【正文】 應(yīng)是產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的重要問題。已知系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)確定運(yùn)動(dòng)副動(dòng)反力的問題稱為動(dòng)力學(xué)的逆問題，它是系統(tǒng)各部件強(qiáng)度分析的基礎(chǔ)。多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)是由多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)與多柔體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)組成的。研究這些系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)需要建立非線性運(yùn)動(dòng)方程、能量表達(dá)式、運(yùn)動(dòng)學(xué)表達(dá)式以及其他一些量的公式。2．多柔體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的研究對(duì)象是由大量剛體和柔體組成的系統(tǒng)。根據(jù)多柔體系統(tǒng)組成的特點(diǎn)，一般以多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的以研究為基礎(chǔ)，對(duì)系統(tǒng)中柔性體進(jìn)行不同的處理，在機(jī)械系統(tǒng)中常用的處理方法有離散法、模態(tài)分析法、形函數(shù)法和有限單元法等。傳統(tǒng)的產(chǎn)品開發(fā)步驟通常分為：產(chǎn)品設(shè)計(jì)、試驗(yàn)室試制、制造物理樣機(jī)和產(chǎn)品生產(chǎn)等四個(gè)階段。同傳統(tǒng)的基于物理樣機(jī)的設(shè)計(jì)研發(fā)方法相比，虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)方法具有以下特點(diǎn)：1．全新的研發(fā)模式。而虛擬樣機(jī)技術(shù)真正實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)角度的產(chǎn)品優(yōu)化，它基于并行工程，無(wú)需建立物理模型，在產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)階段就可以迅速地分析、比較多種設(shè)計(jì)方案，確定影響產(chǎn)品性能的敏感參數(shù)，并進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)，通過可視化技術(shù)仿真分析產(chǎn)品在各種真實(shí)工況下的行為特征以及所具有的響應(yīng)，直至獲得最優(yōu)工作性能。虛擬樣機(jī)的設(shè)計(jì)方法是通過計(jì)算機(jī)技術(shù)建立產(chǎn)品的數(shù)字化模型(虛擬樣機(jī))，擺脫了對(duì)物理樣機(jī)的依賴，從而可以完成無(wú)數(shù)次物理樣機(jī)無(wú)法進(jìn)行的虛擬試驗(yàn)，有時(shí)這些試驗(yàn)是破壞性的，因此大大減少了物理樣機(jī)的數(shù)量，而且縮短了研發(fā)周期、提高了產(chǎn)品質(zhì)量。為了適應(yīng)快速變化的全球市場(chǎng)，克服單個(gè)企業(yè)資源的局限性，出現(xiàn)了在一定時(shí)間內(nèi)，通過Internetamp。參盟的企業(yè)為了實(shí)現(xiàn)并行設(shè)計(jì)和制造，信息的快速交流尤顯重要，而虛擬樣機(jī)是一種數(shù)字化模型，通過網(wǎng)絡(luò)可以快速、準(zhǔn)確的傳輸，從而為動(dòng)態(tài)聯(lián)盟活動(dòng)的高度并行性提供了基礎(chǔ)。20世紀(jì)60年代，古典的剛體力學(xué)、分析力學(xué)與計(jì)算機(jī)相結(jié)合的力學(xué)分支——多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)產(chǎn)生了，其主要任務(wù)是：1．建立復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)程式化的數(shù)學(xué)模型，開發(fā)實(shí)現(xiàn)這個(gè)數(shù)學(xué)模型的軟件系統(tǒng)，自動(dòng)進(jìn)行程序化處理。3．實(shí)現(xiàn)有效的數(shù)據(jù)后處理，采用動(dòng)畫、圖表或其他可視化顯示方式提供數(shù)據(jù)處理結(jié)果。