優(yōu)質(zhì)ADAMS虛擬試驗(yàn)

1、ADAMS 虛擬實(shí)驗(yàn)ADAMS（Automatic Dynamic Analysis of Mechanical System）是 Mechanical Dyn amics Inc.開發(fā)的一個多體動力學(xué)軟件，在機(jī)械領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用（其中汽 車行業(yè)使用率為 43%）。針對汽車工業(yè)， MDI 和大型汽車制造企業(yè)聯(lián)合開發(fā)了 ADAMS/CAR 、ADAMS/DRIVER 等專用模塊，大大方便了車輛零部件、總成以 及整車的建模和仿真工作，并提高了仿真計算精度。i. ADAM的主要功能ADAMS 可以對虛擬機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行靜力學(xué)、 運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)分析， 輸出位移、 速度、加速度和反作用力曲線。 ADAMS

2、軟件的仿真可用于預(yù)測機(jī)械系統(tǒng)的性能、 運(yùn)動范圍、碰撞檢測、峰值載荷以及計算有限元的輸入載荷等。ADAMS/FLEX 將多體動力學(xué)建模方法與大位移、非線性分析求解功能相結(jié) 合，并且提供與其它CAE軟件，如有限元分析軟件ANSYS等的集成接口，可以 方便的考慮零部件的彈性特性，建立多體動力學(xué)模型。用ADAMS/Car，車輛工程師們可以將設(shè)計好的車輛置于不同的路況條件下 進(jìn)行相同的測試， 且僅用比原來在真實(shí)的實(shí)驗(yàn)室或者試驗(yàn)場地上測試少得多的時 間。ii. ADAM的主要特點(diǎn)以下是對在進(jìn)行車輛建模和分析時最有可能用到的功能、模塊的簡單介紹。ADAMS軟件提供了四種用于動力學(xué)仿真的輪胎模型，即Fiala

3、模型，UA模型， Smithers模型，用戶自定義模型。輪胎側(cè)偏特性、垂直特性、外傾特性等參數(shù)可 通過平板式輪胎靜力學(xué)試驗(yàn)臺測定。ADAMS/Flex提供ADAMS與有限元軟件之間的雙向數(shù)據(jù)交換接口，利用它 與ANSYS、MSC/NASTRAN、ABAQUS、I-DEAS等軟件的接口，可以方便的考 慮零部件的彈性特性，建立多體動力學(xué)模型，以提高系統(tǒng)的仿真精度。ADAMS/Controls 可以通過簡單的繼電器、邏輯與非門、阻尼線圈等建立簡 單的控制機(jī)構(gòu)，或者利用在通用控制系統(tǒng)軟件（如：MATLAB、MATRIX、EASY5） 中建立的控制系統(tǒng)框圖， 建立包括控制系統(tǒng)、 液壓系統(tǒng)、 氣動系統(tǒng)和運(yùn)

4、動機(jī)械系 統(tǒng)的仿真模型。ADAMS/Car是MDI和Audi、BMW、Renault和Volvo等公司合作開發(fā)的整車 設(shè)計模塊，它能夠快速建造高精度的整車虛擬樣機(jī)，中包括車身、懸架、傳動系 統(tǒng)、發(fā)動機(jī)、轉(zhuǎn)像系統(tǒng)、制動系統(tǒng)等，可以通過告訴動畫直觀的在現(xiàn)在各種試驗(yàn) 工況下（例如：天氣、道路情況、駕駛員經(jīng)驗(yàn)）整車的動力學(xué)響應(yīng)，并輸出標(biāo)志 操縱穩(wěn)定性、制動性、乘坐舒適性和安全性的特征參數(shù)。ADAMS/Driver是在德國的IPG-Driver基礎(chǔ)上經(jīng)過二次開發(fā)而形成的成熟產(chǎn)品，它可以確定汽車駕駛員的行為特征，確定各種操縱工況(例如：穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向、 轉(zhuǎn)彎制動、ISO變線試驗(yàn)、側(cè)向風(fēng)試驗(yàn)等)，同時確定轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)

