機(jī)械設(shè)計(jì)畢業(yè)論文基于adams的凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與三維建模仿真

1、<p><b>　　本科畢業(yè)論文</b></p><p><b>　?。?0 屆）</b></p><p>　　基于ADAMS的凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與三維建模仿真</p><p>　　所在學(xué)院 </p><p>　　專業(yè)班級(jí) 機(jī)械設(shè)計(jì)

2、制造及自動(dòng)化 </p><p>　　學(xué)生姓名 學(xué)號(hào) </p><p>　　指導(dǎo)教師 職稱 </p><p>　　完成日期 年 月 </p><p><b>　　摘要</b><

3、;/p><p>　　考慮到凸輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜性，使用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法很難根據(jù)從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律精確地描述出凸輪復(fù)雜的外形輪廓曲線。目前常用的方法是在其它三維軟件中造型，然后傳入ADAMS中進(jìn)行仿真分析。這種方法在某種程度是上可取的，但對(duì)于輪廓曲線比較復(fù)雜的凸輪機(jī)構(gòu)來說，顯然存在這樣一個(gè)弊端，就是在數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中很有可能出現(xiàn)信息失真的現(xiàn)象。因此，本文基于ADAMS軟件完成了凸輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)到仿真整個(gè)全過程。本文以ADAMS/

4、View為平臺(tái)建立了凸輪機(jī)構(gòu)動(dòng)力分析仿真模型，對(duì)凸輪機(jī)構(gòu)模的型建模與仿真作了詳細(xì)的介紹。利用ADAMS軟件還能在計(jì)算機(jī)仿真分析復(fù)雜的機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)性能，可以使學(xué)生了解現(xiàn)代計(jì)算機(jī)輔助機(jī)械設(shè)計(jì)的高效、直觀、快捷的特點(diǎn)。從而提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。</p><p>　　關(guān)鍵詞：凸輪；虛擬樣機(jī)；仿真；ADAMS </p><p><b>　　Abstract</b>

5、</p><p>　　Considering the complexity of cam motion, it’s difficult to accurately describe the complex contour curve of the cam based on motion law if we use traditional design methods. The currently used met

6、hod is to model in other three-dimensional software and then pass ADAMS for simulation analysis. To some extent this approach is desirable, but for the cam mechanism with more complex contour, there is a clear flaw that

7、information distortion occurs possibly in the process of data transfer. Therefore, </p><p>　　【Keywords】: cam; virtual prototype; simulation; ADAMS</p><p><b>　　目錄</b></p><p

8、><b>　　第1章　緒論1</b></p><p>　　1.1 傳統(tǒng)的盤型凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方法1</p><p>　　1.1.1凸輪機(jī)構(gòu)工作時(shí)的運(yùn)動(dòng)情況及基本術(shù)語1</p><p>　　1.1.2基本運(yùn)動(dòng)規(guī)律2</p><p>　　1.1.3 移動(dòng)從動(dòng)件盤型凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)——作圖法4</p>&

9、lt;p>　　1.1.4設(shè)計(jì)凸輪機(jī)構(gòu)基本尺寸的確定6</p><p>　　1.2 國內(nèi)外仿真軟件及相關(guān)技術(shù)的發(fā)展8</p><p>　　1.2.1 PAMCRASCH軟件8</p><p>　　1.2.2 DADS軟件8</p><p>　　1.2.3 MATLAB軟件9</p><p>　　1.

10、2.4 EASY5軟件9</p><p>　　1.2.5 ADAMS軟件10</p><p>　　1.3 選題的依據(jù)和意義11</p><p>　　1.4 課題研究的內(nèi)容12</p><p>　　第2章 機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)13</p><p>　　2.1 機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)概述13</p&g

11、t;<p>　　2.2 機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)的相關(guān)技術(shù)14</p><p>　　2.3 ADAMS軟件的動(dòng)態(tài)仿真分析理論基礎(chǔ)15</p><p>　　2.3.1 自由度15</p><p>　　2.3.2 坐標(biāo)系16</p><p>　　2.3.3 速度、加速度和角加速度17</p><p>　

12、　2.3.4 剛體運(yùn)動(dòng)方程17</p><p>　　2.3.5 系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程的建立18</p><p>　　2.3.6 ADAMS計(jì)算流程21</p><p>　　2.4 ADAMS軟件動(dòng)態(tài)仿真分析基本步驟22</p><p>　　第3章 凸輪機(jī)構(gòu)ADAMS建模分析25</p><p>　　3.1 凸輪參數(shù)

13、設(shè)計(jì)25</p><p>　　3.2 凸輪實(shí)體建模25</p><p>　　3.2.1 設(shè)置工作環(huán)境25</p><p>　　3.2.2 用升程表創(chuàng)建凸輪輪廓曲線26</p><p>　　3.2.3 創(chuàng)建凸輪實(shí)體29</p><p>　　3.2.4 創(chuàng)建尖頂從動(dòng)件33</p><p>

14、;　　3.2.5 創(chuàng)建移動(dòng)副、旋轉(zhuǎn)副和驅(qū)動(dòng)35</p><p>　　3.3 測(cè)試凸輪模型37</p><p><b>　　總結(jié)41</b></p><p><b>　　致謝42</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)43</b></p><p