但一種優(yōu)秀的虛擬樣機(jī)分析軟件除了進(jìn)行機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析，還應(yīng)包含以下技術(shù)：1．CAD軟件和技術(shù)。2．有限元分析軟件和技術(shù)。3．利用實(shí)驗(yàn)裝置的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行某些構(gòu)件的建模并模擬各種各樣的作用力對(duì)樣機(jī)進(jìn)行仿真分析。虛擬樣機(jī)軟件可以運(yùn)用傳統(tǒng)的和現(xiàn)代的控制理論，進(jìn)行機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)仿真分析，并運(yùn)用虛擬樣機(jī)分析技術(shù)進(jìn)行機(jī)械系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和分析。目前國(guó)外虛擬樣機(jī)技術(shù)軟件的商品化過程已經(jīng)完成，在這個(gè)日益增長(zhǎng)的市場(chǎng)上競(jìng)爭(zhēng)的有二十多家公司，其中比較有影響力的產(chǎn)品包括美國(guó)MSC公司的ADAMS、比利時(shí)LMS公司的DADS以及德國(guó)航天局的SIMPACK?；谝恍┛陀^因素，虛擬樣機(jī)技術(shù)在我國(guó)還沒有被廣泛的應(yīng)用。虛擬樣機(jī)技術(shù)是一門新興的技術(shù)，它有著廣闊的發(fā)展前景及市場(chǎng)。該軟件90年代開始在我國(guó)的機(jī)械制造、汽車交通、航空航天、鐵道、兵器、石油化工等領(lǐng)域得到應(yīng)用，為各領(lǐng)域中的產(chǎn)品設(shè)計(jì)、科學(xué)研究做出了貢獻(xiàn)。ADAMS自動(dòng)輸出位移、速度、加速度和作用力，其仿真結(jié)果可顯示為逼真的動(dòng)畫或XY曲線圖形，ADAMS仿真可用于預(yù)測(cè)機(jī)械系統(tǒng)的性能、運(yùn)動(dòng)范圍、碰撞檢測(cè)、峰值載荷以及計(jì)算有限元的輸入載荷，支持ADAMS同大多數(shù)CAD，F(xiàn)EA及控制設(shè)計(jì)軟件包之間的雙向通訊。用戶可以利用ADAMS的工作站或PC機(jī)上建造、試驗(yàn)“虛擬樣機(jī)，在此基礎(chǔ)上與其它模塊集成就可以滿足多方面的仿真要求．模塊簡(jiǎn)介：ADAMS /View(用戶界面模塊)是以用戶為中心的交互式圖形環(huán)境，它將簡(jiǎn)單的圖標(biāo)、菜單、鼠標(biāo)點(diǎn)取操作與交互式圖形建模、仿真計(jì)算、動(dòng)畫顯示等功能完美地集成在一起。ADAMS／Solver(求解器)是ADAMS系列產(chǎn)品的核心模塊之一，是求解機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)問題的程序。ADAMS／Solver有各種建模和求解選項(xiàng)，以便精確有效地解決各種問題。ADAMS／Postprocessor還可以對(duì)仿真分析曲線進(jìn)行一些數(shù)學(xué)和統(tǒng)計(jì)計(jì)算；可以輸入試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制試驗(yàn)曲線，并同仿真結(jié)果進(jìn)行比較：對(duì)分析結(jié)果曲線圖進(jìn)行各種編輯。動(dòng)畫顯示的真實(shí)感。用戶使用該模塊，能夠精確地對(duì)由液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)的復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)(如工程機(jī)械、汽車制動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、飛機(jī)起落架等)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真分析。ADAMS／Flex(柔性模塊)是ADAMS與Flex軟件之間進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)通訊的接口。Flex是合成柔性體的有效途。通過柔性體節(jié)點(diǎn)增加適當(dāng)?shù)募s束和力，就可以使柔性體與其它剛體共同形成一個(gè)有機(jī)的ADAMS模型。ADAMS／Car(車輛模塊)賦予工程師精確建立整套虛擬樣機(jī)的能力，其中包括懸架、傳動(dòng)系、發(fā)動(dòng)機(jī)、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、ABS系統(tǒng)以及其它復(fù)雜總成。