5、角或轉(zhuǎn)矩、加速 踏板位置、作用在制動器踏板上的力、離合器的位置、變速器檔位等，提高車輛 動力學(xué)仿真的真實(shí)感。ADAMS/Drive還可以通過調(diào)整駕駛員行為適應(yīng)各種汽車 特定的動力學(xué)特性，并具有記憶功能。iii. ADAMS的應(yīng)用舉例ChassisFiaadDriver_ Suspension_ Steering _ Brakes_ Tines圖17 用ADAM建立整車模型EngineDriveline Restraintsr Body-irf-whiteTie設(shè)計者可以用ADAMS來建立整車模型，如圖(17)所示。設(shè)計者可以通 過計算機(jī)“試駕駛”虛擬車輛模型，在各種不同的駕駛環(huán)境中對其進(jìn)行各種

6、操縱， 甚至可以用計算機(jī)進(jìn)行駕駛員反應(yīng)的仿真。l匚 hSiriDri 曲LTimingBe.lt I Gear Drive1) Arvin Meritor公司用ADAM進(jìn)行疲勞試驗(yàn)和診斷機(jī)械故障卡車零部件會同時受到多個來自不同地方的載荷， 如來自車輪的載荷和來自 發(fā)動機(jī)的載荷等。這些載荷依賴于車輛行駛經(jīng)過的土壤類型、車輛本身的特性、 彈簧和阻尼的非線性特性等呈現(xiàn)出不同的時間歷程，因此原來用有限元方法進(jìn)行求解僅僅能得到一些特定狀態(tài)下零部件的應(yīng)力狀況。為了進(jìn)行準(zhǔn)確的疲勞試驗(yàn)必 須考慮整個的載荷時間歷程。傳統(tǒng)的方法是采用某種試驗(yàn)方案，如經(jīng)過8 0%的 公路駕駛和2 0%的城市駕駛，得到一個載荷隨時間

7、變化歷程，以該歷程作為試 驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)或者將其作為疲勞分析軟件的輸入來進(jìn)行測試。(These profiles are then used todrive test rigs or as input to fatigue analysis software. )這種傳統(tǒng)方法的缺點(diǎn)是，需要進(jìn)行很長時間的場地測試(proving grounddriving)以得到足夠的用于測試和疲勞分析的零部件載荷。這個過程很浪費(fèi)時間、人力和財力。因此 ArvinMeritor開始采用virtual prototyping software建立和測試復(fù) 雜機(jī)械的functional virtual prototypes

8、，在計算機(jī)上模擬器運(yùn)動來分析、解決在設(shè) 計中遇到的一些問題。他們采用的軟件系統(tǒng)是ADAMS (The problem with the traditional approach is long periods of proving ground driving are required to produce the component-level loadsneeded as input for either physical testing or fatigue analysis. This process is expensive because of theneed to outfit

9、trucks with expensive custom hardware and because a considerable amount of time isrequired on the part of highly-skilled employees or contractors to set up and run the tests. The largenumber of miles that must be run to ensure realistic results adds to the cost and means that the length ofthe tests

10、can wreak havoc on product development cycles. Even before facing this challenge,ArvinMeritor had begun to address a variety of design challenges by using virtualprototyping softwarethat allows engineering teams to build and test functional virtual prototypes of complex mechanical designs, realistic

11、ally simulating full-motion behavior on their computers. They selected ADAMS virtual prototyping software from Mechanical Dynamics, Incorporated, Ann Arbor, Michigan, because, according to Ragnar Ledesma, Senior Project Engineer for ArvinMeritor, nearly all of our OEM customers use ADAMS and trust i

12、ts results.)用virtual prototypes預(yù)測疲勞性能Ledesma用 了一系列的整車模型來確定各個部件(in dividual comp onen ts)的 載荷，其中有一個是根據(jù)OEMCAD數(shù)據(jù)開發(fā)的18輪Class A tractor-traile的模型。將模型引入ADAMS后，又在模型中加入了一些joints, nonlinear forces, stateand design variables, auxiliary differential equations and hydraulics 譬如，減振器是 基于從制造商那里得到的特性曲線建模的，板簧是就模型化為加

13、在車架和車橋之 間的垂向彈簧，輪胎數(shù)據(jù)是從輪胎制造商那里得到的，包括側(cè)向力和回正力矩的關(guān)系、vertical, lateral and Iongitudinal forces versus deflections versus tire normal forces; and lateral and Iongitudinal slip force versus slip angle versus tire normal forces.等。為了驗(yàn)證 virtual prototype的精度，對車輛(truck)進(jìn)行了 field tests, 并對其進(jìn)行了測量。將車輛越過試驗(yàn)場障礙物時測得的位移和

