ADAMS弹簧挂锁大作业

计算机辅助工程与分析大作业弹簧挂锁案例分析姓名：学号：20152203016班级：任课教师：日期：2016年6月5日摘要I摘要上世纪九十年代以前以C3P（CAD/CAE/CAM/PDM）为代表的计算机辅助设计工具CAX在工业界得到广泛普及，并产生了巨大的经济效益和社会效益，“数字化”作为显著时代技术特征初露端倪。C3P首次用计算机取代人完成产品开发过程中机械、繁琐、重复的绘图、计算和例程管理类工作，大大提高了产品开发效率，但由于学科的融合度较低，各类设计工具更多地表现为单一学科技术的软件化，其相互集成亦是软件接口实现所谓的数据集成，因此，以C3P为代表的计算机辅助设计工具对更高层次的设计活动如综合分析、系统优化设计乃至创新设计缺乏有效的可操作的支持。针对这些不足，上世纪九十年代中期以来，计算机辅助设计更多地强调了基于多体系统复杂机械产品的系统动态设计、基于多学科协同集成框架的优化设计、基于本构融合的多领域统一建模可重用机、电、液、控数字化功能样机分析的研究和开发。因此，为了更加深入地了解计算机辅助给我们带来的影响，本文以国际上具有代表性的复杂机械系统动力学建模及仿真平台ADAMS为例，对一个弹簧挂锁进行多体系统动力学分析和讨论。关键词：计算机辅助设计；多体系统动力学；ADAMS；弹簧挂锁计算机辅助工程与分析1第一章引言随着柔性多体系统动力学的发展，基于相关理论的许多大型通用分析软件（如ADAMS、DADS等）的出现为复杂机械系统动力学分析提供了可靠的手段。机械系统动力学分析和仿真软件ADAMS是一种用于虚拟样机分析的应用软件，可对整个机械系统进行静力学、运动学和动力学等分析，主要用于刚体动力学分析。ADAMS多体系统由几个部分组成：部件、约束、作用力、自定义的代数-微分方程。同时，随着多体动力学的不断深入发展和完善，为工程实践及科学研究提供了一个较好的平台。ADAMS软件的成熟以及在各大企业中的应用，不仅缩短了产品的研发周期，降低了产品的生产成本，提高了经济效益，为各大企业创造了可观的利润，更加带动了整个行业的发展。因此，机械系统动态仿真技术作为21世纪先进制造模式的关键性能技术，现已成为各国纷纷研究的热点，它有着广阔的发展前景和市场。它面向系统的全生命周期和全系统，使研究、开发研制和使用者之间的联系更为有效，加速了新技术向产品转化的开发、研制与使用过程，提高产品质量，增强企业竞争力。昆明理工大学2第二章ADAMS软件案例分析2.1ADAMS软件介绍ADAMS软件，即机械系统动力学自动分析软件ADAMS（AutomaticDynamicAnalysisofMechanicalSystems），是美国MDI公司（MechanicalDynamicsInc.）开发的虚拟样机分析软件。目前，ADAMS已经被世界各行各业的数百家主要制造上采用。根据1999年机械系统动态仿真分析软件国际市场份额的统计资料，ADAMS软件销售总额近8千万美元、占据了51%的份额。ADAMS软件使用交互式图形环境和零件库、约束库、力库，创建完全参数化的机械系统几何模型，其求解器采用多刚体系统力学理论中的拉格朗日方程方法，建立系统动力学方程，对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析，输出位移、速度、加速度和反作用力曲线。ADAMS软件的仿真可用于预测机械系统的性能、运动范围、碰撞检测、峰值载荷以及计算有限元的输入载荷等。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地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软件有两种操作系统的版本：UNIX版和WindowsNT/2000版。ADAMS软件由基本模块、扩展模块、接口模块、专业领域模块及工具箱5类模块组成。