此外，ADAMS還包括Exchange(接口模塊)、Controls(控制模塊)、Insight(試驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析模塊)、Vibration(振動(dòng)分析模塊)、Durability(耐用性分析模塊)Driver(駕駛員模塊)、T拍(輪胎模塊)等。如圖31所示，各步驟簡(jiǎn)述如下： 圖31 虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)流程1．建造模型建模包含三部分工作：(1)　創(chuàng)建零件有兩種途徑：通過ADAMSⅣiew的零件庫(kù)來(lái)創(chuàng)建各種簡(jiǎn)單的運(yùn)動(dòng)單元(零件)：用ADAMS／Exchange引入復(fù)雜的CAD形體(會(huì)影響運(yùn)行速度)。(3)　給模型施加各種作用力。3．校驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯?dǎo)入實(shí)際實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)，與虛擬仿真的結(jié)果進(jìn)行比較。使模型與真實(shí)系統(tǒng)更加近似。6．建立物理樣機(jī)根據(jù)優(yōu)化設(shè)計(jì)的結(jié)果建立物理樣機(jī)。這要求設(shè)計(jì)者不僅要充分掌握產(chǎn)品設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)理論知識(shí)，而且還能熟練的運(yùn)用CAD軟件進(jìn)行參數(shù)化建模。 液壓挖掘機(jī)概況液壓挖掘機(jī)是在機(jī)械系統(tǒng)傳統(tǒng)挖掘機(jī)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種周期作業(yè)的土方機(jī)械，液壓挖掘機(jī)由于在動(dòng)力裝置和工作裝置之間采用容積式液壓傳動(dòng)，靠液體的壓力能進(jìn)行工作。圖31 正在工作的挖掘機(jī)單斗液壓挖掘機(jī)的總體結(jié)構(gòu)包括動(dòng)力裝置、工作裝置、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、操縱機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)系統(tǒng)、行走機(jī)構(gòu)和輔助設(shè)備等，液壓挖掘機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖32 所示。斗桿鉸接于動(dòng)臂的上端，由斗桿油缸控制斗桿與動(dòng)臂的相對(duì)角度。鏟斗與斗桿前端鉸接，并通過鏟斗油缸伸縮使鏟斗轉(zhuǎn)動(dòng)。對(duì)于反鏟挖掘機(jī)來(lái)說，主要用于挖掘停機(jī)面以下的土壤，因此最大挖掘深度和最大挖掘半徑是其主要的作業(yè)尺寸。液壓挖掘機(jī)的工作裝置動(dòng)作以及機(jī)身的回轉(zhuǎn)和行走都由液壓傳動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，原動(dòng)機(jī)(一般使用柴油機(jī))驅(qū)動(dòng)雙聯(lián)液壓泵，把壓力油分別送到兩組多路換向閥，通過司機(jī)的操作，將壓力油單獨(dú)或同時(shí)送往液壓執(zhí)行元件(液壓馬達(dá)和液壓油缸)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)(工作裝置)工作。動(dòng)臂液壓缸主要用于調(diào)整工作裝置的挖掘位置，一般不單獨(dú)直接挖掘土壤；斗桿挖掘可以獲得較大的行程，但挖掘力要小一些。 參數(shù)化建模與特征建模目前，CAD技術(shù)的基礎(chǔ)理論主要是以PTC公司的Pro/E為代表的參數(shù)化造型理論和以SDRC公司的I一DEAS為代表的變量化造型理論。參數(shù)化建模是指在參數(shù)化造型過程中記錄建模過程和其中的變量(也就是捕捉設(shè)計(jì)意圖)以及用戶執(zhí)行的CAD/CAM/CAE功能操作。其本質(zhì)就是設(shè)計(jì)過程的記錄和回放。同時(shí)，它利用一系列定義好的參數(shù)對(duì)模型進(jìn)行順序計(jì)算。其缺點(diǎn)是用戶必須提供幾何元素的全部尺寸、位置信息，即只有完全定義前一元素，然后才能定義下一個(gè)元素。特征是一種實(shí)體概念，它不僅包括定義約束和幾何拓?fù)湫畔?，還包括包含規(guī)則和屬性的幾何行為信息。特征造型完成的功能如果用幾何原型布爾運(yùn)算來(lái)實(shí)現(xiàn)可能要復(fù)雜得多。