15、><b>　　第1章　緒論</b></p><p>　　隨著世界經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展,全球性的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日益激烈。產(chǎn)品消費(fèi)結(jié)構(gòu)不斷向多元化、個(gè)性化方向發(fā)展。傳統(tǒng)的樣機(jī)的單機(jī)手工制造增加了成本,嚴(yán)重地制約了產(chǎn)品質(zhì)量提高、成本降低和對(duì)市場(chǎng)的占有。無法從根本上解決和從總體上把握產(chǎn)品設(shè)計(jì)的時(shí)間、質(zhì)量、成本等問題。要對(duì)快速多變的市場(chǎng)需求做出敏捷響應(yīng),就必須尋求先進(jìn)的設(shè)計(jì)方法和手段,虛擬樣機(jī)技術(shù)

16、就是在這種迫切需要驅(qū)動(dòng)下產(chǎn)生的。</p><p>　　本文介紹了了ADAMS軟件及相關(guān)軟件的基本功能，概述了機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)及其相關(guān)技術(shù)的介紹并利用ADAMS/View對(duì)凸輪和內(nèi)燃機(jī)樣機(jī)進(jìn)行了模擬仿真。</p><p>　　ADAMS(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems)，即機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析軟件包)是世界上應(yīng)用最為廣泛的機(jī)

17、械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析軟件。本文以ADAMS/View為平臺(tái)建立了凸輪機(jī)構(gòu)與內(nèi)燃機(jī)樣機(jī)的動(dòng)力分析仿真模型，對(duì)凸輪機(jī)構(gòu)模的型建模與仿真作了詳細(xì)的介紹。</p><p>　　運(yùn)用ADAMS軟件可以方便的對(duì)虛擬機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真，在機(jī)械教學(xué)中利用ADAMS的三維建模技術(shù)可將機(jī)械原理中一些常用的機(jī)構(gòu)如凸輪機(jī)構(gòu)、齒輪機(jī)構(gòu)、連桿機(jī)構(gòu)的組成、運(yùn)動(dòng)、和應(yīng)用等情況一一展現(xiàn)出來，等于把現(xiàn)場(chǎng)搬入了課堂，給學(xué)生一個(gè)全面清楚

18、認(rèn)識(shí)，彌補(bǔ)了學(xué)生實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)不足所帶來的問題。利用ADAMS軟件還能在計(jì)算機(jī)仿真分析復(fù)雜的機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)性能，可以使學(xué)生了解現(xiàn)代計(jì)算機(jī)輔助機(jī)械設(shè)計(jì)的高效、直觀、快捷的特點(diǎn)。從而提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。</p><p>　　1.1 傳統(tǒng)的盤型凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方法</p><p>　　1.1.1凸輪機(jī)構(gòu)工作時(shí)的運(yùn)動(dòng)情況及基本術(shù)語</p><p>　　圖1-1凸輪機(jī)構(gòu)

19、的基本術(shù)語</p><p>　　回程 —從動(dòng)件從距離凸輪回轉(zhuǎn)中心最遠(yuǎn)位置到起始位置，從動(dòng)件移向凸輪軸線的行程，稱為回程。對(duì)應(yīng)凸輪轉(zhuǎn)角δh稱為回程運(yùn)動(dòng)角。</p><p>　　推程運(yùn)動(dòng)角δt ——從動(dòng)件推程過程，對(duì)應(yīng)凸輪轉(zhuǎn)角稱為推程運(yùn)動(dòng)角</p><p>　　遠(yuǎn)休止角δs——推桿在最高位置靜止不動(dòng)，凸輪相應(yīng)的轉(zhuǎn)角</p><p>　　近休止角δ

20、s ' — 推桿在最低位置靜止不動(dòng)，凸輪相應(yīng)的轉(zhuǎn)角</p><p>　　推程——從動(dòng)件從距離凸輪回轉(zhuǎn)中心最近位置到距離凸輪回轉(zhuǎn)中心最遠(yuǎn)位置的過程，稱為推程。相應(yīng)移動(dòng)的距離h稱為行程</p><p>　　凸輪的基圓——以凸輪的最小向徑r0所作的圓稱為基圓。</p><p>　　1.1.2基本運(yùn)動(dòng)規(guī)律</p><p>　　圖1-2等速運(yùn)

21、動(dòng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律</p><p><b>　?。ㄒ唬┑人龠\(yùn)動(dòng)規(guī)律</b></p><p><b>　　如圖1-2</b></p><p><b>　　a=0</b></p><p><b>　　常數(shù)</b></p><p>　　凸輪開始

22、或停止轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)：</p><p>　　如圖1-3，從動(dòng)件在運(yùn)動(dòng)起始和終止兩瞬時(shí)的加速度在理論上由零值突變?yōu)闊o窮大，慣性力也為無窮大。由此的沖擊稱為剛性沖擊。適用于低速場(chǎng)合。</p><p><b>　　圖1-3剛性沖擊</b></p><p>　?。ǘ┑燃铀俚葴p速運(yùn)動(dòng)規(guī)律</p><p>　　圖1-4等加速等減速運(yùn)動(dòng)

