【正文】 足可裝配性、可制造性等方面的要求；利用裝配技術，得到三維虛擬樣機，通過運動仿真和干涉檢驗、修改和完善設計方案；一些3D軟件提供了基于Web的數據共享技術和直接轉換成CAM/CAE數據的接口，使CAD/CAM/CAE甚至CAPP等能夠集成在一個平臺上。(3) 應用類軟件應用類軟件有基于多剛體動力學理論的ADAMS、VisualNastran和基于有限元理論的分析軟件NASTRAN、ANSYS等，以下主要介紹ADAMS。機械系統(tǒng)自動動力仿真程序ADAMS (Automatic Dynamic Analysis of Mechanical System)采用模擬樣機技術，將強大的大位移、非線性分析求解功能與使用方便的用戶界面相平衡，并提供與其它CAE軟件，如控制分析軟件MatriXx、有限元分析軟件ANSYS等的集成模塊擴展設計手段。ADAMS是世界范圍內廣泛使用的機械系統(tǒng)仿真分析軟件，在汽車、航天等領域有著廣泛的應用。ADAMS包括近20個功能各異的模塊，其中ADAMS/Solver（求解器）與ADAMS/View（圖形建模模塊）是核心模塊，它們如同人體的心臟及外表一樣以最友好的交互處理界面，擔負著最關鍵的求解分析職責，其它諸模塊分別是基于這兩核心模塊之上不同領域中專業(yè)化的建模、仿真求解工具，如行業(yè)化模塊有ADAMS/Car（轎車分析模塊）、ADAMS/Driver（駕駛員分析模塊）、ADAMS/Tire（輪胎仿真分析模塊）、ADAMS/Rail（鐵路分析模塊）、ADAMS/Engine（引擎分析模塊）等；功能化模塊有ADAMS/Pre（前處理模塊）、ADAMS/Insight（實驗設計模塊）、ADAMS/Hydraulics（液壓分析模塊）、ADAMS/Flex（柔體仿真分析模塊）、ADAMS/Controls（控制分析模塊）等?？偟膩碚fADAMS將完成如下功能：1)實時模擬功能以最低的成本、盡可能高的精度、較好的準確性完成費用高昂的物理樣機所能完成的功能，即對所研究的系統(tǒng)進行實時的動態(tài)檢測。ADAMS的動態(tài)檢測相對于一般靜態(tài)檢測的明顯優(yōu)勢在于，它能動態(tài)地測量信號在某一時刻的大小，從而有利于分析信號發(fā)生的規(guī)律，同時，動態(tài)測量是以信號的不失真復現作為基礎，重點研究測試系統(tǒng)的動態(tài)響應、信號的不失真?zhèn)鬟f、噪聲的耦合和消除等等與信號有關的一系列問題。動態(tài)檢測數據可以包括有關動力學、運動學、靜態(tài)與動態(tài)性能的所有問題，如速度、加速度、力響應、效率、能量等極其豐富的內容。2)建立對系統(tǒng)的“透視”與“聽覺”能力物理樣機的致命缺陷是封裝信息，也就是說在現實系統(tǒng)中，很多情況下難以運用理想的方式來測試其工作情況或局部信息，而由ADAMS所建立的虛擬樣機仿真系統(tǒng)能給機械設備進行任意時間任意位置的行為“透視”，從而建立現實物理樣機根本無法獲得的系統(tǒng)分析的第一手數據。近代信號處理技術的快速發(fā)展為ADAMS提供了進一步沖浪的空間。當仿真完成之后再利用ADAMS可對數據做出相應的信號處理，常用的策略是頻譜分析及數據濾波處理，這一方法在信號分析技術中已成為一個重要的手段，并成為“傾聽”系統(tǒng)振動、噪音、排除“白噪聲”影響的首選方案；另一措施是根據輸入/輸出關系確定傳遞函數，從而總體描述系統(tǒng)的整體行為特征，為用戶建立系統(tǒng)檔案。