運動仿真技術(shù)

1、第四章運動仿真技術(shù)學(xué)習(xí)重點了解機械系統(tǒng)運動仿真技術(shù)的特點與一般過程；仿真分析以與后處理等方熟悉機械系統(tǒng)動力學(xué)分析軟件ADMAS2005的根本功能；熟悉掌握利用ADMASS件進(jìn)展建模、施加約束、驅(qū)動和載荷、面的根本操作。4.1概述在機械設(shè)計領(lǐng)域，其設(shè)計工程主要可分為原理方案設(shè)計、運動學(xué)分析、靜力學(xué)或動力學(xué)分析、方案與系統(tǒng)優(yōu)化、強度分析計算和結(jié)構(gòu)設(shè)計等幾個階段。傳統(tǒng)的設(shè)計方法可以通過理論分析計算實現(xiàn)，但在大多數(shù)情況下，為了防止復(fù)雜的理論分析計算，在機械設(shè)計過程中經(jīng)常采用“經(jīng)歷法、“類比法“或試湊法等方法，這樣不但會延長設(shè)計周期和降低工作效率，而且容易導(dǎo)致設(shè)計結(jié)果不準(zhǔn)確，很難得到滿意的結(jié)果，也缺乏科

2、學(xué)的理論根據(jù)。系統(tǒng)方案的構(gòu)思、原理設(shè)計、評價與決策零部件的建模、裝配關(guān)系確實定:和運動副的定義:力包括重力、彈簧力和阻尼力:或扭矩的施加、初始條件定義等；I分析類型如運動學(xué)、動力學(xué)、靜力分析等的定義運動模擬的實現(xiàn)、運動特性曲線:如位移、速度、加速度等的可視化、干預(yù)檢驗與參數(shù)跟蹤測:量圖4-1機械運動仿真步驟示意圖科學(xué)技術(shù)的飛速開展和學(xué)科的相互穿插極促進(jìn)了機械設(shè)計行業(yè)的開展和進(jìn)步，設(shè)計的高效化和自動化已經(jīng)成為今后開展的必然趨勢。隨著機械產(chǎn)品性能要求的不斷提高和計算機技術(shù)的廣泛使用，作為機械設(shè)計強大支撐技術(shù)之一的運動仿真技術(shù)越來越受到機械設(shè)計人員的重視和親睞。機械運動仿真技術(shù)是一種建立在機械系統(tǒng)運

3、動學(xué)、動力學(xué)理論和計算機實用技術(shù)根底山的新技術(shù)，涉與建模、運動控制、機構(gòu)學(xué)、運動學(xué)和動力學(xué)等方面的容，主要是利用計算機來模擬機械系統(tǒng)在真實環(huán)境下的運動和動力特性，并根據(jù)機械設(shè)計要求和仿真結(jié)果，修改設(shè)計參數(shù)直至滿足機械性能指標(biāo)要求或?qū)φ麄€機械系統(tǒng)進(jìn)展優(yōu)化的過程。機械運動仿真的一般步驟如圖4-1所示。通過機械系統(tǒng)的運動仿真，不但可以對整個機械系統(tǒng)進(jìn)展運動模擬，以驗證設(shè)計方案是否正確合理，運動和力學(xué)性能參數(shù)是否滿足設(shè)計要求，運動機構(gòu)是否發(fā)生干預(yù)等還可以與時發(fā)現(xiàn)設(shè)計中可能存在的問題，并通過不斷改良和完善，嚴(yán)格保證設(shè)計階段的質(zhì)量，縮短了機械產(chǎn)品的研制周期，提高了設(shè)計成功率，從而不斷提高產(chǎn)品在市場中的競爭

4、力。因此，機械運動仿真當(dāng)前已經(jīng)成為機械系統(tǒng)運動學(xué)和動力學(xué)等方面研究的一種重要手段和方法，并在交通、國防、航空航天以與教學(xué)等領(lǐng)域都得到了非常廣泛的應(yīng)用。機械系統(tǒng)的運動仿真可以采用VBOpenGL3Dmax、VC等語言編程實現(xiàn)，也可以使用具有運動仿真功能的機械設(shè)計軟件如ADMASPro/E、EUCLIDUGSolidworks、SolidEdge等實現(xiàn)，而且，隨著計算機軟件功能的不斷強大和完善，用軟件進(jìn)展運動仿真是一種省時、省力而用高效的方法，也是機械運動仿真開展趨勢。其中，由美國MDI公司開發(fā)的ADAMS(AutomaticDynamicAnalysisofMechanicalSystem)是當(dāng)

