FORD公司基于多领域商用仿真软件的汽车姿态控制系统53 汽车在急转弯及采用其它驾驶方汽车在急转弯及采用其它驾驶方法的情况下，法的情况下，VACVAC控制系统控制前、后控制系统控制前、后液压作动器输出相应作动力，以保持液压作动器输出相应作动力，以保持车身相对于地面的水平，从而保证汽车身相对于地面的水平，从而保证汽车的可操作性、安全性和乘坐舒适性。车的可操作性、安全性和乘坐舒适性。控制目标：控制目标：汽车在急转弯及采用其它驾驶方法的情况下，VAC控制系54控制控制目标目标控制信号控制信号反馈信号反馈信号系统构成：系统构成：要开发的产品要开发的产品执行机构执行机构受控系统受控系统VAC控制系统前作动器整车机械系统控制目标控制信号反馈信号后55传统开发方法传统开发方法 机械设计人员先采用多体动力学仿真，机械设计人员先采用多体动力学仿真，验证、评估在各种路面和驾驶条件下汽车的验证、评估在各种路面和驾驶条件下汽车的可操作性、乘坐舒适性和安全性等，可操作性、乘坐舒适性和安全性等，控制系统工程师则独自编写复杂的控制算控制系统工程师则独自编写复杂的控制算法，以控制汽车的姿态等。法，以控制汽车的姿态等。机械设计人员很少顾及控制系统对汽车性机械设计人员很少顾及控制系统对汽车性能的影响，而控制系统工程师则采用简化了能的影响，而控制系统工程师则采用简化了的汽车动力学模型以用于控制系统设计的汽车动力学模型以用于控制系统设计。这样造成开发出来的控制系统不能很好地满足后期的汽这样造成开发出来的控制系统不能很好地满足后期的汽车测试要求，不得已多次修改设计，并且有可能还需要制车测试要求，不得已多次修改设计，并且有可能还需要制作多个物理样车。作多个物理样车。传统开发方法 机械设计人员先采用多体动力学仿真，56系统模型系统模型系统模型57实现特点：实现特点：（1 1）控制系统和作动器液压系统模型采用了）控制系统和作动器液压系统模型采用了MATRIXx/MATRIXx/XmathXmath软件。整车动力学模型则采用了软件。整车动力学模型则采用了AdamsAdams多体动力学仿真软多体动力学仿真软件，动力学模型包含了五十多个汽车零部件，各零部件通过各件，动力学模型包含了五十多个汽车零部件，各零部件通过各种形式的关节相互连接成为一个整体。种形式的关节相互连接成为一个整体。（2 2）主要利用）主要利用MATRIXMATRIX与与AdamsAdams仿真软件之间的接口，实现仿真软件之间的接口，实现机械、控制（包括液压）的多领域建模，并实现了在单台计算机械、控制（包括液压）的多领域建模，并实现了在单台计算机上的集中式仿真运行。机上的集中式仿真运行。福特公司的仿真是一个将控制系统（包括液压系统）仿真福特公司的仿真是一个将控制系统（包括液压系统）仿真和多体动力学仿真进行集成，并用于实际工程开发的成功典范。和多体动力学仿真进行集成，并用于实际工程开发的成功典范。实现特点：（1）控制系统和作动器液压系统模型采用了M58工具箱工具箱ADAMS/SDK（软件开发工具包）（软件开发工具包）（软件开发工具包）（软件开发工具包）Virtual Test Lab（虚拟实验工具箱）（虚拟实验工具箱）（虚拟实验工具箱）（虚拟实验工具箱）Virtual Experiment Modal Analysis（虚拟实验模虚拟实验模虚拟实验模虚拟实验模态分析工具箱）态分析工具箱）态分析工具箱）态分析工具箱）Leafspring Toolkit（钢板弹簧工具箱）（钢板弹簧工具箱）（钢板弹簧工具箱）（钢板弹簧工具箱）ADAMS/Landing Gear（飞机起落架工具箱）（飞机起落架工具箱）（飞机起落架工具箱）（飞机起落架工具箱）Tracked/Wheeled Vehicle（履带（履带（履带（履带/轮胎式车辆工轮胎式车辆工轮胎式车辆工轮胎式车辆工具箱）具箱）具箱）具箱）ADAMS/Gear Tool（齿轮传动工具箱）（齿轮传动工具箱）（齿轮传动工具箱）（齿轮传动工具箱）工具箱ADAMS/SDK（软件开发工具包）59ADAMS/View建模仿真步骤建模仿真步骤建模仿真步骤建模仿真步骤:复杂机器仿真时复杂机器仿真时要循序渐进要循序渐进完成几个零件的约完成几个零件的约束添加后就进行一束添加后就进行一次仿真次仿真 ADAMS/View建模仿真步骤:复杂机器仿真时要循序渐进601.I-DEAS2.UG3.CATIA4.Pro/E5.CADDS 56.Solidworks7.CoCreate8.AutoCAD9.Microstation1.MSC/Nastran2.ANSYS3.ABAQUS 4.I-DEAS1.MATRIXx2.MATLAB3.Easy51.Taguchi Method2.JMP,SAS,SPSS3.Excel.Virtual Prototyping 整合系統整合系統I-DEASMSC/NastranMATRIXx Taguc61几几何模型何模型建构建构几何模型建构62几何建模几何建模 几何建模是ADAMS/View仿真分析的第一步，在开始的时候，都要先建立好几何模型，然后通过约束和载荷等条件的添加完成虚拟样机模型，以进行仿真分析。