23、規(guī)律</p><p><b>　　如圖1-4。</b></p><p><b>　　常數(shù)</b></p><p>　　在運(yùn)動(dòng)規(guī)律推程的始末點(diǎn)和前后半程的交接處，加速度變化為有限值，由此引起的沖擊稱為柔性沖擊等加速等減速運(yùn)動(dòng)規(guī)律從動(dòng)件位移曲線繪制方法</p><p><b>　　因?yàn)椋?&l

24、t;/b></p><p>　　當(dāng)t=1,2,3時(shí)，則</p><p><b>　　若已知h，</b></p><p>　?。ㄈ?余弦加速度(簡(jiǎn)諧)運(yùn)動(dòng)規(guī)律 </p><p><b>　　如圖1-5</b></p><p>　　a = p2hw2cos(pd/d0 )

25、/(2d20 )</p><p><b>　　特點(diǎn)：存在柔沖擊。</b></p><p>　　位置：發(fā)生在運(yùn)動(dòng)的起始點(diǎn)和終止點(diǎn)。</p><p>　?。ㄋ模?正弦加速度（擺線）運(yùn)動(dòng)規(guī)律 </p><p><b>　　如圖1-6。</b></p><p>　　a = 2phw2

26、sin(2pd/d0 )/d20)</p><p>　　特點(diǎn)：既無柔性更無剛性沖擊。</p><p>　　圖1-5 余弦加速度(簡(jiǎn)諧)運(yùn)動(dòng)規(guī)律圖1-6正弦加速度（擺線）運(yùn)動(dòng)規(guī)律</p><p>　　表1-1各種運(yùn)動(dòng)的參數(shù)</p><p>　　1.1.3 移動(dòng)從動(dòng)件盤型凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)——作圖法</p><p>　　（

27、一）尖頂移動(dòng)從動(dòng)件盤型凸輪機(jī)構(gòu)</p><p>　?。?）按已設(shè)計(jì)好的運(yùn)動(dòng)規(guī)律作出位移線圖；</p><p>　?。?）按基本 尺寸作出凸輪機(jī)構(gòu)的初始位置；</p><p>　　（3）按- 方向劃分基圓周得 c0、c1、c2…… 等 點(diǎn)；并過這 些點(diǎn)作射線，即為反轉(zhuǎn)后的導(dǎo)路線；</p><p>　?。?）在各反轉(zhuǎn)導(dǎo)路線上量取與位移 圖相應(yīng)的位

28、移，得B1、B2、…… 等點(diǎn)，即為凸輪輪廓上的點(diǎn)。</p><p>　　圖1-7凸輪運(yùn)動(dòng)規(guī)律</p><p><b>　　圖1-8 凸輪輪廓</b></p><p>　　滾子從動(dòng)件盤型凸輪機(jī)構(gòu)輪廓曲線的設(shè)計(jì)步驟：</p><p>　　圖1-9 凸輪實(shí)際輪廓</p><p>　?。?）畫出滾子中心的

29、軌跡（稱為理論輪廓）</p><p>　　2）以理論輪廓為圓心，滾子半徑rS為半徑畫圓，再畫滾子圓族的包絡(luò)線，則為從動(dòng)件凸輪的工作輪廓曲線（稱為實(shí)際輪廓曲線）。</p><p><b>　　注意：</b></p><p>　　1）理論輪廓與實(shí)際輪廓互為等距曲線；</p><p>　?。?）凸輪的基圓半徑是指理論輪廓曲線的

30、最小向徑。</p><p>　　擺動(dòng)(oscillating)從動(dòng)件盤形凸輪輪廓設(shè)計(jì)</p><p>　　一）擺動(dòng)從動(dòng)件凸輪機(jī)構(gòu)特點(diǎn)：1.從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)為繞某一固定點(diǎn)的擺動(dòng)。2. 從動(dòng)件的位移為角位移ψ，而不是直線位移</p><p>　　圖1-10凸輪輪廓對(duì)應(yīng)的角</p><p>　　二）尖頂擺動(dòng)從動(dòng)件盤形凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)</p>

31、<p>　　圖1-12角位移線圖圖1-13凸輪輪廓</p><p>　　三）滾子從動(dòng)件盤型凸輪機(jī)構(gòu)輪廓曲線的設(shè)計(jì)步驟：</p><p>　?。?）作出角位移線圖</p><p><b>　　（2）作初始位置；</b></p><p>　　（3）按- 方向劃分圓R得A0、 A1、A2等點(diǎn)；即

32、得機(jī)架反轉(zhuǎn)的一系列位置；</p><p>　?。?）找從動(dòng)件反轉(zhuǎn)后的一系列位置AiBi，再按角位移規(guī)律得 C1、C2、…… 等點(diǎn)，</p><p>　　即為凸輪輪廓上的點(diǎn)。</p><p>　　表1-2對(duì)于擺動(dòng)從動(dòng)件</p><p>　　1.1.4設(shè)計(jì)凸輪機(jī)構(gòu)基本尺寸的確定</p><p>　?。?）壓力角與凸輪