用户不仅可以采用通用模块对一般的机械系统进行仿真，而且可以采用专用模块针对特定工业应用领域的问题进行快速有效的建模与仿真分析。2.2多体系统动力学案例分析2.2.1案例以及软件的选择本次案例分析选择的是弹簧挂锁。首先要说明的是，本次案例来源于ADAMS教程实例中的一个案例。因为之前并没有接触过ADAMS这个软件，而且多体动力学相关的知识设计也少。最重要的是，现在自己的研究方向是绿色设计制造，因此，对于这类有限元分析软件的使用也非常少。所以，这次的案例参考了ADAMS教程中的实例，并自己亲手操作和分析了这个案例。计算机辅助工程与分析3软件我选用的是ADAMS-2012版本的软件，这个软件相对于课上老师使用的2010版本，有一个好处就是操作界面更为简洁明了，能够很快地熟悉并操作这个软件。2.2.2弹簧挂锁介绍弹簧挂锁的物理样机模型如图2-1所示，虚拟样机模型如图2-2所示。图2-1弹簧挂锁物理样机模型图2-2弹簧挂锁虚拟样机模型昆明理工大学4图2-1中handle、pivot、slider和hook分别对应图2-2中的手柄、曲柄、连杆和挂钩。图2-2中还给出了弹簧和手柄力的位置所在，其中弹簧是反映弹簧挂锁的锁紧力，手柄力则表示正常情况下我们需要多大的力就能使弹簧挂锁锁紧。弹簧挂锁的工作原理如下：在手柄力处下压操作手柄（handle），挂锁就能夹紧。下压期间，曲柄（pivot）将会绕着最下面一点做顺时针转动，从而通过其中部的点使挂钩（hook）向后运动，从而产生夹紧力。此时，连杆（slider）上与手柄连接的点向下运动，直到该点与挂钩上左侧和右侧点在同一条直线上时，弹簧挂锁的夹紧力达到最大值。本次案例中设计的目标是：只需要80N的手柄力就能使弹簧挂锁产生不小于800N的锁紧力。2.2.3弹簧挂锁案例分析本次案例分析的流程分以下3步：（1）建模。首先对弹簧挂锁的各个部件进行建模，并在它们之间建立起正确的约束；（2）测试。首先测试环境；其次，建立锁紧力和锁紧角度的测量环境；最后，对部件施加合适的载荷；（3）分析。对输出的锁紧力和锁紧角度的曲线进行分析，并判断弹簧挂锁是否符合使用条件。本次案例的使用条件如下：（1）弹簧挂锁的锁紧力不小于800N；（2）操作人员提供的力为80N；接下来，我们开始进入弹簧挂锁的多体系统动力学分析。开启ADAMS的证书认证，服务器启动成功后，进入ADAMS-View2012。选择NewModel，然后会弹出如图2-3所示的对话框。我们在ModelName一栏输入“tanhuangguasuo”作为文件名，重力方向、单位均默认，文件保存路径可以自行修改。设置结束后，点OK，正式进入ADAMS，其操作界面如图2-4所示。计算机辅助工程与分析5图2-3图2-4操作界面接下来，为方便建模，我们通过Settings-Units，将长度单位改为Centimeter，如图2-5所示。然后通过Setting-WorkingGrid设置工作栅格，栅格尺寸设置为25×25，格距为1，如图2-6所示。最后通过Setting-Icons设置图标的大小，将尺寸改为2，如图2-7所示。这样一来，我们的建模环境就设置好了，接下来将工作区调整好合适的大小就可以。昆明理工大学6为方便建模，这里介绍几个快捷键。F4：显示点坐标；“按住键盘Z”+“按住鼠标左键”向上（下）滑动：放大（缩小）；“按住键盘R”+“按住鼠标左键”：旋转模型；“按住键盘T”+“按住鼠标左键”：移动模型。图2-5图2-6图2-7接下来，对各个部件进行建模。计算机辅助工程与分析7（1）首先，要建立3个点，各点坐标如下：X坐标Y坐标Z坐标100023303280然后，通过Bodies-Solids里的曲柄模块对曲柄建模，曲柄半径和厚度均为1cm，依次选取上面建好的三个点，单击右键，建好后如图2-8所示。图2-8曲柄（2）然后，再建立点4，坐标为（-10,22,0）。然后通过Bodies-Solids里的连杆模块，选取点3和点4建立手柄模型。建好后如图2-9所示。