ADAMS在机械系统仿真技术教学中的应用

ADAMS在机械系统仿真技术教学中的应用1引言机械类专业在我国是一个历史长，开设院校众多的专业，如何办出专业特色，进而形成自己的优势，是一个需要不断探索和研究的课题。武汉科技学院机械类专业以数字化纺织设备实验室为依托，逐渐在纺织设备的教学科研中办出了自己的特色。众所周知，各类纺织设备中所包含的机构种类繁多，而且日趋精密。要学生在一定的学时内认识这些机构已然困难，更谈不上分析和掌握它们。因此，教给学生一种系统的分析和设计工具就显得尤为重要和迫切。随着计算机软硬件的发展和普及，机械类计算机仿真技术这门课程就应运而生。在帮助学生总结基础理论的同时引导学生将不同工程领域的开发模型结合在一起，使学生在物理样机生产出来之前就可进行有效的、可验证的设计工作，从而提高了对各类纺织设备的认知、分析和开发的技能。如此才有可能达到培养出基础知识扎实，创新能力和实践动手能力强的新世纪合格高素质人才的目的。机械专业既是一个传统的专业，又是一个不断融合新技术、不断创新的专业。随着科技的发展，计算机仿真技术越来越广泛地应用在各个领域。目前，国际上许多高校纷纷开设了机械类仿真课程。就国内高校而言，所讲授的计算机仿真技术课程和所使用的教材基本上是面向电子类和控制类学科的，只有少数重点高校逐渐开设了机械类仿真课程。与高校开设此类课程较少的现象炯然不同的是，各种成熟的针对机械系统仿真的商业软件不断涌现，与之对应的应用书籍也是种类繁多。及其原因，是因为机械系统仿真技术课程内容较为抽象、涉及的数学基础较多、学生不易掌握、授课难度较大。因此，本文将ADAMS仿真软件引入到机械类计算机仿真技术课程教学，介绍了机械系统动态仿真所需要的基础理论，以及ADAMS软件算法基本理论及功能模块，最后通过例子加以说明如何在ADAMS软件中建立机械系统模型并进行仿真和结果输出。2机械系统动态仿真基础理论机械系统动力学分析与仿真是随着计算机技术的发展而不断成熟的，多体系统动力学是其理论基础。多体系统是指由多个物体通过运动副连接的复杂机械系统。多体系统动力学的根本目的是应用计算机技术进行复杂机械系统的动力学分析与仿真。多刚体系统动力学是基于经典力学理论的，多体系统中最简单的情况——自由质点和一般简单的情况——少数多个刚体，是经典力学的研究内容。多刚体系统动力学就是为多个刚体组成的复杂系统的运动学和动力学分析建立适宜于计算机程序求解的数学模型，并寻求高效、稳定的数值求解方法。二十世纪六十年代至七十年代，美国的R.E.罗伯森、T.R凯恩，联邦德国J维登博格，前苏联的E.H.波波夫等人先后提出了各自的方法来解决复杂系统的动力学问题，于是，将古典的刚体力学，分析力学与现代的电子计算机技术相结合的力学分支—多刚体系统动力学便诞生了。多刚体系统动力学中有以下几种研究方法：（1）牛顿—欧拉方程法：对作为隔离体的单刚体写出牛顿一欧拉方程时，未知变量的数目较多，德国学者Schiehlen在这方面作了大量工作，将不独立的笛卡儿坐标变成独立变量，对完整约束系统用Alembert原理消除约束反力，对非完整约束系统用Jourdain原理消除约束反力，最后得到与系统自由度数相等的动力学方程数。（2）拉格朗日方程法：由于多刚体系统的复杂性，采用系统独立的拉各朗日坐标十分困难，而采用不独立的笛卡儿广义坐标比较方便。Chance等人应用吉尔Gear的刚性积分算法并采用稀疏矩阵技术提高计算效率，编制了ADAMS程序；Haug等人研究了广义坐标分类、奇异值分解等算法，编制了DADS程序.（3）R-W法：R.E.Roberson和J.wittenburg创造性的将图论引入多刚体系统动力学，利用其中的一些基本概念和数学工具成功描述了系统内各刚体之间的联系，即系统的结构。R-W法以优美的风格处理了树结构的多刚体系统，并给出了统一的数学模式，推导了系统的运动微分方程，相应的程序有MESAVERDE。（4）凯恩法：R-W法提出了解决多刚体系统动力学统一公式；而凯恩法提供了分析复杂机械系统动力学性能的统一方法，这种方法不用动力学函数，无需求导计算，只需进行矢量点积、叉积等计算，节省时间。（5）变分法：在经典力学中，变分原理只是力学规律的概括，但借助了计算机，变分法可以不必建立动力学方程而直接数值求解。变分法特别适用于工业机器人动力学，有利于结合控制系统的优化进行综合分析。多体系统动力学的产生极大地改变了传统机构动力学分析的面貌，使工程师从传统的手工计算中解放了出来，只需根据实际情况建立合适的模型，就可由计算机自动求解，并可提供丰富的结果分析和利用手段；对于原来不可能求解或求解极为困难的大型复杂问题，现可利用计算机的强大计算功能顺利求解；而且现在的动力学分析软件提供了与其它工程辅助设计或分析软件的强大接口功能，它与其它工程辅助设计和分析软件一起提供了完整的计算机辅助工程（CAE）技术。