如果將零件加厚，而這個(gè)圓柱又不夠長(zhǎng)的話，這個(gè)通孔就變成盲孔了。此外，特征還可以攜帶供其它有用的屬性信息(如密度、硬度、熱傳導(dǎo)系數(shù)等)。PRO/ENGIEER是一個(gè)適用于產(chǎn)品、模具等產(chǎn)品設(shè)計(jì)并具有基于單一數(shù)據(jù)庫(kù)、參數(shù)化設(shè)計(jì)、行為建模能力、特征造型、全相關(guān)性等特性的CAD/CAEICAM軟件系統(tǒng)。所謂單一數(shù)據(jù)庫(kù)，就是工程中的資料全部來(lái)自一個(gè)庫(kù)，使得每一個(gè)獨(dú)立用戶在為一件產(chǎn)品造型而工作，不管他是哪一個(gè)部門的。行為建模能力：行為建模技術(shù)是從PRO/ENGIEER2000i開始推廣的新技術(shù)。它通過把導(dǎo)出值(比如容積)包含到參數(shù)特征中，再反過來(lái)使用它們生成和控制其它模型的幾何圖形。它既可以和PRO/ENGIEER在一起使用，又可以獨(dú)立的使用，它的主要功能是有限元分析、靜力學(xué)分析、動(dòng)力學(xué)分析、震動(dòng)分析、熱力分析，最新的功能還可以進(jìn)行疲勞分析、疲勞預(yù)側(cè)等。這樣的約束主要有以下幾種:水平、豎直、平行、垂直、共線、同心、相切(包括圓與圓、圓與圓弧、圓弧與圓弧、直線與圓、直線與圓弧的相切)、對(duì)稱、等長(zhǎng)(等徑)、角度、距離等等。而如何縮短更改周期就成了需要研究的問題。使用這種功能，設(shè)計(jì)者可以定義特征建立的方式，利用這種定義方式，你可以靈活的構(gòu)建特征，并且在特征發(fā)生更改時(shí)仍然保持你的設(shè)計(jì)意圖，從而把設(shè)計(jì)人員從煩瑣的設(shè)計(jì)更改中解放出來(lái)。通過對(duì)國(guó)內(nèi)外的幾十家公司的單斗反鏟液壓挖掘機(jī)工作裝置的調(diào)查，發(fā)現(xiàn)其外形結(jié)構(gòu)都是基本一致的，其中動(dòng)臂主要分為單動(dòng)臂油缸支撐和雙動(dòng)臂油缸支撐兩種，單動(dòng)臂油缸的結(jié)構(gòu)主要用在小型挖掘機(jī)上，大中噸位的挖掘機(jī)都采用雙動(dòng)臂油缸支撐支撐。2． 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是斗桿油缸耳支座板和鏟斗油缸耳支座板連成一體，使用該結(jié)構(gòu)的挖掘機(jī)廠商主要有久保田，石川島，南特，普什重機(jī)等。正因?yàn)楣ぷ餮b置結(jié)構(gòu)上的相似性，為工作裝置的參數(shù)化設(shè)計(jì)提供了可能。 建模過程 對(duì)液壓挖掘機(jī)反鏟工作裝置的零件進(jìn)行三維實(shí)體造型幾乎要用到Pro/E 中常用的操作方法,如拉伸、旋轉(zhuǎn)、切割、倒角以及圓角等常用命令。其他主要零部件還包括斗桿、鏟斗等。國(guó)內(nèi)外對(duì)于參數(shù)化設(shè)計(jì)的研究已較為成熟，參數(shù)化設(shè)計(jì)方法也有很多，比如基于繪圖過程的參數(shù)化設(shè)計(jì)、基于裝配的參數(shù)化設(shè)計(jì)、基于特征的圖素拼合參數(shù)化設(shè)計(jì)、基于變型設(shè)計(jì)的參數(shù)化等等。族表（Family Table）可以復(fù)出許多相似的零件，以編輯表格的方式產(chǎn)生一系列的零件。把零件生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化，既省時(shí)又省力，從零件文件中生成各種零件，無(wú)需重新構(gòu)造，可以對(duì)零件產(chǎn)生細(xì)小的變化而無(wú)需用關(guān)系改變模型。圖35 單擊“工具”命令，系統(tǒng)打開“族表DONG BI”對(duì)話框如圖36所示。圖37單擊“族表DONG BI”對(duì)話框“在所選行處插入新的實(shí)例”命令，添加后如圖38所示。 a） b） 圖39然后單擊“ 預(yù)覽” 命令，系統(tǒng)打開“ 預(yù)覽”對(duì)話框，顯示該實(shí)例的預(yù)覽結(jié)果，如圖310所示。除了可以在“ 族表DONG BI”對(duì)話框中編輯新的實(shí)例外，還可以在Excel表格中直接添加新的實(shí)例，單擊“ 族表DONG BI”對(duì)話框中的“用Excel編輯當(dāng)前表”命令，系統(tǒng)打開Excel，如圖311所示。從零件文件中生成各種零件，無(wú)需重新構(gòu)造，可以對(duì)零件產(chǎn)生細(xì)小的變化而無(wú)需用關(guān)系改變模型。多組件裝配模式是將部件的所有數(shù)據(jù)復(fù)制到裝配體中，裝配體中的部件與所引用的部件不具有關(guān)聯(lián)性。同時(shí)由于裝配要引用所有部件，需要占用較大的內(nèi)存空間，因而影響裝配速度。