机电产品虚拟设计与仿真2

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,目录,第一部分 虚拟样机技术简介,第二部分 机械系统动力学分析与仿真,多体系统动力学,计算多体系统动力学,第三部分,ADAMS,ADAMS,软件简介,ADAMS,软件案例分析,1,第一部分 虚拟样机技术简介,产品开发流程对比,大大减少 “设计,-,样机,-,试验,-,改进 ”循环所需时间,提高产品质量,降低成本,2,第一部分 虚拟样机技术简介,虚拟样机技术,面向系统级设计的、应用于基于仿真设计过程的技术，包含,数字化物理样机,(Digital Mock-up),、,功能虚拟样机,(Functional Virtual Prototyping),、和,虚拟工厂仿真,(Virtual Factory Simulation),数字化物理样机对应于产品的装配过程（,装配性能,）、功能虚拟样机对应于产品分析过程（,功能性能,）、虚拟工厂仿真对应于产品制造过程（,制造性能,）,3,第一部分 虚拟样机技术简介,虚拟样机技术,4,第一部分 虚拟样机技术简介,虚拟样机与传统,CAX(CAD/CAE/CAM),技术对比,虚拟样机技术是面向系统的设计,/,分析,/,制造，以提高产品,整体,质量和性能降低开发与制造成本为目的,CAX,技术是面向零部件的设计,/,分析,/,制造，以提高,零部件,的质量和性能为目的,5,第一部分 虚拟样机技术简介,虚拟样机与传统,CAX(CAD/CAE/CAM),技术对比,6,第一部分 虚拟样机技术简介,虚拟样机技术的应用,在发达国家，如美国、德国、日本等得到广泛应用,典型领域：汽车制造、工程机械、航空航天业、造船业、机械电子工业,典型应用案例：波音,777,、火星探测器“探路号”、,Caterpillar,公司利用虚拟试验设计工程机械,7,第一部分 虚拟样机技术简介,虚拟样机技术的应用案例,“,目标是将开发时间从,60,个月降为,12,个月，和把成本从,60-70,亿降为,10,亿美元”,Boeing, Commercial Airplane Group,8,第一部分 虚拟样机技术简介,虚拟样机技术的应用案例,汽车,机械,铁路、工程机械,航空、航天、国防,9,第一部分 虚拟样机技术简介,虚拟样机技术的三个重要内容中，“,功能虚拟样机或数字化功能样机,”起着重要作用,数字化功能样机内容中，,机械系统动力学分析,与仿真起着重要作用,10,第一部分 虚拟样机技术简介,功能虚拟样机实现过程,NVH: Noise, Vibration, Harshness,11,第一部分 虚拟样机技术简介,功能虚拟样机实现过程图示,12,第一部分 虚拟样机技术简介,数字化功能样机,(FDP-Functional Digital Prototyping),是对虚拟功能样机技术,(FVP-Functional Virtual Prototyping),的扩展，是在,CAX,技术和一般虚拟样机技术基础上发展起来，理论技术为,计算多体系统动力学,、,结构有限元理论,、,其它领域物理系统建模与仿真理论,，以及,多领域物理系统混合建模与仿真理论,。侧重于系统层次的性能分析与优化，通过虚拟试验，精确、快速地预测产品系统性能。,13,第一部分 虚拟样机技术简介,数字化功能样机,数字化功能样机内容、基础理论及支持系统,14,第一部分 虚拟样机技术简介,数字化功能样机,发展趋势,软件系统功能集成：同一个软件系统，基于某些相近的理论实现多功能的基础，如有限元软件,ANSYS,围绕某类产品的分析与仿真实现全分析功能的集成：如汽车开发的分析与仿真，涉及到运动特性、结构、振动和噪声、应力疲劳、碰撞与冲击、控制、电子灯特性或领域。（实现系统见前页图）,15,第二部分 机械系统动力学分析与仿真,多体系统动力学,是机械系统动力学分析与仿真技术的理论基础,是指系统是指,多个物体,通过,运动副,连接的复杂机械系统,在经典刚体系统动力学的基础上，经历了,多刚体系统动力学,和,计算多体系统动力学,两个发展阶段,根据物体的力学特性，多体系统可分为,多刚体系统,、,柔性多体系统,和,刚柔混合多体系统,16,第二部分 机械系统动力学分析与仿真,多体系统案例,17,第二部分 机械系统动力学分析与仿真,多体系统案例,18,第二部分 机械系统动力学分析与仿真,多体系统案例,汽车悬挂系统，含柔性轮胎,19,第二部分 机械系统动力学分析与仿真,多体系统四要素,物体,铰,外力（力偶）,力元：包括弹簧、梁、衬套等,多体系统研究内容,运动学,：,从几何角度研究物体的运动规律，如位移、速度、加速度等（不考虑力和质量）,动力学,：,研究运动与作用力之间的关系，动力学正问题,已知运动求力；动力学逆问题,已知力求运动（考虑力和质量）,静平衡,：,研究在与时间无关的力作用下系统的平衡位置。静平衡分析一种特殊的动力学分析。,20,第二部分 机械系统动力学分析与仿真,计算多体系统动力学建模与求解过程,建模阶段：物理模型和数学模型,求解阶段：根据情况应用求解器中的运动学、动力学、静力平衡或逆向动力学分析算法，迭代求解。