adams 摩擦系数

简单说就是仿真,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软件简介

基于虚拟样机技术的商业软件ADAMS

3.1 ADAMS软件概述

ADAMS,即机械系统动力学自动分析(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems),该软件是美国MDI公司(Mechanical Dynamics Inc.)开发的虚拟样机分析软件.目前,ADAMS己经被全世界各行各业的数百家主要制造商采用.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软件销售总额近八千万美元,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动力学理论中的拉格郎日方程方法,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Windows NT/2000版.本书将以Windows 2000版的ADAMS l2.0为蓝本进行介绍.

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,如表3-1所示.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.

表3-1 ADAMS软件谈团模块

基本模块

用户界面模块

ADAMS/View

求解器模块

ADAMS/Solver

后处理模块

ADAMS/PostProcessor

扩展模块

液备侍告压系统模块

ADAMS/Hydraulics

振动分析模块

ADAMS/Vibration

线性化分析模块

ADAMS/Linear

高速动画模块

ADAMS/Animation

试验设计与分析模块

ADAMS/Insight

耐久性分析模块

ADAMS/Durability

数字化装配回放模块

ADAMS/DMU Replay

接口模块

柔性分析模块

ADAMS/Flex

控制模块

ADAMS/Controls

图形接口模块

ADAMS/Exchange

CATIA专业接口模块

CAT/ADAMS

Pro/E接口模块

Mechanical/Pro

专业领域模块

轿车模块

ADAMS/Car

悬架设计软件包

Suspension Design

概念化悬架模块

CSM

驾驶员模块

ADAMS/Driver

动力传动系统模块

ADAMS/Driveline

轮胎模块

ADAMS/Tire

柔性环轮胎模块

FTire Module

柔性体生成器模块

ADAMS/FBG

经验动力学模型

EDM

发动机设计模块

ADAMS/Engine

配气机构模块

ADAMS/Engine Valvetrain

正时链模仿明块

ADAMS/Engine Chain

附件驱动模块

Accessory Drive Module

铁路车辆模块

ADAMS/Rail

FORD汽车公司专用汽车模块

ADAMS/Pre(现改名为Chassis)

工具箱

软件开发工具包

ADAMS/SDK

虚拟试验工具箱

Virtual Test Lab

虚拟试验模态分析工具箱

Virtual Experiment Modal Analysis

钢板弹簧工具箱

Leafspring Toolkit

飞机起落架工具箱

ADAMS/Landing Gear

履带/轮胎式车辆工具箱

Tracked/Wheeled Vehicle

齿轮传动工具箱

ADAMS/Gear Tool

3.2 ADAMS软件基本模块

3.2.1 用户界面模块(ADAMS/View)

ADAMS/View是ADAMS系列产品的核心模块之一,采用以用户为中心的交互式图形环境,将图标操作,菜单操作,鼠标点击操作与交互式图形建模,仿真计算,动画显示,优化设计,X-Y曲线图处理,结果分析和数据打印等功能集成在一起.

ADAMS/View采用简单的分层方式完成建模工作.采用Parasolid内核进行实体建模,并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,支持FORTRAN/77和FORTRAN/90中的函数.除此之外,还提供了丰富的位移函数,速度函数,加速度函数,接触函数,样条函数,力/力矩函数,合力/力矩函数,数据元函数,若干用户子程序函数以及常量和变量等.

自9.0版后,ADAMS/View采用用户熟悉的Motif界面(UNIX系统)和Windows界面(NT系统),从而大大提高了快速建模能力.在ADAMS/View中,用户利用TABLE EDITOR,可像用EXCEL一样方便地编辑模型数据,同时还提供了PLOT BROWSER和FUNCTION BUILDER工具包.DS(设计研究),DOE(实验设计)及OPTIMIZE(优化)功能可使用户方便地进行优化工作.ADAMS/View有自己的高级编程语言,支持命令行输入命令和C++语言,有丰富的宏命令以及快捷方便的图标,菜单和对话框创建和修改工具包,而且具有在线帮助功能.ADAMS/View模块界面如图3-1所示.