因此本文采用虛擬裝配方式。裝配好后的整機(jī)模型如圖312所示。ADAMS軟件由基本模塊、擴(kuò)展模塊、接口模塊、專業(yè)領(lǐng)域模塊及工具箱5類模塊組成。同時(shí)其開放性的程序結(jié)構(gòu)和多種接口，可以成為特殊行業(yè)用戶進(jìn)行特殊類型虛擬樣機(jī)分析的二次開發(fā)工具平臺(tái)。 仿真模型的導(dǎo)入在ADAMS中模型的建立通常有兩種方法：一種是使用ADAMS/View中的零件庫(kù)創(chuàng)建模型；另一種方法是使用ADAMS/Exchange模塊從其他CAD軟件導(dǎo)入模型。從 Pro/E 到ADAMS 的圖形文件傳遞可以通過兩種方法進(jìn)行：一種是將Pro/E 創(chuàng)建的模型存儲(chǔ)為中性文件格式，然后通過ADAMS 的圖形數(shù)據(jù)傳遞接口ADAMS/Exchange 實(shí)現(xiàn)導(dǎo)人；另一種是使用Pro/E 和ADAMS 的專用接口MECHANISM/Pro，將Pro/E 創(chuàng)建的模型存儲(chǔ)為ADAMS 的*．cmd 或*．a(chǎn)dm 格式，完成模型傳遞。從圖可以看出：數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換文件只是一個(gè)“ 形式”，重要的是系統(tǒng)提供的處理器，如果兩個(gè)系統(tǒng)的處理器相互間不能完全識(shí)別所產(chǎn)生的文件，那么數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換就會(huì)出現(xiàn)問題。圖41 PRO/E 傳遞數(shù)據(jù)到ADAMS(2) Pro/E 與ADAMS 之間的專用接口Mechanism/ProMechanism/Pro 是連接Pro/E 與ADAMS 之間的橋梁，二者采用無(wú)縫連接的方式，所以Pro/E 用戶可以在其熟悉的CAD 環(huán)境中建立三維機(jī)械系統(tǒng)模型，在Pro/E 環(huán)境下定義剛體和施加約束，并對(duì)運(yùn)動(dòng)性能進(jìn)行仿真分析。為了保證模型傳遞傳遞到 ADAMS 后單位保持一致，在PRO/E 里要把單位設(shè)置成mmKs。然后，在ADAMS/View中導(dǎo)入該文件，Parasolid格式模型，可以進(jìn)行布爾計(jì)算，可以直接結(jié)算構(gòu)件的質(zhì)量信息，可以捕捉到模型的幾何特征，如圓心、頂點(diǎn)等信息，這些對(duì)于后面的建立運(yùn)動(dòng)副、柔性連接等都很方便。圖42 導(dǎo)入的模型 虛擬樣機(jī)的建立1．布爾運(yùn)算為減少仿真的運(yùn)算工作量(即減少固定副的數(shù)目)，可以對(duì)輸入的模型進(jìn)行布爾運(yùn)算，將固連在一起的零件合并為一個(gè)構(gòu)件。為了更明顯地區(qū)分不同零件，我們可以修改零件的顏色。4．添加約束ADAMS/View提供了3中類型的約束；運(yùn)動(dòng)副約束、基本約束和運(yùn)動(dòng)約束。簡(jiǎn)單運(yùn)動(dòng)副用來(lái)表示具有相互作用的物理運(yùn)動(dòng)副，它所聯(lián)接的兩個(gè)零件可以是剛體、柔性體或質(zhì)點(diǎn)。液壓缸的運(yùn)動(dòng)約束是沿液壓缸軸線方向的直線運(yùn)動(dòng)。(3)運(yùn)動(dòng)約束運(yùn)動(dòng)約束定義零件運(yùn)動(dòng)隨時(shí)間變化的函數(shù)。但只能對(duì)移動(dòng)副、轉(zhuǎn)動(dòng)副或圓柱副添加運(yùn)動(dòng)副運(yùn)動(dòng)。點(diǎn)運(yùn)動(dòng)：定義兩個(gè)零件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。點(diǎn)運(yùn)動(dòng)也可以添加到運(yùn)動(dòng)副上。運(yùn)動(dòng)副運(yùn)動(dòng)和點(diǎn)運(yùn)動(dòng)定義的運(yùn)動(dòng)可以是恒速運(yùn)動(dòng)，也可以通過函數(shù)生成器定義關(guān)于時(shí)間的函數(shù)，從而定義復(fù)雜運(yùn)動(dòng)。在施加力時(shí)，需要指明力作用的零件和作用點(diǎn)，以及力的大小和方向。這樣，挖掘機(jī)機(jī)械系統(tǒng)的虛擬樣機(jī)模型基本建立，如圖43所示。在Tools菜單中選擇Model Verify命令顯示信息窗可以得到模型的重要信息，包括移動(dòng)的零件和運(yùn)動(dòng)副的數(shù)量，同時(shí)也列出模型的自由度數(shù)，并說明模型是否合理。例如檢查建好的挖掘機(jī)樣機(jī)模型，ADAMS顯示的檢測(cè)結(jié)果如圖44