【正文】 足可裝配性、可制造性等方面的要求；利用裝配技術(shù)，得到三維虛擬樣機(jī)，通過運(yùn)動仿真和干涉檢驗(yàn)、修改和完善設(shè)計方案；一些3D軟件提供了基于Web的數(shù)據(jù)共享技術(shù)和直接轉(zhuǎn)換成CAM/CAE數(shù)據(jù)的接口，使CAD/CAM/CAE甚至CAPP等能夠集成在一個平臺上。(3) 應(yīng)用類軟件應(yīng)用類軟件有基于多剛體動力學(xué)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(jī)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(jī)技術(shù)，將強(qiáng)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(kuò)展設(shè)計手段。ADAMS是世界范圍內(nèi)廣泛使用的機(jī)械系統(tǒng)仿真分析軟件，在汽車、航天等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)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?nèi)缤梭w的心臟及外表一樣以最友好的交互處理界面，擔(dān)負(fù)著最關(guān)鍵的求解分析職責(zé)，其它諸模塊分別是基于這兩核心模塊之上不同領(lǐng)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(shí)驗(yàn)設(shè)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。總的來說ADAMS將完成如下功能：1)實(shí)時模擬功能以最低的成本、盡可能高的精度、較好的準(zhǔn)確性完成費(fèi)用高昂的物理樣機(jī)所能完成的功能，即對所研究的系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)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(fù)現(xiàn)作為基礎(chǔ)，重點(diǎn)研究測試系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)、信號的不失真?zhèn)鬟f、噪聲的耦合和消除等等與信號有關(guān)的一系列問題。動態(tài)檢測數(shù)據(jù)可以包括有關(guān)動力學(xué)、運(yùn)動學(xué)、靜態(tài)與動態(tài)性能的所有問題，如速度、加速度、力響應(yīng)、效率、能量等極其豐富的內(nèi)容。2)建立對系統(tǒng)的“透視”與“聽覺”能力物理樣機(jī)的致命缺陷是封裝信息，也就是說在現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中，很多情況下難以運(yùn)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(jī)仿真系統(tǒng)能給機(jī)械設(shè)備進(jìn)行任意時間任意位置的行為“透視”，從而建立現(xiàn)實(shí)物理樣機(jī)根本無法獲得的系統(tǒng)分析的第一手?jǐn)?shù)據(jù)。近代信號處理技術(shù)的快速發(fā)展為ADAMS提供了進(jìn)一步?jīng)_浪的空間。當(dāng)仿真完成之后再利用ADAMS可對數(shù)據(jù)做出相應(yīng)的信號處理，常用的策略是頻譜分析及數(shù)據(jù)濾波處理，這一方法在信號分析技術(shù)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(jù)輸入/輸出關(guān)系確定傳遞函數(shù)，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(jìn)行診斷與優(yōu)化，那么所有的工作將變的毫無實(shí)際意義。ADAMS仿真可以增設(shè)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(yù)先確定系統(tǒng)在發(fā)生故障時的行為特征，最后運(yùn)用故障診斷的逆推理機(jī)制進(jìn)行故障預(yù)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(jī)與ADAMS系統(tǒng)相結(jié)合的魅力。在ADAMS中用戶可以直觀地看到不同的參數(shù)（如幾何參數(shù)、驅(qū)動力矩、約束副的位置及系統(tǒng)的初始狀態(tài)等）對目標(biāo)函數(shù)（系統(tǒng)某種綜合性能指標(biāo)，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(shù)的優(yōu)化方案奠定了堅實(shí)的基礎(chǔ)，最終完成各影響因素與目標(biāo)之間的最佳組合。4)廣告、宣傳及項目競選的攻關(guān)能力逼真的實(shí)體與接近現(xiàn)實(shí)的背景畫面以及準(zhǔn)確而直觀的行為動作，再配上極有說服力的數(shù)據(jù)圖表、一組動畫、一副圖像就能傳遞所有的將要表達(dá)的信息――無需語言，企業(yè)產(chǎn)品就能夠跨越虛擬與現(xiàn)時的界限，這是很好的宣傳與攻關(guān)策略，而ADAMS可提供這一表現(xiàn)手段。