图3-1 ADAMS/View模块

ADAMS/View新版采用了改进的动画/曲线图窗口,能够在同一窗口内可以同步显示模型的动画和曲线图;具有丰富的二维碰撞副,用户可以对具有摩擦的二维点-曲线,圆-曲线,平面-曲线,以及曲线-曲线,实体-实体等碰撞副自动定义接触力;具有实用的Parasolid输入/输出功能,可以输入CAD中生成的Parasolid文件,也可以把单个构件,或整个模型,或在某一指定的仿真时刻的模型输出到一个Parasolid文件中;具有新型数据库图形显示功能,能够在同一图形窗口内显示模型的拓扑结构,选择某一构件或约束(运动副或力)后显示与此项相关的全部数据;具有快速绘图功能,绘图速度是原版本的20倍以上;采用合理的数据库导向器,可以在一次作业中利用一个名称过滤器修改同一名称中多个对象的属性,便于修改某一个数据库对象的名称及其说明内容;具有精确的几何定位功能,可以在创建模型的过程中输入对象的坐标,精确地控制对象的位置;多种平台上采用统一的用户界面,提供合理的软件文档;支持Windows NT平台的快速图形加速卡,确保ADAMS/View的用户可以利用高性能OpenGL图形卡提高软件的性能;命令行可以自动记录各种操作命令,进行自动检查.

3.2.2 求解器模块 (ADAMS/Solver)

ADAMS/Solver是ADAMS系列产品的核心模块之一,是ADAMS产品系列中处于心脏地位的仿真器.该软件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.

ADAMS/Solver可以对刚体和弹性体进行仿真研究.为了进行有限元分析和控制系统研究,用户除要求软件输出位移,速度,加速度和力外,还可要求模块输出用户自己定义的数据.用户可以通过运动副,运动激励,高副接触,用户定义的子程序等添加不同的约束.用户同时可求解运动副之间的作用力和反作用力,或施加单点外力.

ADAMS/Solver新版中对校正功能进行了改进,使得积分器能够根据模型的复杂程度自动调整参数,仿真计算速度提高了30%;采用新的S12型积分器(Stabilized Index 2 intergrator),能够同时求解运动方程组的位移和速度,显著增强积分器的鲁棒性,提高复杂系统的解算速度;采用适用于柔性单元(梁,衬套,力场,弹簧-阻尼器)的新算法,可提高S12型积分器的求解精度和鲁棒性;可以将样条数据存储成独立文件使之管理更加方便,并且spline语句适用于各种样条数据文件,样条数据文件子程序还支持用户定义的数据格式;具有丰富的约束摩擦特性功能,在Translational, Revolute, Hooks, Cylindrical, Spherical, Universal等约束中可定义各种摩擦特性.

3.2.3 后处理模块(ADAMS/PostProcessor)

MDI公司开发的后处理模块ADAMS/Postprocessor,用来处理仿真结果数据,显示仿真动画等.既可以在ADAMS/View环境中运行,也可脱离该环境独立运行.如图3-2所示.

ADAMS/PostProcessor的主要特点是:采用快速高质量的动画显示,便于从可视化角度深入理解设计方案的有效性;使用树状搜索结构,层次清晰,并可快速检索对象;具有丰富的数据作图,数据处理及文件输出功能;具有灵活多变的窗口风格,支持多窗口画面分割显示及多页面存储;多视窗动画与曲线结果同步显示,并可录制成电影文件;具有完备的曲线数据统计功能:如均值,均方根,极值,斜率等;具有丰富的数据处理功能,能够进行曲线的代数运算,反向,偏置,缩放,编辑和生成波特图等;为光滑消隐的柔体动画提供了更优的内存管理模式;强化了曲线编辑工具栏功能;能支持模态形状动画,模态形状动画可记录的标准图形文件格式有:*.gif,*.jpg,*.bmp,*.xpm,*.avi 等;在日期,分析名称,页数等方面增加了图表动画功能;可进行几何属性的细节的动态演示.