5、前應(yīng)用最廣泛且最具權(quán)威性的機械系統(tǒng)力學(xué)仿真分析軟件之一。利用ADAMS軟件中的用戶界面模塊(ADAMS/View)，通過簡單的菜單、按鈕與鼠標(biāo)點擊等交互式操作，可以很方便地對機械系統(tǒng)進(jìn)展運動學(xué)、動力學(xué)或靜力學(xué)等分析，主要包括建立零部件模型、施加運動副和載荷、仿真計算以與結(jié)果顯示容。因此，本章主要介紹ADMAS2.0軟件常用模塊如View和PostProcessor等的使用方法和根本操作。希望通過兩個實訓(xùn)模塊的練習(xí)，能使學(xué)生了解動態(tài)仿真的根本過程，并學(xué)會正確使用和熟練操作ADAM軟件，為進(jìn)一步的更深入的研究打根底。4.2實訓(xùn)1平面六桿機構(gòu)的運動仿真平面六桿機構(gòu)是常用的典型機構(gòu)之一，它具有承載能力

6、強、耐磨損、可實現(xiàn)多種運動規(guī)律和運動軌跡等優(yōu)點，因此廣泛應(yīng)用于機械、儀表、交通以與航空航天等領(lǐng)域，如車輛轉(zhuǎn)彎機構(gòu)、車門啟閉機構(gòu)、壓力表指示機構(gòu)等等。平面連桿機構(gòu)的運動分析是原動件的運動規(guī)律，求解各構(gòu)件上某些點的位置、位移、速度和加速度等運動參數(shù)，通常可采用圖解法、解析法和實驗法等來進(jìn)展分析，但相對實用軟件分析來講比擬麻煩。下面就平面六桿機構(gòu)的運動分析為例，來體驗ADAM軟件的強大功能。圖4-2所示為一平面六桿機構(gòu)，現(xiàn):主動曲柄OA作勻速逆時針轉(zhuǎn)動，且角度度w=10rad/s，各鉸鏈點的坐標(biāo)為O(O,O,O)，A(-60,80,0)，B(180,180,0)，C(180,0,0)，D(430,0

7、,0)。試對該平面六桿機構(gòu)進(jìn)展運動分析，并計算在圖示位置時滑塊D點的位置、速度和加速度以與搖桿BC的角速度和角加速度的大小。實訓(xùn)目的本實訓(xùn)的主要目的有二：一是使學(xué)生熟悉ADAMS軟件的根本用戶界面，了解使用該軟件進(jìn)展機構(gòu)運動分析的一般過程。二是使學(xué)生體驗使用ADAM歎件進(jìn)展運動分析的簡單性、方便性和高效性。結(jié)果演示通過使用ADMAS2.0軟件對該平面六桿機構(gòu)進(jìn)展運動分析，其局部運動結(jié)果如圖4-3所iQICuDWULJ一hE口花討%30.01Q0JOitwom/EMOO-MMM二泊:140.0w.aWOmoiflTiepOM20044-06WO00itaai-prisrLj-riR-Rin圖4-

8、3滑塊沿X向的速度和加速度隨時間變化曲線實訓(xùn)步驟一、ADAMS12.0的啟動與設(shè)置1.啟動。點擊：“開場程序ADMAS2.0AViewADAMS_VieW，彈出“ADAMS_VieW圖形用戶主界面和“新建模型對話框，如圖4-4所示。在“Modelname一欄中輸入Op&aanexistingdpi.酸救廣Importa.file廠Exit冒t-rtiiMlocnmentEandSettingsMadECreateqlneift8imodlHowwgtjUyouliketoMechanicalDynamics圖4-4新建模型對話框模型名稱：Linkage,“Gravity一欄中選擇“NoGrav