3)系統(tǒng)“病情診斷”及優(yōu)化從系統(tǒng)工程角度來講，任何工程信號的提取，如果只停留在查看系統(tǒng)的工作狀況而不進行診斷與優(yōu)化，那么所有的工作將變的毫無實際意義。ADAMS仿真可以增設傳感器、模擬系統(tǒng)的故障狀態(tài)、提供故障仿真信息從而幫助用戶建立系統(tǒng)“病歷檔案”，以此預先確定系統(tǒng)在發(fā)生故障時的行為特征，最后運用故障診斷的逆推理機制進行故障預測與故障定位。對于系統(tǒng)的優(yōu)化更充分顯示了高速計算機與ADAMS系統(tǒng)相結合的魅力。在ADAMS中用戶可以直觀地看到不同的參數（如幾何參數、驅動力矩、約束副的位置及系統(tǒng)的初始狀態(tài)等）對目標函數（系統(tǒng)某種綜合性能指標，如重量）影響的大小，并把這種影響定量化，從而為精確確定參數的優(yōu)化方案奠定了堅實的基礎，最終完成各影響因素與目標之間的最佳組合。4)廣告、宣傳及項目競選的攻關能力逼真的實體與接近現實的背景畫面以及準確而直觀的行為動作，再配上極有說服力的數據圖表、一組動畫、一副圖像就能傳遞所有的將要表達的信息――無需語言，企業(yè)產品就能夠跨越虛擬與現時的界限，這是很好的宣傳與攻關策略，而ADAMS可提供這一表現手段。5)友好的接口ADAMS可通過相應接口與CATIA、UG、PRO/E、ANSYS等優(yōu)秀的CAD/CAE/CAM工具聯合使用，使它的功能從多體動力學分析直接擴展到在可變實驗條件下對柔體、流體等的仿真?？傊?，ADAMS結合了各領域豐富的實踐經驗，融合了信息技術、仿真技術、計算機技術等高新技術，借助于高速計算機與機械系統(tǒng)運動學、動力學、彈塑性力學、系統(tǒng)工程學、計算機仿真等相關科學技術，從而構造出的一個能模擬現實系統(tǒng)的虛擬樣機的建造與CAE/CAM全真仿真分析環(huán)境。ADAMS用剛體i的質心笛卡爾坐標和反映剛體方位的歐拉角(或廣義歐拉角)作為廣義坐標，即。由于采用了不獨立的廣義坐標，系統(tǒng)動力學方程是最大數量但卻高度稀疏耦合的微分代數方程，適于用稀疏矩陣的方法高效求解。ADAMS程序采用拉格朗日乘子法建立系統(tǒng)運動方程(矩陣形式)：（完整約束方程）（非完整約束方程）（51）式中 ——系統(tǒng)功能；——系統(tǒng)廣義坐標列陣；——廣義力列陣；——對應于完整約束的拉氏乘子列陣；——對應于非完整約束的拉氏乘子列陣。重新改寫式（51）成更一般形式為:（52）式中 ——廣義坐標列陣；——廣義速度列陣；——約束反力及作用力列陣；——系統(tǒng)動力學微分方程及用戶定義的微分方程(如用于控制的微分方程、非完整約束方程)；——系統(tǒng)運動學微分方程；——描述約束的代數方程列陣。如定義系統(tǒng)的狀態(tài)矢量，式（52）可寫成單一矩陣方程。在進行動力學分析時，ADAMS采用下列兩種算法：1)提供三種功能強大的變階、變步長積分求解程序，即GSTIFF積分器、DSTIFF積分器和BDF積分器來求解稀疏耦合的非線性微分代數方程。這種方法適于模擬剛性系統(tǒng)(特征值變化范圍大的系統(tǒng))。2)提供ABAM(AdamsBashforthand AdamsMoulton)積分求解程序，采用坐標分離算法，來求解獨立坐標的微分方程。