33、基圓半徑</p><p>　　1.壓力角——法向力Fn與從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)方向之間所夾的銳角</p><p>　　↑則FY↓ FX↑，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)使 max≤ []</p><p><b>　　許用壓力角的推薦值</b></p><p>　　工作行對(duì)于移動(dòng)從動(dòng)件， []=30º~38º</p>&l

34、t;p>　　工作行對(duì)于擺動(dòng)從動(dòng)件， []=40º~45º</p><p>　　非工作行程：可在70º~80º之間選取</p><p><b>　　2.基圓半徑的確定</b></p><p>　　若結(jié)構(gòu)尺寸無嚴(yán)格限制,為減少壓力角，可適當(dāng)取較大的基圓半徑</p><p>　　r

35、0≥1.8r+(4~10)mm</p><p>　　（2）滾子半徑的確定</p><p>　　圖1-14半徑的確定</p><p><b>　　為避免運(yùn)動(dòng)失真</b></p><p>　　Smin =min-rS3mm</p><p>　　建議：rS0.8min，或rS 0.4r0</p&

36、gt;<p>　　圖1-17滾子半徑對(duì)凸輪輪廓形狀的影響</p><p>　　1.2 國內(nèi)外仿真軟件及相關(guān)技術(shù)的發(fā)展 </p><p>　　怎樣才能在進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)之前就能保證所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品滿足指標(biāo)?采取什么樣的設(shè)計(jì)參數(shù)才能保證系統(tǒng)的最佳性能?所設(shè)計(jì)擁有眾多零部件的產(chǎn)品能否保證在真實(shí)載荷如重力，摩擦作用下能夠按照你所預(yù)想的方式運(yùn)動(dòng)?現(xiàn)今的CAD軟件包通?；乇芤陨系膯栴}。CAD軟

37、件在作為”運(yùn)動(dòng)學(xué)”仿真工具時(shí)，通常僅僅預(yù)測(cè)運(yùn)動(dòng)的范圍和是否發(fā)生了運(yùn)動(dòng)干涉。面臨激烈</p><p>　　的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，工程技術(shù)人員不再滿足于簡(jiǎn)單的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析功能，而是一個(gè)能夠幫助他們滿懷信心地將產(chǎn)品推向市場(chǎng)的軟件。對(duì)于開發(fā)高性能的機(jī)械產(chǎn)品而言，在制作和測(cè)試昂貴的物理樣機(jī)之前就能夠模擬仿真得到準(zhǔn)確的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)結(jié)果顯得至關(guān)重要。</p><p>　　目前，國內(nèi)外工程仿真軟件層出不窮，但各仿真軟件

38、都有其各自的應(yīng)用范圍。</p><p>　　1.2.1 PAMCRASCH軟件</p><p>　　PAMCRASCH軟件是法國ESI公司的碰撞模擬有限元仿真分析的程序包。它提供了強(qiáng)大的有限元前后處理程序和算法優(yōu)良的解題器，目前以被各大汽車制造廠商廣泛采用作為碰撞模擬有限元仿真的專用平臺(tái)。</p><p>　　PAMCRASCH軟件提供了運(yùn)動(dòng)鉸單元(Kinemat

39、ic Joint Elements)，非線性六自由度彈性/阻尼單元(Nonlinear 6DOF Spring /Dashpot Elements),焊點(diǎn)約束(Spotwelds)等多種實(shí)體(Entities)用于模擬機(jī)構(gòu)各種復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)關(guān)系。例如，運(yùn)動(dòng)鉸單元就有球鉸(Spherical )，滑移鉸(Tanslational )，轉(zhuǎn)動(dòng)鉸(Revolute )、園柱鉸(Cylinder)、平面副(Planar)、萬向節(jié)(Universal)

40、，彎曲一扭轉(zhuǎn)鉸(Flexion-Torsion)以及用戶自定義鉸(General)八種類型。并且各種類型的運(yùn)動(dòng)鉸自其未受約束的自由度上可以自定義剛度、阻尼、摩擦系數(shù)等多種參數(shù)。PAMCRASCH軟件有強(qiáng)大的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)模擬功能模擬碰撞時(shí)如發(fā)動(dòng)機(jī)及變速器、懸架及轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)及變形。它比有限元分析軟件相比，在模擬大變形、大位移時(shí)有其優(yōu)越性。</p><p>　　1.2.2 DADS軟件</p><

41、p>　　DADS軟件是模擬機(jī)械系統(tǒng)的真實(shí)行為專業(yè)軟件。DADS允許你在計(jì)算機(jī)上建立，分析，優(yōu)化機(jī)械系統(tǒng)的真實(shí)的物理行為。通過建立系統(tǒng)的虛擬樣機(jī)，你可以在進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)之前驗(yàn)證系統(tǒng)運(yùn)行是否正常和可靠。</p><p><b>　　其基本功能如下：</b></p><p>　　1、根據(jù)系統(tǒng)多體造型自動(dòng)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)方程并求解。</p><p&g

42、t;　　2、計(jì)算載荷，位置，速度和加速度。</p><p>　　3、裝配、運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)、逆動(dòng)力學(xué)、靜力和預(yù)加載分析。</p><p>　　4、采用先進(jìn)的顯式或隱式求解器求解微分代數(shù)方程。</p><p>　　5、分析和求解復(fù)雜系統(tǒng)行為，如接觸、摩擦、柔性部件。</p><p>　　6、基于位置和方位仿真結(jié)果的照片真實(shí)感動(dòng)畫。</p&g