几何建模 几何建模是ADAMS/View仿真分析的第一步，在63实体模型实体模型 ADAMS/View中实体模型的获得有两种方法中实体模型的获得有两种方法中实体模型的获得有两种方法中实体模型的获得有两种方法：一一一一:用用用用ADAMS/VIEW建模工具直接建模建模工具直接建模建模工具直接建模建模工具直接建模二二二二:通过通过通过通过ADAMS/Exchange模块从外部输入模模块从外部输入模模块从外部输入模模块从外部输入模型文件型文件型文件型文件实体模型 ADAMS/View中实体模型的获得有两种方法：64ADAMS/View几何建模基础知识几何建模基础知识几何体类型 刚性体（Rigid Bodies）柔性体（Flexible Bodies）点质量（Point Masses）只有质量没有体积 点（Point）标记点（Marker）直线和多义线（Polyline）光滑曲线（Spline）圆和圆弧（Arc）Marker和Point都是点但是两者又有不同之处：Marker具有独立的方向性，随零件和运动副的加入而产生，可作为零件或运动副位置的控制变量，格式为：.model_1.Part_1.marker_1。Point不具独立的方向性，常用作进行参数化建模的控制点，或者是空间位置标记点。一般通过Table Builder进行修改。格式为：.model_1.part_1.point_1 实体模型线框模型 ADAMS/View几何建模基础知识几何体类型刚性体（Ri65几何体添加方式对于新创建的几何体有三种添加方式：1：New Part：创建新的拥有全自由度的零件。2：Add to Part：在已有零件上添加零件，成为已有零件的一部分。3：On Ground：把零件添加到地面上，成为Ground Part的一部分。当零件在仿真过程中始终保持静止，对仿真没有影响的时候可以选择这种添加方式。几何体添加方式对于新创建的几何体有三种添加方式：1：66名称图标参数设置说明长方体Box长度L，高度H，拉伸深度D缺省值D=2*min(L，H)圆柱体Cylinder柱体长L，横截面半径R缺省值R=0.25L球体Sphere三个方向的半径三个方向的半径默认相等，通过修改可以生成椭球体圆台Frustum长L，顶半径TR，底半径BR圆环Torus实体库 名称图标参数设置说明长方体Box长度L，高度H，拉伸深度D缺67名称图标参数设置说明连杆Link圆角多边样板Plate拉伸实体Extrusion旋转实体Revolution平面Plane名称图标参数设置说明连杆圆角多边样板Plate拉伸实体Ext68对实体的布尔操作通过ADAMS/View的实体库只能创建简单零件，为了创建复杂零件，ADAMS/View提供了五种布尔操作，通过对简单实体的组合来创建复杂零件。对实体的布尔操作通过ADAMS/View的实体库只能创建简单69名称图标功 能说 明Union合并两个相交的实体把第二个，实体并入第一个实体中，相交部分只计算一次Merge合并两个不相交的实体把第一个实体并入到第二个实体中Intersect取相交形体保留相交部分的实体，所形成的实体特性与第一个实体相同Cut实体切割用第一个实体去切第二个实体，删除第一个实体和相交部分的第二个实体Split实体还原将经过以上布尔操作的实体还原实体的布尔运算实体的布尔运算 名称图标功 能说 明Union合并两个相交的实体把第二个70实体的特征操作实体的特征操作 在建立基本的实体零件后有时还需要对零在建立基本的实体零件后有时还需要对零件模型进一步的完善，添加倒角、凸台、件模型进一步的完善，添加倒角、凸台、孔等特征，这时要用到以下特征操作命令孔等特征，这时要用到以下特征操作命令实体的特征操作 在建立基本的实体零件后有时还需要对零件模型进71特征操作命令特征操作命令名称图标参数设置说明Chamfer倒角的宽度选择待倒角的边或顶角Fillet圆角半径末端圆角半径当要倒过渡半径圆角时设定末端半径值Hole孔半径、孔深孔深缺省时为通孔Boss凸台半径、拉伸高度Shell薄壁厚度可以从实体表面分别向内、外形成薄壁，需要指定去除面特征操作命令名称图标参数设置说明Chamfer倒角的宽度选择72几何体的修改几何体的修改 几何体位置的修改几何体位置的修改几何体位置的修改几何体位置的修改 在创建几何体的时候系统会自动