這種方法適于模擬特征值經歷突變的系統(tǒng)或高頻系統(tǒng)。(4) 圖像編輯軟件圖像編輯軟件有Adobe Photoshop、Paint Shop ProPhortoimpact等。從本質上而言，圖像編輯軟件共分為標量圖和矢量圖兩類。應用圖像編輯軟件所編輯的二維圖像，形成虛擬環(huán)境中景物的表面紋理、圖片等，使虛擬環(huán)境更加形象生動，同時利用圖像和圖形相結合的技術，增加系統(tǒng)實時渲染速度。(5) 虛擬環(huán)境化軟件幫助用戶創(chuàng)造虛擬環(huán)境的通用和商業(yè)化軟件，可以幫助用戶節(jié)約開發(fā)時間，減少建模成本。常用軟件如WorldToolKitTM(WTKTM)、World UP、World To World、Mock UP、Product View Safe Work VRT等。這類軟件通常有三個功能：構造虛擬環(huán)境、創(chuàng)建樹狀結構的虛擬世界、模擬虛擬世界的物理行為。 舉一個虛擬設計的實例：往復活塞式內燃機的曲軸系是由曲軸及連于其上的活塞、連桿、飛輪等構件組成的，其動力學分析主要包括各構件的運動與受力分析、發(fā)動機的平衡性分析以及曲軸系的扭振分析等內容。作用于系統(tǒng)上的力來自兩個方面，一是氣缸內的氣體爆發(fā)壓力，二是運動質量產生的慣性力，它們會對機體產生作用力和力矩。由于這些力和力矩是不可能完全平衡的，就會造成發(fā)動機及其支架的振動，導致緊固件松動，個別零件過載損壞，噪音增大，車輛乘員疲勞等不良后果。因此有必要在發(fā)動機設計階段進行平衡性分析和曲軸系的振動分析，為設計選型和具體的結構設計提供依據。運用機械系統(tǒng)仿真軟件ADAMS，通過建立包括活塞、連桿、曲軸、飛輪在內的整個曲軸系的多體系統(tǒng)動力學模型，不僅可以計算出各構件的運動規(guī)律和構件間的作用力，還可以進一步進行平衡性分析和振動分析。（1）發(fā)動機曲軸系的建模方法根據分析的具體內容不同，發(fā)動機曲軸系可以建為不同的模型。對于平衡性分析而言，由于考慮的是運動構件慣性力的平衡，可采用多剛體系統(tǒng)模型計算，剛體的質量、質心位置及慣性矩可利用CAD軟件（如Pro/E）建立其精確實體模型后分析得到。而要分析曲軸系的振動，則需要將曲軸建為柔性體。曲軸柔性體的建模也可以采用不同的方法。一種方法是根據傳統(tǒng)的將曲軸系簡化為盤軸系統(tǒng)的思想，將曲軸劃分為由自由端、曲柄段、主軸頸段和尾段等若干剛性段組成的系統(tǒng)，每段之間采用彈性聯接，其剛度就是被連接兩軸段之間的剛度，剛度值可運用有限元分析得到。另一種是采用相對描述的方法，將構件的運動分解為剛性整體的牽連運動和相對動參考系的變形運動兩部分，其中變形運動采用模態(tài)向量及相應的模態(tài)坐標來描述，即其中為模態(tài)向量矩陣，為模態(tài)坐標，N為模態(tài)向量數。模態(tài)分析可利用有限元分析軟件來完成，通過生成模態(tài)中性文件（.mnf文件）可直接輸入ADAMS建立柔性體模型。由此可以看出，發(fā)動機曲軸系的建模綜合使用了CAD軟件、有限元分析軟件和機械系統(tǒng)仿真軟件，三者之間的數據傳遞關系如圖516所示。系統(tǒng)中各構件間的約束視分析的問題可采用理想約束，但在計算機體的支承力時應計及支承剛度，即采用彈性支承。