43、t;<p>　　7、可視化高亮顯示進(jìn)入干涉的部件。</p><p>　　8、矢量顯示力，速度，加速度，矢量長度表示其值的大小。</p><p>　　9、仿真結(jié)果與測(cè)試數(shù)據(jù)在時(shí)域和頻域內(nèi)進(jìn)行相關(guān)分析。</p><p>　　10、通過與其它仿真工具如控制，有限元，疲勞等相連接，完成更復(fù)雜的設(shè)計(jì)。</p><p>　　1.2.3 M

44、ATLAB軟件</p><p>　　MAT LAB由美國MATHWORKS開發(fā)，2000年10月底推出了其全新的MATLAB 6.0正式版((Release 12). MATLAB是當(dāng)今國際上科學(xué)界(尤其是自動(dòng)控制領(lǐng)域)最具影響力、也是最有活力的軟件。它起源于矩陣運(yùn)算，并己經(jīng)發(fā)展成一種高度集成的計(jì)算機(jī)語言。它提供了強(qiáng)大的科學(xué)運(yùn)算、靈活的程序設(shè)計(jì)流程、高質(zhì)量的圖形可視化與界面設(shè)計(jì)、便捷的與其他程序和語言接口的功能。

45、MATLAB語言在各國高校與研究單位起著重大的作用。在歐美大學(xué)里，諸如應(yīng)用代數(shù)、數(shù)理統(tǒng)計(jì)、自動(dòng)控制、數(shù)字信號(hào)處理、模擬與數(shù)字通信、時(shí)間序列分析、動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真等課程的教科書都把MATLAB作為內(nèi)容。在那里，MATLAB是攻讀學(xué)位的大學(xué)生、碩士生、博士生必須掌握的基本工具。</p><p>　　MATLAB SIMU LINK是一個(gè)交互式操作的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真、分析集成環(huán)境。它的出現(xiàn)使人們有可能考慮許多以前不得不做

46、簡(jiǎn)化假設(shè)的非線性因素、隨機(jī)因素，從而大大提高了人們對(duì)非線性隨機(jī)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的認(rèn)知能力。</p><p>　　MATLAB主要應(yīng)用于電學(xué)、自動(dòng)控制、工程運(yùn)算。它可以與其它機(jī)械系統(tǒng)仿真軟件(如DADS, ADAMS等)一起組成聯(lián)合仿真系統(tǒng)。</p><p>　　1.2.4 EASY5軟件</p><p>　　EASY5是一個(gè)以圖形為基礎(chǔ)的軟件工具，用于模擬和設(shè)計(jì)具有微分和

47、代數(shù)方程特征的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)。波音公司在七十年代初期首先發(fā)展了這種軟件，但只作為一個(gè)內(nèi)部軟件。八十年代商品化以來，EASY5首先滲透到航空市場(chǎng)，現(xiàn)在已應(yīng)用于汽車和其它多個(gè)工業(yè)領(lǐng)域。EASY5是波音公司的一個(gè)產(chǎn)品。</p><p>　　EASY5的用戶包括汽車、航空、國防及重機(jī)械領(lǐng)域的許多主要的公司。在航空領(lǐng)域，主要的用戶包括波音、英國航空、勞斯萊斯、(美國)通用電氣公司、(美國)國家航空和宇宙航行局、SAAB, NAS

48、A等等。在汽車領(lǐng)域，主要的用戶包括福特、Nissan, General Motors，等。在一般機(jī)械領(lǐng)域，主要的用戶包括John Deere, Husco, Case, UNISIA-JECS，三星重工、Mitsubishi</p><p>　　Heavy Industry等。</p><p>　　EASY5現(xiàn)已成為MDI公司的一部分。MSC軟件公司收購MDI和EASY5將會(huì)導(dǎo)致一個(gè)強(qiáng)有力

49、的CAD和CAE工具組合：NASTRANlPATRAN、ADAMS和EASY5。ADAMS和Dynamic Designer模擬系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)、振動(dòng)、耐久力和機(jī)械系統(tǒng)的控制。M DI的產(chǎn)品利用CAD模型作為輸入，輸出隨時(shí)間變化的系統(tǒng)載荷和邊界條件，適用于多種軟件產(chǎn)品作進(jìn)一步的結(jié)構(gòu)性能分析。EASY模擬系統(tǒng)控制、水利學(xué)、氣體力學(xué)、機(jī)械和熱的集合系統(tǒng)等。系統(tǒng)能夠被功能塊快速的模擬，構(gòu)件如泵、齒輪等能夠被快速的預(yù)定義。ADAMS對(duì)3D系統(tǒng)的表示和E

50、ASY5對(duì)塊圖表的表示結(jié)合起來的建模能力，加上結(jié)合起來的各軟件能模擬的子系統(tǒng)的類型，意味著系統(tǒng)仿真能力的重大突破。用戶能夠使用一套協(xié)同工作的工具，而不是三種或四種，來建立包括機(jī)械、控制、水利學(xué)和其它類型子系統(tǒng)的完整的虛擬樣機(jī)，進(jìn)行包括結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析、機(jī)械運(yùn)動(dòng)仿真和機(jī)械控制的設(shè)計(jì)和分析。</p><p>　　1.2.5 ADAMS軟件</p><p>　　ADAMS (Automatic