9、ity:“Units一欄中選擇“MMKS，其他保存缺省設(shè)置，點擊“OK關(guān)閉對話框，即可進(jìn)入ADAMS/View圖形用戶主界面。如圖4-5所示。圖4-5用戶主界面1Torking：Units”，彈出“單位設(shè)置對話框，如圖4-6所示。確保“Angle一欄中選中“Radian”選項，其他保存缺省設(shè)置，點擊“0K關(guān)閉該對話框。3.工作柵格設(shè)置。點擊菜單欄中的“SettingsWorkingGrid,彈SetLocati&tiv|(7ShflvrTfQrkingGridColor出“工作柵格設(shè)置對話框，在“Size欄的“X和Y文本框中分別輸入：500mri和300mn，“Spacing一欄中的“X和“Y

10、文本框中分別輸入：10mm和圖4-7工作柵格設(shè)置10mm,其他保存缺省設(shè)置，如圖4-7。點擊“OK關(guān)閉對話框。用戶可以點擊主工具箱中的ViewControl按鈕，將工作屏幕區(qū)顯示為適宜大小。圖標(biāo)大小設(shè)置。點擊菜單欄中的Settingslcons：彈出“圖標(biāo)大小設(shè)置對話框，在“NewSize一欄中輸入：30,其他保存缺省設(shè)置，如圖4-8。點擊“0K關(guān)閉對話框。圖標(biāo)主要是指工作屏幕區(qū)出現(xiàn)的一些運動副、構(gòu)件模型以與載荷等的標(biāo)記，適宜的大小會給模型顯示帶來方便，否那么會帶來干擾，圖標(biāo)的大小可隨時根據(jù)需要調(diào)整。坐標(biāo)窗口顯示。點擊菜單欄中的“ViewCoordinateWindow彈出“坐標(biāo)顯示對話框。此

11、時，坐標(biāo)窗口中顯示的坐標(biāo)值隨著光標(biāo)在工作屏幕區(qū)的移動而變化，有利于模型的建立。存盤目錄設(shè)置。點擊菜單欄中的“FileSelectDirectory，彈出“存盤目錄設(shè)置對話框，在SelectDirectory下面的列表框中選擇盤符如e:/,并在其下一級目錄列表框中選擇將文件要存入的文件夾如adamsfile丨，其他保存缺省設(shè)置，點擊“OK關(guān)閉該對話框。二、幾何模型的創(chuàng)立1.創(chuàng)立標(biāo)記點Marker,為建立連桿模型作準(zhǔn)備。右鍵單擊主工具箱中的丿:按鈕，彈出幾何建模工具庫，如圖4-8所示。點擊其nOaaXAor中的*按鈕，并保存主工具箱的下半局部的Marker和Orientation欄的選項設(shè)置分別為

12、AddtoGround和GlobalXY，然后用鼠標(biāo)左鍵單擊工作屏幕區(qū)中坐標(biāo)為0,0,0的位置，即完成了鉸鏈點O的標(biāo)記點創(chuàng)立。同理，依次創(chuàng)立其他各鉸鏈點A(-60,80,0),B(180,180,0),C(180,0,0),D(430,0,0)的標(biāo)記點。2.創(chuàng)立構(gòu)建OA的模型。點主工具箱中的按鈕(如果該按鈕沒有出現(xiàn)在主工具箱中的相應(yīng)位置)，主工具箱的下半局部顯示連桿參數(shù)設(shè)置選項，選中“Width和“Depth前的復(fù)選框，并在相應(yīng)的文本框中分別輸入：20mm和10mm,如圖4-9所示。然后依次點選上一步驟建立的O和A的標(biāo)記點，即可建立OA構(gòu)件的幾何模型。右鍵單擊該構(gòu)件，彈出右鍵快捷菜單，電擊“P