5)友好的接口ADAMS可通過相應(yīng)接口與CATIA、UG、PRO/E、ANSYS等優(yōu)秀的CAD/CAE/CAM工具聯(lián)合使用，使它的功能從多體動力學(xué)分析直接擴(kuò)展到在可變實(shí)驗(yàn)條件下對柔體、流體等的仿真?？傊?，ADAMS結(jié)合了各領(lǐng)域豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，融合了信息技術(shù)、仿真技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)等高新技術(shù)，借助于高速計算機(jī)與機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)、彈塑性力學(xué)、系統(tǒng)工程學(xué)、計算機(jī)仿真等相關(guān)科學(xué)技術(shù)，從而構(gòu)造出的一個能模擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的虛擬樣機(jī)的建造與CAE/CAM全真仿真分析環(huán)境。ADAMS用剛體i的質(zhì)心笛卡爾坐標(biāo)和反映剛體方位的歐拉角(或廣義歐拉角)作為廣義坐標(biāo)，即。由于采用了不獨(dú)立的廣義坐標(biāo)，系統(tǒng)動力學(xué)方程是最大數(shù)量但卻高度稀疏耦合的微分代數(shù)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(yùn)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(biāo)列陣；——廣義力列陣；——對應(yīng)于完整約束的拉氏乘子列陣；——對應(yīng)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(biāo)列陣；——廣義速度列陣；——約束反力及作用力列陣；——系統(tǒng)動力學(xué)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(yùn)動學(xué)微分方程；——描述約束的代數(shù)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(jìn)行動力學(xué)分析時，ADAMS采用下列兩種算法：1)提供三種功能強(qiáng)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(shù)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(biāo)分離算法，來求解獨(dú)立坐標(biāo)的微分方程。這種方法適于模擬特征值經(jīng)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(zhì)上而言，圖像編輯軟件共分為標(biāo)量圖和矢量圖兩類。應(yīng)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(jié)合的技術(shù)，增加系統(tǒng)實(shí)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(gòu)造虛擬環(huán)境、創(chuàng)建樹狀結(jié)構(gòu)的虛擬世界、模擬虛擬世界的物理行為。 舉一個虛擬設(shè)計的實(shí)例：往復(fù)活塞式內(nèi)燃機(jī)的曲軸系是由曲軸及連于其上的活塞、連桿、飛輪等構(gòu)件組成的，其動力學(xué)分析主要包括各構(gòu)件的運(yùn)動與受力分析、發(fā)動機(jī)的平衡性分析以及曲軸系的扭振分析等內(nèi)容。作用于系統(tǒng)上的力來自兩個方面，一是氣缸內(nèi)的氣體爆發(fā)壓力，二是運(yùn)動質(zhì)量產(chǎn)生的慣性力，它們會對機(jī)體產(chǎn)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(jī)及其支架的振動，導(dǎo)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(jī)設(shè)計階段進(jìn)行平衡性分析和曲軸系的振動分析，為設(shè)計選型和具體的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供依據(jù)。運(yùn)用機(jī)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(nèi)的整個曲軸系的多體系統(tǒng)動力學(xué)模型，不僅可以計算出各構(gòu)件的運(yùn)動規(guī)律和構(gòu)件間的作用力，還可以進(jìn)一步進(jìn)行平衡性分析和振動分析。（1）發(fā)動機(jī)曲軸系的建模方法根據(jù)分析的具體內(nèi)容不同，發(fā)動機(jī)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(yùn)動構(gòu)件慣性力的平衡，可采用多剛體系統(tǒng)模型計算，剛體的質(zhì)量、質(zhì)心位置及慣性矩可利用CAD軟件（如Pro/E）建立其精確實(shí)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(jù)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(lián)接，其剛度就是被連接兩軸段之間的剛度，剛度值可運(yùn)用有限元分析得到。