51、Dynamic Analysis of Mechanical System)軟件，是由美國機(jī)械動(dòng)力公司(Mechanical Dynamics Inc.)開發(fā)的最優(yōu)秀的機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真軟件，是世界上最具權(quán)威性的，使用范圍最廣的機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析軟件。用戶使用ADAMS軟件，可以自動(dòng)生成包括機(jī)一電一液一體化在內(nèi)的、任意復(fù)雜系統(tǒng)的多體動(dòng)力學(xué)數(shù)字化虛擬樣機(jī)模型，能為用戶提供從產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)、方案論證、詳細(xì)設(shè)一汁、到產(chǎn)品方案修改、優(yōu)化、試驗(yàn)規(guī)劃甚

52、至故障診斷各階段、全方位、高精度的仿真計(jì)算分析結(jié)果，從而達(dá)到縮短產(chǎn)品開發(fā)周期、降低開發(fā)成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量及競(jìng)爭(zhēng)力的目的。由于ADAMS具有通用、精確的仿真功能，方便、友好的用戶界面和強(qiáng)大的圖形動(dòng)畫顯示能力，所以該軟件已在全世界數(shù)以千計(jì)的著名大公司中得到成功的應(yīng)用。國外的一些著名大學(xué)也己開設(shè)了介紹ADAMS軟件的課程，而將三維CAD軟件、有限元軟件和虛擬樣機(jī)軟件作為機(jī)械專業(yè)學(xué)生必須了解的工具軟件。根據(jù)1999年機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真分析軟件國際

53、市場(chǎng)份額的統(tǒng)計(jì)資料，ADAMS軟件占據(jù)了銷售總額近8千萬美元的51%份額。</p><p>　　ADAMS一方面是機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真軟件的應(yīng)用軟件，用戶可以運(yùn)用該軟件非常方便地對(duì)虛擬樣機(jī)進(jìn)行靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析。另一方面，又是機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真分析開發(fā)工具，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)行特殊類型機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真分析的二次開發(fā)工具平臺(tái)。在產(chǎn)品開發(fā)過程中，工程師通過應(yīng)用ADAMS軟件會(huì)收到明

54、顯效果：</p><p>　　1、分析時(shí)間由數(shù)月減少為數(shù)日</p><p>　　2、降低工程制造和測(cè)試費(fèi)用</p><p>　　3、在產(chǎn)品制造出之前，就可以發(fā)現(xiàn)并更正設(shè)計(jì)錯(cuò)誤，完善設(shè)計(jì)方案</p><p>　　4、在產(chǎn)品開發(fā)過程中，減少所需的物理樣機(jī)數(shù)量</p><p>　　5、當(dāng)進(jìn)行物理樣機(jī)測(cè)試有危險(xiǎn)、費(fèi)時(shí)和成本高時(shí)

55、，可利用虛擬樣機(jī)進(jìn)行分析和仿真。</p><p>　　6、縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期。</p><p>　　使用ADAMS建立虛擬樣機(jī)非常容易。通過交互的圖形界面和豐富的仿真單元庫，用戶快速地建立系統(tǒng)的模型。ADAMS與先進(jìn)的CAD軟件(UG, PRO/E)以及CAE軟件(ANSYS)可以通過計(jì)算機(jī)圖形交換格式文件相互交換以保持?jǐn)?shù)據(jù)的一致性。ADAMS軟件支持并行工程環(huán)境，節(jié)省大量的時(shí)間和經(jīng)費(fèi)。利

56、用ADAMS軟件建立參數(shù)化模型可以進(jìn)行設(shè)計(jì)研究、試驗(yàn)設(shè)計(jì)和優(yōu)化分析。為系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化提供了一種高效開發(fā)工具。</p><p>　　ADAMS軟件包括3個(gè)最基本的解題程序模塊：ADAMS / View(基本環(huán)境)、ADAMS / Solver(求解器)和ADAMS / PostProcessor(后處理)。另外還有一些特殊場(chǎng)合應(yīng)用的附加程序模塊，例如：ADAMS/Car(轎車模塊)、ADAMS/Rail(機(jī)車模塊)、

57、ADAMS / Driver(駕駛員模塊)、ADAMS / Tire(輪胎模塊)、ADAMS/Linear(線性模塊)、ADAMS/Flex(柔性模塊)、ADAMS/ Controls(控制模塊)、ADAMS / FEA(有限元模塊)、ADAMS /Hydraulics(液壓模塊)、ADAMS / Exchange(接口模塊)、Mechanism / Fro(與Pro / Engineer的接口模塊)、ADAMS/Animation(高

58、速動(dòng)畫模塊)等。</p><p>　　在3個(gè)基本解題程序模塊中，ADAMS /View提供了一個(gè)直接面向用戶的基本操作對(duì)話環(huán)境和虛擬樣機(jī)分析的前處理功能，其中包括樣機(jī)的建模和各種建模工具、樣機(jī)模型數(shù)據(jù)的輸入與編輯、與求解器和后處理等程序的自動(dòng)連接、虛擬樣機(jī)分析參數(shù)的設(shè)置、各種數(shù)據(jù)的輸入和輸出、同其他應(yīng)用程序的接口等。自ADAMS9.0版本開始，ADAMS /View采用了Windows風(fēng)格的操作界面和各種操作習(xí)慣