14、加速度數(shù)據(jù)和模擬 結(jié)果比較，誤差在5%10%之間，這說明模擬結(jié)果的精度足以用以預(yù)測車輛 的疲勞壽命。圖18 .有tan dem drive axles 的 class-8 tractor的 ADAM模 型(ADAMS model of class-8 tractor with tan dem drive axles)用Virtual prototyping進(jìn)行故障診斷ArvinMeritor也經(jīng)常用virtual prototyping技術(shù)來進(jìn)行故障診斷，這可以大大節(jié) 省用于實(shí)際場地測試的大量花費(fèi)。舉一個典型的例子，vibration was experieneed in a prototyp

15、e steering system for a自動傾卸卡車。如果一個車輪 hit a bump而離開地 面，司機(jī)會就會感到方向盤抖動一下，這種現(xiàn)象被稱為axle tramp。ArvinMeritor 的工程師早就對此現(xiàn)象很熟悉了，這種現(xiàn)象是由于車輪的轉(zhuǎn)動慣量導(dǎo)致的不平衡 回轉(zhuǎn)力矩(gyroscopic moments)作為外力施加在轉(zhuǎn)向系統(tǒng)上引起的。但是，由 于wheel tramp受到轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和前懸架設(shè)計的影響，這其中有很多可能對其有影 響的參數(shù)，女口 caster angle, kingpin inclination angle, wheel offset or scrub radius,

16、 drag link and steering arm ball joint location, tire wall stiffness, and tire cornering stiffness等。因此，建立各種不同的硬件原型(various hardware prototypes和對 其進(jìn)行測試以確定該原型是否能夠克服這個問題是一個很昂貴的和漫長的過程。對所有的參數(shù)變動和參數(shù)組合進(jìn)行實(shí)際的測試是不可能物理實(shí)現(xiàn)的。因此，建立了一個 virtual prototype，并進(jìn)行了 two-level, full factorial design of experiments來確 定對解決這個問題

17、最有效的參數(shù)。ADAMS自動進(jìn)行了一系列迭代計算，最終確認(rèn)最重要的設(shè)計參數(shù)是 caster angle和the location of the steering arm ball joint。Ledesma又進(jìn)行了額外的迭代來對這些參數(shù)進(jìn)行變動，并最終得到了一組使得 gyroscopic mome nts最小的優(yōu)化參數(shù)值。這種新的設(shè)計避免了采用那種顯而易見 的但是會增加制造成本的解決方案，即增加一個tie rod dampen圖19 .前轉(zhuǎn)向軸的ADAM模型2) Nevada Automotive Test Cen ter (NATC)證實(shí)了用虛擬試驗(yàn)場測試得到的 車輛性能的可靠性( Prov

18、es Reliability of Heavy Vehicle Performanee on Virtual Proving Ground)最近Uni ted States Mari ne Corps (USMC)啟動了一個提高重型戰(zhàn)術(shù)車隊(duì)的安 全性、穩(wěn)定性和可靠性的項(xiàng)目。USMC和NATC簽訂了合同要求NATC建造和評價各種不同配置的車輛的，并找出一種最可靠的設(shè)計?，F(xiàn)在，要求設(shè)計和評價 Logistics Vehicle System Replaceme nt (LVSR) tech no logy dem on strato，這是一種 極重型車輛(an extremely heavy tr

19、uck)，能夠載重16.5噸越野，在公路上 載重可達(dá) 2 2.5 噸?，F(xiàn)有的 Logistics Vehicle System (LVS) truck是一個 8x8 center-articulated truck，重約8 0，0 0 0磅，有一個轉(zhuǎn)向軸，每一個軸上都安 裝有多片板簧。打算在改進(jìn)設(shè)計中采用a 10x10 drivetrai n, rigid frame, multi-axle-steeri ng，車重約9 0，0 0 0磅。該車輛大概30%的時間是在 unimproved roads (trails and cross-country)行駛，70%的時間在 improved roads (paved or gravel行駛。有三個懸架供應(yīng)商參與競爭供應(yīng)懸架設(shè)計方案。NATC面臨著將各種不同的部件裝配到車輛上在各種路面情況下進(jìn)行大量的試驗(yàn)的問題。但是，從一開始，NATC就決定用CAE技術(shù)協(xié)助改進(jìn)設(shè)計。最終， NATC選擇了 ADAMS作為輔助工具進(jìn)行模擬。NATC的工程師們用ADAMS建立 了各種車輛模型和地面模型，然后對車輛施加不同的操作，得到了輪胎受到的側(cè) 向力的準(zhǔn)確估計，使得NATC能夠在