圖516　CAD軟件、有限元分析軟件和系統(tǒng)動力學分析軟件的數據流作用于系統(tǒng)的外力主要是氣體的爆發(fā)壓力，該力是曲軸轉角的函數，可根據示功圖得出，沿氣缸軸向施加于活塞頂部。（2）某型車輛V型六缸發(fā)動機曲軸系的多體系統(tǒng)模型1）多剛體系統(tǒng)模型該模型可用于計算系統(tǒng)中各構件的運動規(guī)律及構件間的相互作用力，進行平衡性分析。圖517就是某型車輛V型六缸發(fā)動機曲軸系的多剛體系統(tǒng)模型，其中活塞、連桿、曲軸等構件的質量、質心位置及慣性矩是采用Pro/E軟件建立了相應零件的精確實體模型后分析得到的。2）含曲軸柔性體的多體系統(tǒng)模型圖517　多剛體系統(tǒng)模型曲軸的柔性體是利用有限元分析軟件ANSYS對曲軸建立有限元模型，并進行模態(tài)分析計算出曲軸的前20階模態(tài)之后，產生一個模態(tài)中性文件（.mnf文件）輸入ADAMS中建立的。在建立曲軸的有限元模型時，需要在主軸頸與機體以及曲柄銷與連桿相連的位置設置結點，以便在該處施加約束。圖518就是在ANSYS中建立的曲軸有限元模型。其它零件在系統(tǒng)中的作用只是傳遞氣體爆發(fā)壓力和由于運動產生慣性力，建為剛體即可。將多剛體系統(tǒng)中的剛體曲軸換為柔性曲軸就得到多體系統(tǒng)模型，如圖519所示。 圖518　曲軸的有限元模型 圖519　含曲軸柔性體的多體系統(tǒng)模型（3）分析結果1）發(fā)動機的平衡性分析采用多剛體系統(tǒng)模型，對曲軸施以速度為發(fā)動機額定轉速的旋轉運動激勵，求得活塞、連桿、曲柄等運動質量產生的慣性力在曲軸尾端（飛輪端）主軸頸中點處沿Y、Z方向（X為曲軸軸向）的合力和合力矩如圖520所示：圖520　慣性力系在曲軸尾端主軸頸中點處的合力圖521　慣性力系在曲軸尾端主軸頸中點處的合力矩由圖521可以看出，該曲軸系的慣性力系在曲軸尾端主軸頸中點處的合力矩非常小，接近于零，可以認為該慣性力系是通過該點的一個力。2）曲軸的扭振分析往復活塞式發(fā)動機各缸的工作是周期性的，氣缸內的氣體壓力和活塞、連桿等運動質量產生的慣性力傳遞到曲軸上，使曲軸承受著周期性交變載荷的作用。這個載荷可以分解為切向力和徑向力。切向力產生扭矩，帶動發(fā)動機運轉，不均勻的扭矩將引起曲軸的扭振。徑向力將使曲軸發(fā)生彎曲變形，產生彎曲振動。由于曲軸彎曲振動的自振頻率相當高，其共振轉速比發(fā)動機常用轉速高得多，因此在初步計算中可不予考慮。而扭振的自振頻率一般較低，往往會落在發(fā)動機的常用轉速范圍內，對其工作造成危害，因此必須對其進行分析。本文利用某型車輛V型六缸發(fā)動機曲軸系的多體系統(tǒng)模型，計算得到發(fā)動機以其額定轉速運行時自由端產生的扭轉變形。如圖522所示：圖522　曲軸自由端的扭轉變形圖通過FFT變換后得到的頻域響應如圖523所示：圖523　曲軸扭振響應的頻域結果由圖523可以看出，由于該發(fā)動機的功率較大，曲軸的扭振響應較為強烈，在設計應予以重視。通過上面的例子可以看出，結合CAD軟件和有限元分析軟件，運用ADAMS對發(fā)動機曲軸系進行多體系統(tǒng)動力學分析，不僅可以計算出各構件的運動規(guī)律和構件間的作用力，還可以進行平衡性、扭振等動力學分析；發(fā)動機曲軸系的多體系統(tǒng)動力學分析根據其內容的不同,可以建立不同的模型。153 / 25