59、，使得ADAMS / View9.0版以后的程序操作界面非常友好。</p><p>　　ADAMS / Solver是求解機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力學(xué)問題的程序。完成樣機(jī)分析的準(zhǔn)備工作以后，ADAMS/View程序可以自動(dòng)地調(diào)用ADAMS / Solver模塊，求解樣機(jī)模型的靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)或動(dòng)力學(xué)問題，完成仿真分析以后再自動(dòng)地返回ADAMS /View操作界面。因此，一般用戶可以將ADAMS/Solver的操作視為一個(gè)“

60、黑匣子”，只需熟悉ADAMS / View的操作，即可完成建模和整個(gè)分析過程。</p><p>　　ADAMS仿真分析結(jié)果的后處理，可以通過調(diào)用后處理模塊ADAMS/ PostProcessor來完成。ADAMS / PostProcesso：模塊具有相當(dāng)強(qiáng)的后處理功能，它可以回放仿真結(jié)果，也可以繪制各種分析曲線。除了可以直接繪制仿真結(jié)果曲線以外，ADAMS / PostProcessor還可以對(duì)仿真分析曲線進(jìn)行

61、一些數(shù)學(xué)和統(tǒng)計(jì)計(jì)算：可以輸入實(shí)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；可以進(jìn)行分析結(jié)果曲線圖的各種編輯。</p><p>　　一般ADAMS分析功能如下：</p><p>　　(1)可有效地分析三維機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)與力。例如可以利用ADAMS來模擬作用在輪胎上的垂直、轉(zhuǎn)向、陀螺效應(yīng)、牽引與制動(dòng)、力與力矩;還可應(yīng)用ADAMS進(jìn)行整個(gè)車輛或懸架系統(tǒng)道路操縱性的研究。</p><

62、p>　　(2)利用ADAMS可模擬大位移的系統(tǒng)。ADAMS很容易處理這種模型的非線性方程而且可進(jìn)行線性近似。</p><p>　　(3)可分析運(yùn)動(dòng)學(xué)靜定(對(duì)于非完整的束或速度約束一般情況的零自由度)系統(tǒng)。</p><p>　　(4)對(duì)于一個(gè)或多自由度機(jī)構(gòu)，ADAMS可完成某一時(shí)間上的靜力學(xué)分析或某一時(shí)間間隔內(nèi)的靜力學(xué)分析。</p><p>　　(5)有線性系統(tǒng)

63、模態(tài)分析、力輸入運(yùn)動(dòng)以及模擬控制系統(tǒng)的能力。</p><p>　　(6)利用ADAMS/VIEW提供的控制工具箱或ADAMS/Control與MATLAB一起可以方便地進(jìn)行機(jī)電一體化系統(tǒng)仿真。</p><p>　　1.3 選題的依據(jù)和意義</p><p>　　虛擬樣機(jī)技術(shù)是隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的一項(xiàng)計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）技術(shù)。作為目前應(yīng)用最為廣泛的機(jī)械系

64、統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真軟件。ADAMS軟件可以幫助改進(jìn)各種機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，從簡(jiǎn)單的齒輪機(jī)構(gòu)、連桿機(jī)構(gòu)到復(fù)雜的車輛、飛機(jī)、衛(wèi)星甚至人體。</p><p>　　在機(jī)械教學(xué)中利用ADAMS的三維建模技術(shù)可將機(jī)械原理中一些長用的機(jī)構(gòu)如凸輪機(jī)構(gòu)、齒輪機(jī)構(gòu)、連桿機(jī)構(gòu)的組成、運(yùn)動(dòng)、和應(yīng)用等情況一一展現(xiàn)出來，等于把現(xiàn)場(chǎng)搬入了課堂，給學(xué)生一個(gè)全面清楚認(rèn)識(shí)，彌補(bǔ)了學(xué)生實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)不足所帶來的問題。利用ADAMS軟件還能在計(jì)算機(jī)仿真分析復(fù)雜

65、的機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)性能，可以使學(xué)生了解現(xiàn)代計(jì)算機(jī)輔助機(jī)械設(shè)計(jì)的高效、直觀、快捷的特點(diǎn)，從而提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。</p><p>　　1.4 課題研究的內(nèi)容</p><p>　　驗(yàn)證ADAMS對(duì)機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方案設(shè)計(jì)研究與案例進(jìn)行分析運(yùn)用于機(jī)械原理課程設(shè)計(jì)的可行性，完成對(duì)凸輪機(jī)構(gòu)的建模分析。</p><p>　　第2章 機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)</p&g

66、t;<p>　　2.1 機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)概述</p><p>　　機(jī)械工程中動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)又稱為虛擬樣機(jī)技術(shù)，是20世紀(jì)80年代隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的一項(xiàng)新技術(shù)，其核心是機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真技術(shù)，同時(shí)還包括三維CAD建模技術(shù)、有限元分析技術(shù)、機(jī)電液控制技術(shù)、最優(yōu)化技術(shù)等相關(guān)技術(shù)。</p><p>　　應(yīng)用機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)，工程師在計(jì)算機(jī)上建立樣機(jī)模型