图3-2 ADAMS后处理模块

ADAMS/PostProcessor的主要功能包括:为用户观察模型的运动提供了所需的环境,用户可以向前,向后播放动画,随时中断播放动画,而且可以选择最佳观察视角,从而使用户更容易地完成模型排错任务;为了验证ADAMS仿真分析结果数据的有效性,可以输入测试数据,并测试数据与仿真结果数据进行绘图比较,还可对数据结果进行数学运算,对输出进行统计分析;用户可以对多个模拟结果进行图解比较,选择合理的设计方案;可以帮助用户再现ADAMS中的仿真分析结果数据,以提高设计报告的质量;可以改变图表的形式,也可以添加标题和注释;可以载入实体动画,从而加强仿真分析结果数据的表达效果;还可以实现在播放三维动画的同时,显示曲线的数据位置,从而可以观察运动与参数变化的对应关系.

3.3 ADAMS软件扩展模块

3.3.1 液压系统模块(ADAMS/Hydraulics)

应用ADAMS/Hydraulics模块,用户能够精确地对由液压元件驱动的复杂机械系统进行动力学仿真分析.这类复杂机械系统包括:工程机械,汽车制动系统,汽车转向系统,飞机起落架等.运用ADAMS/Hydraulics模块可以提高机械工程师建立包括液压回路在内的机械系统动力学模型的能力,工程师利用ADAMS/Hydraulics和ADAMS/Controls模块相结合,就可以在同一仿真环境中建造,试验和观察包括机-电-液一体化的虚拟样机.ADAMS/Hydraulics是选装模块,使用的前提条件是要具备ADAMS/SoIver和ADAMS/View模块.

ADAMS/Hydraulics可以帮助用户将系统性能仿真与液压系统设计无缝集成为一体.用户可以首先在ADAMS/View中建立液压回路框图,然后通过液压油缸将其连接到机械系统模型中,最后选取最适当的,功能最强的积分器仿真分析整个系统的性能.用户同时使用ADAMS/Hydraulics和ADAMS/Controls,可以提供阀体的反馈控制输入.并且由于液压系统与机械系统之间的相互作用在计算机内被有机地集成为一体,因此可以方便地进行系统的装配和仿真试验.

用户应用ADAMS/Hydraulics模块,可以建造机械系统与液压回路之间相互作用的模型,并在计算机中设置系统的运行特性,进行各种静态,模态,瞬态和动态分析.例如:可以进行液压系统峰值压力和运行压力的分析,液压系统滞后特性的分析,液压系统控制的分析,功率消耗的分析,液压元件和管路尺寸的分析等.由于ADAMS/Hydraulics采用了与ADAMS/View相同的参数化功能和函数库,因此用户在液压元件设计中同样可以运用设计研究(DS),试验设计(DOE)以及优化(OPTIMIZE)等技术.

3.3.2 振动分析模块(ADAMS/Vibration)

ADAMS/Vibration是进行频域分析的工具,可用来检测ADAMS模型的受迫振动(例如;检测汽车虚拟样机在颠簸不平的道路工况下行驶时的动态响应),所有输入输出都将在频域内以振动形式描述,该模块可作为ADAMS运动仿真模型从时域向频域转换的桥梁.

通过运用ADAMS/Vibration可以实现各种子系统的装配,并进行线性振动分析,然后

利用功能强大的后处理模块ADAMS/PostProcessor进一步作出因果分析与设计目标设置分析.

采用ADAMS/Vibration模块,可以在模型的不同的测试点,进行受迫响应的频域分析.频域分析中可以包含液压,控制及用户系统等结果信息;能够快速准确将ADAMS线性化模型转入Vibration模块中;能够为振动分析开辟输入,输出通道,能定义频域输入函数,产生用户定义的力频谱;能求解所关注的频带范围的系统模型,评价频响函数的幅值大小及相位特征;能够动画演示受迫响应及各模态响应;能把系统模型中有关受迫振动响应的信息列表;为进一步分析能把ADAMS模型中的状态矩阵输出到MATLAB及MATRIX中;运用设计研究,DOE及振动分析结果和参数化的振动输入数指优化系统综合性能.