另一種是采用相對描述的方法，將構(gòu)件的運(yùn)動分解為剛性整體的牽連運(yùn)動和相對動參考系的變形運(yùn)動兩部分，其中變形運(yùn)動采用模態(tài)向量及相應(yīng)的模態(tài)坐標(biāo)來描述，即其中為模態(tài)向量矩陣，為模態(tài)坐標(biāo)，N為模態(tài)向量數(shù)。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(jī)曲軸系的建模綜合使用了CAD軟件、有限元分析軟件和機(jī)械系統(tǒng)仿真軟件，三者之間的數(shù)據(jù)傳遞關(guān)系如圖516所示。系統(tǒng)中各構(gòu)件間的約束視分析的問題可采用理想約束，但在計算機(jī)體的支承力時應(yīng)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(xué)分析軟件的數(shù)據(jù)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(zhuǎn)角的函數(shù)，可根據(jù)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(jī)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(gòu)件的運(yùn)動規(guī)律及構(gòu)件間的相互作用力，進(jìn)行平衡性分析。圖517就是某型車輛V型六缸發(fā)動機(jī)曲軸系的多剛體系統(tǒng)模型，其中活塞、連桿、曲軸等構(gòu)件的質(zhì)量、質(zhì)心位置及慣性矩是采用Pro/E軟件建立了相應(yīng)零件的精確實(shí)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(jìn)行模態(tài)分析計算出曲軸的前20階模態(tài)之后，產(chǎn)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(jī)體以及曲柄銷與連桿相連的位置設(shè)置結(jié)點(diǎn)，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(yùn)動產(chǎn)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(jié)果1）發(fā)動機(jī)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(jī)額定轉(zhuǎn)速的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動激勵，求得活塞、連桿、曲柄等運(yùn)動質(zhì)量產(chǎn)生的慣性力在曲軸尾端（飛輪端）主軸頸中點(diǎn)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(diǎn)處的合力圖521　慣性力系在曲軸尾端主軸頸中點(diǎn)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(diǎn)處的合力矩非常小，接近于零，可以認(rèn)為該慣性力系是通過該點(diǎn)的一個力。2）曲軸的扭振分析往復(fù)活塞式發(fā)動機(jī)各缸的工作是周期性的，氣缸內(nèi)的氣體壓力和活塞、連桿等運(yùn)動質(zhì)量產(chǎn)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(chǎn)生扭矩，帶動發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，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(chǎn)生彎曲振動。由于曲軸彎曲振動的自振頻率相當(dāng)高，其共振轉(zhuǎn)速比發(fā)動機(jī)常用轉(zhuǎn)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(jī)的常用轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，對其工作造成危害，因此必須對其進(jìn)行分析。本文利用某型車輛V型六缸發(fā)動機(jī)曲軸系的多體系統(tǒng)模型，計算得到發(fā)動機(jī)以其額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行時自由端產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)變形。如圖522所示：圖522　曲軸自由端的扭轉(zhuǎn)變形圖通過FFT變換后得到的頻域響應(yīng)如圖523所示：圖523　曲軸扭振響應(yīng)的頻域結(jié)果由圖523可以看出，由于該發(fā)動機(jī)的功率較大，曲軸的扭振響應(yīng)較為強(qiáng)烈，在設(shè)計應(yīng)予以重視。通過上面的例子可以看出，結(jié)合CAD軟件和有限元分析軟件，運(yùn)用ADAMS對發(fā)動機(jī)曲軸系進(jìn)行多體系統(tǒng)動力學(xué)分析，不僅可以計算出各構(gòu)件的運(yùn)動規(guī)律和構(gòu)件間的作用力，還可以進(jìn)行平衡性、扭振等動力學(xué)分析；發(fā)動機(jī)曲軸系的多體系統(tǒng)動力學(xué)分析根據(jù)其內(nèi)容的不同,可以建立不同的模型。153 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