一个机械系统，从初始的几何模型，到动力学模型的建立，经过对模型的数值求解，最后得到分析结果，其流程如图1所示。3ADAMS简介机械系统动力学仿真分析的商业软件主要有：NUBEMM（德），AUTOLEV（美），DYNOCOMBS（美），SPACAR（荷），DISCOS（美），DADS（美），NEWEUL（德），MEDYNA（德），AUTODYN（比），SIMPACK（德），COMPAMM（西），DYMAC（美），MESAVERDE（德），ADAMS（美），PLEXUS（法），DAMS（美），EASY5（美国）等。美国MSC公司开发的ADAMS（AutomaticDynamicAnalysisofMechanicalSystem）软件，是世界上最具权威性的，使用范围最广的机械系统动力学分析软件。由于ADAMS具有通用、精确的仿真功能，方便、友好的用户界面和强大的图形动画显示能力，所以该软件己在全世界数以千计的著名大公司中得到成功的应用。ADAMS由核心模块：ADAMS/View，ADAMS/Solver，ADAMS/PostProcessor和其他模块组成。ADAMS/View是以用户为中心的交互式图形环境。它将简单的图标、菜单、鼠标点取操作与交互式图形建模、仿真计算、动画显示、X-Y曲线图处理、结果分析和数据打印等功能完美地集成在一起。ADAMS/View采用简单的分层方式完成建模工作，提供了丰富的零件几何图形库、约束库和力/力矩库，并且支持布尔运算，采用Parasolid作为实体建模的核，支持FORTRAN/77和FORTRAN/90中所有函数。ADAMS/Solver处于心脏地位的仿真“发动机”。该模块自动形成机械系统模型的动力学方程，提供静力学、运动学和动力学的解算结果。ADAMS/Solver有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。在仿真计算过程中，ADAMS采取两种工作方式：其一，机械系统采用ADAMS解算器，控制系统采用控制软件解算器，二者之间通过状态方程进行联系；其二，利用控制软件书写描述控制系统的控制框图，然后将该控制框图提交给ADAMS，应用ADAMS解算器进行包括控制系统在内的复杂机械系统虚拟样机的同步仿真计算。ADAMS主要采用拉各朗日方程法建立微分方程，用刚体i的质心笛卡儿坐标和反映刚体方位的欧拉角作为广义坐标，由于采用了不独立的广义坐标，系统动力学方程数虽然是最大数量，但可采用稀疏矩阵技术提高计算效率。运动学、静力学分析需求解一系列的非线性代数方程组，ADAMS采用了修正的Newton-Raphson迭代算法迅速准确的求解。对动力学微分方程，根据机械系统的特性，ADAMS提供了不同的积分算法：对刚性系统，采用变系数的BDF（BackwardsDifferentiationFormulation）刚性积分程序，它是自动变阶、变步长的预估矫正法（PECE,PredictEvaluateCorrectEvaluate），在积分的每一步采用了修正的Newton-Raphson迭代算法。利用ADAMS软件中提供的零件库、约束库、力库等建模，按照所要分析的系统的物理参数，建立起多刚体系统模型。ADAMS软件进行运算时，首先读取原始的输入数据，在检查准确无误后，判断整个系统的自由度。如果系统的自由度为零，进行运动学分析。如果系统的自由度不为零，ADAMS软件通过分析初始条件，判定是进行动力学分析还是静力学分析。在确定了分析类型后，ADAMS软件通过其功能强大的积分器求解矩阵方程。如果在仿真时间结束前，不发生雅克比矩阵奇异或矩阵结构奇异（如位置锁死），则仿真成功。此时，可以通过人机交互界面再输入新的模拟结束时间，或者进行有关参数的测量及绘制曲线。如果在仿真过程中，出现雅克比矩阵奇异或矩阵结构奇异，则数值发散，ADAMS软件显示为仿真失败，这需要检查系统模型，或者重新设置时间步长，系统阻尼、数值积分程序中的控制参数，直到得出准确的仿真结果。4机械系统动态仿真实例本文利用ADAMS对凸轮—摇臂—阀体模型进行仿真分析，该机构由凸轮、顶杆、摇臂、发动机缸体和阀体组成，其动作顺序为：凸轮以给定的速度旋转，顶杆根据其与凸轮的约束关系做直线运动，摇臂绕着联结在发动机缸体上的销子转动，当摇臂转动时，阀体进行垂直运动，当阀体运动时，让空气进入气室。在ADAMS中建立起多刚体系统模型如图2中左图所示。然后进行仿真输出，图2中的右图为阀体的位移曲线。5结论本文依据当前机械行业信息化的发展趋势和要求，结合日益成熟的机械系统动态仿真技术，研究了将ADAMS引入到机械类计算机仿真技术课程教学的可行性。在教学过程中理论与实践并重，利用现代化教学手段,充分发挥学生在学习中的主体作用,激发学生的兴趣,培养学生的创新意识,使学生能够在系统水平上真实的预测机械结构的工作性能。教学实践证明这种教学方法能够激发学生的学习兴趣、加深学生对课程的理解，从而提高了教学效果和质量。