昆明理工大学8图2-9（3）接着，通过Bodies-Solids中的拉伸模块，以此选取如下11个点，对挂钩进行建模，拉伸长度为1cm。为选取方便，在选取点时按住Ctrl键。X坐标Y坐标Z坐标530350-660-1460-1550-1530-1410-1210-1230-530420计算机辅助工程与分析9（4）接着，再建立两个点，坐标分别为点5（-1,10,0）和点6（-6,5,0）。通过Bodies-Solids中的连杆模块，分别选取这两个点，建立连杆模型。（5）接着，建立地块模型，地块是为了对挂钩的运行轨迹进行约束而建立的。通过Bodies-Solids中的立方体模块，设置类型为“OnGround”，选取（-2,1,0），将鼠标拖到点（-18,-1,0）处，完成地块的建模。（6）最后，增加弹簧构件。通过Forces-FlexibleConnections中的弹簧模块，其中K设置为800，意味着弹簧刚度系数是800N/cm，C设置为0.5，意味着阻尼系数为0.5N*s/cm。这表明，挂钩每向后运动1cm的距离，就会产生800N的锁紧力。建立好的模型如图2-10所示。图2-10模型整体示意图接下来，要对模型进行相应的约束。（1）根据需要，通过Connectors-Joints中的转动副模块，我们在手柄和曲柄间、曲柄和挂构间、挂钩和连杆间、连杆和手柄间、曲柄和地面间添加转动副。昆明理工大学10（2）通过Connectors-Primitives中的点面约束模块，将挂钩上约束一点只能在地块面上运动。（3）最后，通过Forces-AppliedForces模块在手柄末端点处添加点应力，其中Run-timeDirection设置为“BodyMoving”，力大小设置为80N。这样一来，我们的工作环境也设置好了。接下来，进行仿真模拟以及分析。（1）弹簧挂锁锁紧力模拟。首先，通过Simulation-Simulate中的仿真模块，设置步长为0.2，步数为50，进行模拟。模拟结束后，右键选取弹簧构件，选择Measure，将Characteristic内容改为force，点OK。此时出现锁紧力变化的曲线图。如图2-11所示。图2-11锁紧力曲线图（2）锁紧角度模拟。通过DesignExploration-Measure中的角度测量模块，选择Advanced，出现如图2-12所示对话框。将测量名称改为“center_angle”，然后在FirstMarker后的对话框内右键，选Marker-Pick，选择点5，然后在MiddleMarker选点3，LastMarker选点6。测量的角度如图2-13所示。后的对话框内右键，选Marker-Pick，选择点5，然后在MiddleMarker选点3，LastMarker选点6。点OK。测量的角度如图2-13所示。之后会显示角度的曲线图，如图2-14所示。计算机辅助工程与分析11图2-12图2-13测量角度图2-14测量角度曲线昆明理工大学12（3）仿真分析。我们不难看到，当测量的角度值为0°时，锁紧力达到最大值。我们要找的就是这个最大值是多少。这就需要我们对这个角度的测量加入一个传感器。通过DesignExploration-Instrumentation中的传感器模块，此时会出现如图2-15所示对话框，Name处为传感器名称，可以不用管。将EventDefinition设置为“Run-TimeExpression”；Expression处输入角度测量的名称“center_angle”；选择“AngularValues”；将“equal”改为“lessthanorequal”；Value处改为“0”；在StandardActions模块处，选择Terminatecurrentsimulationstep，然后选择stop，意味着角度值为0时，模型的仿真会停止。然后点OK。接下来，就是再进行模拟，设置步长为0.2，步数为100。模拟结束后，我们得到锁紧力和测量角度的曲线图。如图2-15和图2-1