运用ADAMS/Vibration能使工作变得快速简单,运用虚拟检测振动设备方便地替代实际振动研究中复杂的检测过程,从而避免了实际检测只能在设计的后期进行且费用高昂等弊病,缩短设计时间,降低设计成本.ADAMS/Vibration输出的数据还可被用来研究预测汽车,火车,飞机等机动车辆的噪音对驾驶员及乘客的振动冲击,体现了以人为本的现代设计趋势.

3.3.3 线性化分析模块(ADAMS/Linear)

ADAMS/Linear是ADAMS的一个集成可选模块,可以在进行系统仿真时将系统非线性的运动学或动力学方程进行线性化处理,以便快速计算系统的固有频率(特征值),特征向量和状态空间矩阵,使用户能更快而较全面地了解系统的固有特性.

ADAMS/Linear主要功能特点包括:利用该模块可以给工程师带来许多帮助:可以在大位移的时域范围和小位移的频率范围间提供一座桥梁,方便地考虑系统中零部件的弹性特性;利用它生成的状态空间矩阵可以对带有控制元件的机构进行实时控制仿真;利用求得的特征值和特征向量可以对系统进行稳定性研究.

3.3.4 高速动画模块(ADAMS/Animation)

ADAMS/Animation是ADAMS的一个集成可选模块,使用户能借助于增强透视,半透明,彩色编辑及背景透视等方法精细加工所形成的动画,增强动力学仿真分析结果动画显示的真实感.用户既可以选择不同的光源,并交互地移动,对准和改变光源强度,还可以将多台摄像机置于不同的位置,角度同时观察仿真过程,从而得到更完善的运动图像.该模块还提供干涉检测工具,可以动态显示仿真过程中运动部件之间的接触干涉,帮助用户观察整个机械系统的干涉情况;同时还可以动态测试所选的两个运动部件在仿真过程中距离的变化.

该模块主要功能是:采用基于Motif/Windows的界面,标准下拉式菜单和弹出式对话窗,易学易用;与ADAMS/View模块无缝集成,在ADAMS/View中只需点一下鼠标就可转换到ADAMS/Animation;其使用的前提条件是必须要有ADAMS/View模块和ADAMS/Solver模块.

3.3.5 试验设计与分析模块(ADAMS/Insight)

ADAMS/Insight是基于网页技术的新模块.利用该模块,工程师可以方便地将仿真试验结果置于Intranet或Extranet网页上,这样,企业不同部门的人员(设计工程师,试验工程师,计划/采购/管理/销售部门人员)都可以共享分析成果,加速决策进程,最大限度地减少决策的风险.

应用ADAMS/Insight,工程师可以规划和完成一系列仿真试验,从而精确地预测所设计的复杂机械系统在各种工作条件下的性能,并提供了对试验结果进行各种专业化统计分析的工具.ADAMS/Insight是选装模块,既可以在ADAMS/View,ADAMS/Car, ADAMS/Pre环境中运行,也可脱离ADAMS环境单独运行.工程师在拥有这些工具后,就可以对任何一种仿真进行试验方案设计,精确地预测设计的性能,得到高品质的设计方案.

ADAMS/Insight采用的试验设计方法包括全参数法,部分参数法,对角线法,Box-Behnkn法,Placket-Bruman法和D-Optimal法等.当采用其他软件设计机械系统时,工程师可以直接输入或通过文件输入系统矩阵对设计方案进行试验设计;可以通过扫描识别影响系统性能的灵敏参数或参数组合;可以采用响应面法(Response Surface Methods)通过对试验数据进行数学回归分析,以更好地理解产品的性能和系统内部各个零部件之间的相互作用;试验结果采用工程单位制,可以方便地输入其他试验结果进行工程分析;通过网页技术可以将仿真试验结果通过网页进行交流,便于企业各个部门评价和调整机械系统的性能.