13、a比PART_2Rename,彈知名稱更改對話框。在“NewName一欄中輸入中輸入：Crank,點擊“OK關(guān)閉對話框。3.創(chuàng)立構(gòu)件ABBC和BD的模型。同理可創(chuàng)立構(gòu)件ABBC和BD的模型，并分別將其改名為Link1、roker和Link2。4建立滑塊模型。右鍵單擊主工具箱中的：/按鈕，彈出幾何建模工具庫，點擊其中的主工具箱的下半局部顯示長方體參數(shù)設(shè)置選項，選中“Length、Width和“Depth前的復(fù)選框，并在相應(yīng)的文本框中分別輸入：80mn、60mm和10mn。然后將鼠標(biāo)移動到工作屏幕區(qū)，屏幕區(qū)出現(xiàn)一個80mmX60m的長方形，Render圖4-9連桿參數(shù)設(shè)置鼠標(biāo)箭頭位于該長方形的左下

14、角，移動鼠標(biāo)至390,-30,0的柵格點位置并點擊，即可完成滑塊模型的創(chuàng)立。并將其更名為：slider5.改變滑塊slider的位置。依次點擊主工具箱中的*按鈕和按鈕也可以是其他視圖方向的工具按鈕，以從不同方向觀察上述建立的構(gòu)件，顯然，只有滑塊slider沿Z軸方向與柵格平面XY平面不對稱。點擊Lil按鈕恢圖4-10用戶主界面復(fù)到原來的柵格平面視圖，的左下角右鍵單擊，彈出右鍵快捷菜單，依次點擊一Marker.MARKE_14Modify,彈出標(biāo)記參數(shù)修改對話框，將該對話框的Location欄中的最后一個數(shù)字0改為5,其他保存缺省設(shè)置，如圖4-10所示，點擊“OK關(guān)閉對話框，即可將滑塊移動到與在

15、slider構(gòu)件柵格平面對稱的位置?？梢渣c擊了按鈕查看滑塊為之后的結(jié)果。三、約束副的創(chuàng)立創(chuàng)立機架與crank、機架與rocker構(gòu)件之間的轉(zhuǎn)動副。點擊主工具箱中的蠶按鈕，主工具箱的下半局部顯示轉(zhuǎn)動副參數(shù)設(shè)置選項，確?！癈onstruction一欄下面的兩個列表框中分別選中“1Location和“NormaltoGrid,如圖4-11左圖所示。然后，移動鼠標(biāo)到工作屏幕區(qū)，點選O標(biāo)記點，即可在機架與crank構(gòu)件之間創(chuàng)立了一個轉(zhuǎn)動副，相當(dāng)于固定鉸鏈。同理，根據(jù)實訓(xùn)要求，C點也應(yīng)該為固定鉸鏈點，因此，在機架與rocker構(gòu)件之間也創(chuàng)立一個與上述具有一樣設(shè)置1.ZBod-1LoeCoiLEiruciL

16、oii:KEKevoluieJointIc圖4-11轉(zhuǎn)動副參數(shù)設(shè)置的轉(zhuǎn)動副。2.創(chuàng)立構(gòu)件crank與link1、link1與rocker、rocker與link2以與link2與slider之間的轉(zhuǎn)動副。點擊主工具箱中的鑿:按鈕，主工具箱的下半局部顯示轉(zhuǎn)動副參數(shù)設(shè)置選項，確?！癈onstruction一欄下面的兩個列表框中分別選中“2Bod-1Loccrank、linkl構(gòu)件和A標(biāo)記點，即可在crank和linkl構(gòu)件之間創(chuàng)立了一個轉(zhuǎn)動副。同理，可創(chuàng)立linkl和rocker、rocker和link2、link2和slider之間的轉(zhuǎn)動副。3.創(chuàng)立機架ground與滑塊slider之間的移動副

17、。右鍵單擊主工具箱中的壓按鈕,的按鈕,主工具箱的下半局部顯示移動副參數(shù)設(shè)置選項,確?！癈onstruction一欄下面的兩個列表框中分別選中2Bod-1Loc和PickFeature。然后，移動鼠標(biāo)到工作屏幕區(qū)，依次點選ground、slider構(gòu)件和D標(biāo)記點，之后水平向右移動鼠標(biāo)，直至出現(xiàn)一水平向右的箭頭，按下鼠標(biāo)左鍵，即可在機架與slider構(gòu)件之間創(chuàng)立了一個移動副。4.創(chuàng)立運動驅(qū)動。點擊主工具箱中的亠：按鈕，主工具箱的下半局部顯示旋轉(zhuǎn)運動驅(qū)動參數(shù)設(shè)置選項，在Speed一欄的文本框輸入：10。然后，移動鼠標(biāo)到工作屏幕區(qū)，在0標(biāo)記點點擊鼠標(biāo)左鍵，即可在該轉(zhuǎn)動副上創(chuàng)立了一個轉(zhuǎn)動驅(qū)動。即定義cr