,21,第二部分 机械系统动力学分析与仿真,计算多体系统动力学建模与求解过程,运动学分析案例,案例：,杆,OA,以角速度为,10/s,逆时针旋转,求当点,A,在,x,=- 60,y,= 80,时（图示,A,位置）,杆,A B,和,B C,的角速度,?,22,第二部分 机械系统动力学分析与仿真,用解析法做机构的运动学分析：复数矢量法,(method of complex vector),和矩阵法,(matrix method),复数矢量法,1:,作出机构的封闭矢量多边形,2,：构建封闭矢量位置方程,3,：将封闭矢量位置方程表达为复数矢量形式，推导位置方程式,4,：对位置方程式求导得到速度方程式,5,：对速度方程式求导得到加速度方程式,计算过程,23,第二部分 机械系统动力学分析与仿真,用解析法做机构的运动学分析：复数矢量法,(method of complex vector),和矩阵法,(matrix method),复数矢量法,24,第二部分 机械系统动力学分析与仿真,计算多体系统动力学建模与求解过程,动力学分析案例,求该质量块的位移、速度和加速度,25,第三部分,ADAMS,ADAMS,软件,（机械系统动力学自动分析软件，,A,utomatic,D,ynamic,A,nalysis of,M,echanical,S,ystems,）是集建模、求解、可视化技术于一体的虚拟样机软件,是目前世界上使用范围最广、最负盛名的机械系统仿真分析软件。使用这套软件可以产生复杂机械系统的虚拟样机,真实地仿真其运动过程,并且可以迅速地分析和比较多种参数方案,直至获得优化的工作性能,26,第三部分,ADAMS,ADAMS,软件的特点,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,;,分析类型包括运动学、静力学和准静力学分析以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,;,27,第三部分,ADAMS,ADAMS,软件的特点,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,仿真结果显示为动画和曲线图形,;,可预测机械系统性能、运动范围、碰撞、包装、峰值载荷以及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。,28,第三部分,ADAMS,ADAMS,软件的组成,核心模块,：,用户界面（,view),，求解器（,solver,）和后处理（,PostProcessor,）,功能扩展模块：试验设计与分析，振动分析，耐用性分析，液压系统，高速动画，系统模态分析，数字化装配回放等,专业模块：轿车模块，概念化悬架模块，动力传动系统模块，驾驶员模块，经验动力学模型，柔性体生成器模块，轮胎模块，配气机构模块，铁道模块,29,第三部分,ADAMS,ADAMS,软件的组成,工具箱：虚拟试验工具箱，钢板弹簧工具箱，软件开发工具包，履带,/,轮胎式车辆工具箱，模态应力恢复与疲劳工具包，齿轮传动工具箱，飞机起落架工具箱,接口模块：,Pro/e,接口，图形接口模块，,CATIA,专业接口模块，控制模块，柔性分析模块,30,第三部分,ADAMS,ADAMS,软件的核心模块,用户界面,ADAMS/view,（重点学习部分）,交互式图形建模、仿真计算、动画显示、,X-Y,曲线图处理、结果分析、数据打印等。,分层建模，具有零件几何图形库、约束库和力,/,力矩库，支持布尔运算，,parosolid,作为实体建模的核心。,具有自定义的高级编程语言，支持命令行输入命令和,C+,语言。,31,第三部分,ADAMS,ADAMS,软件的核心模块,用户界面,ADAMS/view,（重点学习部分）,32,第三部分,ADAMS,ADAMS,软件的核心模块,ADAMS/Solver:,可以自动生成机械系统结算模型及方程，提供静力学、运动学和动力学的解算结果。,存在各种建模和求解选项，以便精确有效地解决各种工程应用问题。,可输出用户自定义的数据,可以通过运动副、运动激励、高副接触、用户定义的子程序等添加不同的约束,可求解运动副之间的作用力和反作用力,33,第三部分,ADAMS,ADAMS,软件的核心模块,ADAMS/Postprocessor,输出各种动画、数据、曲线,可进行曲线编辑及数字信号处理,完备的曲线数据统计功能：均值，极值、斜率,具有丰富的数据处理能力：曲线的代数运算、反向、偏置、缩放、编辑、滤波等,34,第三部分,ADAMS,ADAMS,软件的核心模块,ADAMS/Postprocessor,35,第三部分,ADAMS,ADAMS/view,建模与仿真的步骤,建模,(Build),测试模型,(Test),验证模型,(Validate),模型优化,(Refine),迭代,(Iterate),优化分析,(Optimize),宏操作,(Automate),36,第三部分,ADAMS,ADAMS,软件应用案例 （,与第二部分解析法进行对比,）,案例：,杆,OA,以角速度为,10/s,逆时针旋转,求当点,A,在,x,=- 60,y,= 80,时（图示,A,位置）,杆,A B,和,B C,的角速度,?,37,第三部分,ADAMS,ADAMS,软件基本算法,ADAMS,利用带拉格朗日乘子的第一类拉格朗日方程到处,最大数量坐标的微分,-,代数方程,(DAE),。它选取系统内每个刚体质心在惯性参考系中的三个直角坐标和确定刚体方位的三个欧拉角作为笛卡尔广义坐标，用带乘子的拉格朗日第一类方程处理具有多余坐标的完整约束或非完整约束系统，到处以笛卡尔广义坐标为变量的动力学方程。,McConville,J.B, McGrath,J.F., Introduction to ADAMS Theory MDI, 1997.,38,随堂考试,什么是虚拟样机技术？,多体系统研究的内容,Adams,的核心模块,用复数矢量法求解下图中各从动件的方位角和角速度,39,