另外,ADAMS/Insight能帮助工程师更好地了解产品的性能,能有效地区分关键参数和非关键参数;能根据客户的不同要求提出各种设计方案,可以清晰地观察对产品性能的影响;在产品制造之前,可综合考虑各种制造因素的影响(例如:公差,装配误差,加工精度等),大大地提高产品的实用性;能加深对产品技术要求的理解,强化在企业各个部门之间的合作.应用ADAMS/Insight,工程师可以将许多不同的设计要求有机地集成为一体,提出最佳的设计方案,并保证试验分析结果具有足够的工程精度.

3.3.6 耐久性分析模块(ADAMS/Durability)

耐久性试验是产品开发的一个关键步骤.耐久性试验能够解答机构何时报废或零部件何时失效这个问题,它对产品零部件性能,整机性能都具有重要影响.MDI公司已经与MTS公司及nCode公司合作,共同开发ADAMS/Durability,使之成为耐久性试验的完全解决方案.

ADAMS/Durability按工业标准的耐久性文件格式对时间历程数据接口进行了一次全新的扩展.目前,该模块支持两种时间历程文件格式:nSoft和MTS的RPC3.ADAMS/Durability可以把上述文件格式的数据直接输入到ADAMS仿真模块中去,或把ADAMS的仿真分析结果输出到这种文件格式中来.

ADAMS/Durability集成了VTL(Virtual Test Lab)技术.VTL工具箱是由MTS与MDI公司设计及创建的标准机械检测系统,通过MTS的RPC图形用户界面可实施检测,并保留检测配置及操作问题,VTL的检测结果将返回工业标准的RPC格式文件中,以便由标准分析应用程序使用,一旦得到实际检测结果,便可以执行预测分析及验证.

nCode公司的nSoft耐久性分析软件可以进行应力寿命,局部应变寿命,裂隙扩展状况,多轴向疲劳及热疲劳特征,振动响应,各种焊接机构强度等分析.ADAMS/Durability把以上技术集成在一起,从而使虚拟样机检测系统耐久性成为现实.

ADAMS/Durability的主要功能是,可以从nSoft的DAC及RPC3文件中提取时间记载数据,并将其内插入ADAMS仿真模块中进行分析;可以把REQUEST数据存储在DAC及MTS RPC3文件中,把ADAMS仿真结果及测量数据输出到DAC及MTS RPC3文件;可以查看DAC及MTS RPC3文件的头信息与数据;可以提取DAC及MTS RPC3文件中的数据并绘图,以此与ADAMS仿真结果相对照.

3.3.7 数字化装配回放模块(ADAMS/DMU Replay)

ADAMS/DMU(Digital Mockup)Replay模块是MDI公司与Dassault Systems合作,针对CATIA的用户推出的全新模块,是运行在CATIA V5中的应用程序,可通过CATIA V5的界面访问.该模块是ADAMS与CATIA之间数据通讯的桥梁.利用它可以把其他ADAMS产品(如CAT/ADAMS)中得到的分析结果导入到CATIA中进行动画显示.

ADAMS/DMU模块的主要功能是:能够把ADAMS的分析结果导入到CATIA V5中;能够调整ADAMS部件名称与CATIA几何体相一致以便于显示;能够用装配的CATIA几何体动画显示仿真结果;在运动情况下,能产生一般几何体部件的包络线,执行动态干涉检查.

3.4 ADAMS软件接口模块

3.4.1 柔性分析模块(ADAMS/Flex)

ADAMS/Flex是ADAMS软件包中的一个集成可选模块,提供了与ANSYS,MSC/NASTRAN,ABAQUS,I-DEAS等软件的接口,可以方便地考虑零部件的弹性特性,建立多体动力学模型,以提高系统仿真的精度.ADAMS/Flex模块支持有限元软件中的MNF(模态中性文件)格式.结合ADAMS/Linear模块,可以对零部件的模态进行适当的筛选,去除对仿真结果影响极小的模态,并可以人为控制各阶模态的阻尼,进而大大提高仿真的速度.同时,利用ADAMS/Flex模块,还可以方便地向有限元软件输出系统仿真后的载荷谱和位移谱信息,利用有限元软件进行应力,应变以及疲劳寿命的评估分析和研究.

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