18、ank構(gòu)件為主動件，其轉(zhuǎn)動角速度為10rad/s。需要注意的是，這里的角速度的大小也可以是變速的，通常可通過輸入表達(dá)式來設(shè)置，有興趣的讀者可查閱相關(guān)資料。到此為止，本實訓(xùn)所述六桿機構(gòu)的幾何建模局部和約束與運動驅(qū)動施加局部已經(jīng)完成，完成后的結(jié)果如圖4-12所示。四、運動仿真分析1.運動仿真分析。點擊主工具箱中的汀按鈕，主工具箱的下半局部顯示仿真參數(shù)設(shè)置選項，確保Simulation標(biāo)簽下面的三個列表框中分別選中“Kinematic、EndTime和Steps兩個文本框中分別輸入：2和200,其他保存缺省設(shè)置，如圖4-13所示。然后，點擊按鈕，開場進(jìn)展運動仿真分析，此時，可以看到工作屏幕區(qū)實時顯示

19、六桿機構(gòu)的運動情況，仿真分析完畢后，六桿機構(gòu)停止運動。2.運動仿真動畫播放。點擊主工具箱中的按鈕，主工具箱的下半局部顯示仿真動畫播放功能按鈕與參數(shù)設(shè)置選項，選中左下角后，點擊卜按鈕，開場進(jìn)展運動仿真動畫，點擊動畫播放功能按鈕與參數(shù)設(shè)置選項，選中左下角后，點擊卜按鈕，開場進(jìn)展運動仿真動畫，點擊Loop前的復(fù)選框，表示循環(huán)播放動畫，然按鈕，可停止播放，點擊恢按鈕，可使六桿機構(gòu)返回到開場播放的位置。五、動力仿真分析結(jié)果顯示1.啟動ADAMS/PostProcessor后處理器。點擊主工具箱中的陸按鈕，進(jìn)入ADAMS/PostProcessor的用戶程序主界面，如圖4-14所示。主界面主要由菜單欄、菜

20、單欄、圖4-14ADAMS/PostProcessor后處理器用戶程序主界面對象結(jié)構(gòu)關(guān)系窗口、頁面顯示窗口、參數(shù)特性編輯窗口、控制區(qū)窗口等幾局部組成。2.規(guī)劃頁面顯示窗口。右鍵單擊ADAMS/PostProcessor的用戶程序主界面的工具條中的一!按鈕，彈出頁面布局庫，如圖4-15所示。點擊頁面布局庫中的按鈕，將整個頁面窗口分為四個小視窗。3.導(dǎo)入運動仿真過程。點擊激活頁面顯示窗口的左上視窗，在該視窗右鍵單擊，彈出快捷菜單，點擊LoadAnimation1步驟的運動仿真過程導(dǎo)入該視窗。JlljLl刨上121或控制區(qū)窗口的頂部中的，即可將第四點擊工具條口按鈕，即可圖4-15布局庫顯示六桿機構(gòu)的

21、運動過程，其他播放功能按鈕與第四2步驟地播放按鈕功能根本一樣。NathChur1fisticEMCdr；肯匸ir匚4I.:Ltd+EOClei5Insular_tfeiaiclcyH：r1excrt人UMtLC_liIaeiIrETJLz1araciQb.A：4Cirirr5Tor-UTTEClt阿T：、Qb祐匚焙IIJj耳HU總耳皿口=圖4-16繪制位移滑塊曲線時控制區(qū)窗口的參數(shù)選擇4.繪制滑塊slider的位移曲線。點擊激活頁面顯示窗口的左下視窗，將鼠標(biāo)移至控制控制區(qū)窗口，在Data標(biāo)簽中的“Model列表框中選擇“inkage,“Filter”列表框中選擇body,“Object列表框中

22、選擇“slider,“Characteristic歹U表框中選擇“CM_Position“Component列表框中選擇“X,如圖4-16所示。然后點擊該窗口右邊的“AddCurves按鈕，即可在頁面顯示窗口的左下視窗中顯示滑塊沿X向曰_page_lHBvfeliiiaMaiilj盤anelys：is：kAAaleAtitlscwre.l亍haxisfivaxisect0-|嚴(yán)plct4jEl|plct_6圖4-17plot_3對象的位移隨時間變化的曲線。5.修改滑塊slider的位移曲線的標(biāo)題。雙擊對象結(jié)構(gòu)關(guān)系窗口的plot_3對象，顯示其下一級對象，如圖4-17所示。點擊其中的title對

23、象，并將鼠標(biāo)移至參數(shù)特性編輯窗口，在該窗口中的文本框中輸入：Position如圖4-18所示。此時，可看到頁面顯示窗口的左下視窗中的滑塊位移曲線上的標(biāo)題由原來的linkage變?yōu)椤癙ositionnlSi$(*HoriiontalCVerticalLeft(*CenterCRighl6DE-+004IQ4T333E+IJfajneFtlterNameFiltsr圖4-18曲線標(biāo)題參數(shù)設(shè)置Tics圖4-19橫坐標(biāo)標(biāo)題設(shè)置I二I-slideLCM.P&sition.JCFormiaILabelsFontSizeNumtersTim*Pcsition300.0圖4-20修改標(biāo)題后的位移滑塊曲線8.觀

24、察滑塊在t=0時的位置、速度和加速度的大小。點擊工具條中的豈：總按鈕，在工TODOTODOslidtfCl/ZniEiomK7jri4!bu1000-1jj11.100AnjilyEtsVelicity0旳口1COJO1500LastRunTrmZE3003X061032:14wo.o-50D.0MBSMDO丸口怕D口IfiDiD1怖雹忖込：巾斗血10-33J4-1QD0ao.5oD.a.oAhiIibsoLa4_FurAllULiiLRui-1LDUlihUO530恫圖4-21頁面顯示窗口X:Y:Slofe:Mlxi：Nu：RMS:0.0430.0-17.C159343,801166T.8B

25、32433.6326446.23具條下面彈出一行表格，如圖4-22所示。當(dāng)將鼠標(biāo)在上述建立的曲線上移動時，該表格中的數(shù)據(jù)會隨著鼠標(biāo)的移動而實時發(fā)生變化。該工具不但能顯示曲線上任意一點的坐標(biāo)值，而圖4-22曲線數(shù)據(jù)統(tǒng)計列表且還能顯示曲線的最大、最小值、平均值以與均方根值等等?，F(xiàn)將鼠標(biāo)移至滑塊位移曲線的起始點即曲線與t=0時縱坐標(biāo)軸的交點處，觀察圖4-22所示列表，得到滑塊在該位置的縱坐標(biāo)Y=430mm也就是六桿機構(gòu)處于初始位置時，滑塊在建立模型時所使用坐標(biāo)系中的橫坐標(biāo)值。按照同樣的步驟可以得到滑塊位于初始位置時的速度和加速度的大小，分別為：2=-1050mm/s,aD=7868.3333mm/S

26、。需要注意的是，如果曲線與縱坐標(biāo)軸的交點比擬難捕捉到，可以使用工具條中的工具來放大曲線的局部部位。9.繪制搖桿rocker的角速度和角加速度曲線。由于頁面顯示窗口的四個視窗均已占用，因此，先創(chuàng)立一個新的頁面。點擊工具條中的0按鈕，即可完成新頁page_2,在對象結(jié)構(gòu)關(guān)系窗口中可以看到該對象名稱的創(chuàng)立，而且頁面布局與第一個頁面一樣，也分為四個廠SijrffilterObject憎芫1ting?BiUI仏&|Tin8.、3圖10.00j3石JO|溯口-30D25DacE:/A-dsmE/linkage.bin4-23繪制搖桿角速度曲線時控制區(qū)窗口的參數(shù)選擇Savathenmirit取itdoiftsav