67、，對(duì)模型進(jìn)行各種動(dòng)態(tài)性能分析，然后改進(jìn)樣機(jī)設(shè)計(jì)方案，用數(shù)字化形式代替?zhèn)鹘y(tǒng)的實(shí)物樣機(jī)實(shí)驗(yàn)。運(yùn)用虛擬樣機(jī)技術(shù)，可以大大簡(jiǎn)化機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開發(fā)過程，大幅度縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，大量減少產(chǎn)品開發(fā)費(fèi)用和成本，明顯提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高產(chǎn)品的系統(tǒng)性能，獲得最優(yōu)化和創(chuàng)新的設(shè)計(jì)產(chǎn)品。因此，該技術(shù)一出現(xiàn)，立即受到了工業(yè)發(fā)達(dá)國家、有關(guān)科研機(jī)構(gòu)和大學(xué)、公司的極大重視，許多著名制造廠商紛紛將虛擬樣機(jī)技術(shù)引入各自的產(chǎn)品開發(fā)中，取得了很好的經(jīng)濟(jì)效益。圖2.1所示為虛擬樣機(jī)

68、實(shí)例圖。</p><p>　　圖2.1在ADAMS建造的虛擬樣機(jī)實(shí)例</p><p>　　根據(jù)國際權(quán)威人士對(duì)機(jī)械工程領(lǐng)域產(chǎn)品性能試驗(yàn)和研究開發(fā)手段的統(tǒng)計(jì)和預(yù)測(cè)，傳統(tǒng)的機(jī)械系統(tǒng)實(shí)物試驗(yàn)研究方法，將在很大程度上會(huì)被迅速發(fā)展起來的計(jì)算機(jī)數(shù)字化仿真技術(shù)取代。</p><p>　　機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)的研究對(duì)象是機(jī)械系統(tǒng)，在這里，機(jī)械系統(tǒng)可以視為是由多個(gè)相互連接、彼此能夠相對(duì)

69、運(yùn)動(dòng)的構(gòu)件的組合。</p><p>　　在機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)中有3種性質(zhì)不同的分析：</p><p>　　(1)機(jī)械系統(tǒng)的靜力學(xué)分析在一定條件下，機(jī)械系統(tǒng)變成一個(gè)剛性系統(tǒng)，系統(tǒng)中的各構(gòu)件之間沒有相對(duì)運(yùn)動(dòng)。此時(shí)主要是分析在各種力的作用下，各構(gòu)件的受力和強(qiáng)度問題。</p><p>　　(2)機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析主要涉及系統(tǒng)及其各構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)分析，而與引起運(yùn)動(dòng)的力無關(guān)。運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

70、中，系統(tǒng)中一個(gè)或多個(gè)構(gòu)件的位置或相對(duì)位置與時(shí)間的關(guān)系是規(guī)定好的，其余構(gòu)件的位置、速度和加速度與時(shí)間的關(guān)系，可以通過求解位置的非線性方程組和速度、加速度的非線性方程組來確定。</p><p>　　(3)機(jī)械系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)分析主要涉及由外力作用引起的系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)分析，有兩種情況:一種是確定與時(shí)間無關(guān)的力作用下系統(tǒng)的平衡位置。在外力作用下系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)與運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系式相一致，這些關(guān)系是通過連接系統(tǒng)構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)副施加給系統(tǒng)?？梢赃\(yùn)用動(dòng)

71、力學(xué)方程或微分方程與代數(shù)方程的組合求解，確定系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)。另一種情況是運(yùn)動(dòng)學(xué)分析和動(dòng)力學(xué)分析的混合形式。</p><p>　　虛擬樣機(jī)技術(shù)的研究范圍主要是機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析，其核心是利用計(jì)算機(jī)輔助分析技術(shù)進(jìn)行機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析，以確定系統(tǒng)及其各構(gòu)件在任意時(shí)刻的位置、速度和加速度，同時(shí)，通過求解代數(shù)方程組確定引起系統(tǒng)及其各構(gòu)件運(yùn)動(dòng)所需的作用力及其反作用力。</p><p>　

72、　2.2 機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)的相關(guān)技術(shù)</p><p>　　機(jī)械系統(tǒng)的種類繁多，虛擬樣機(jī)分析軟件在進(jìn)行機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析時(shí)，還需要融合其他相關(guān)技術(shù)，為了能夠充分發(fā)揮不同分析軟件圖2.2給出了虛擬樣機(jī)及相關(guān)技術(shù)的特長，有時(shí)可能希望虛擬樣機(jī)軟件可以支持其他機(jī)械系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助工程(MCAE)軟件，或者反過來，虛擬樣機(jī):軟件的輸入數(shù)據(jù)可以由其他的專用軟件產(chǎn)生。</p><p>　　圖2.

73、2給出了機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)的相關(guān)技術(shù)。</p><p>　　一個(gè)優(yōu)秀的機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真分析軟件除了可以進(jìn)行機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析外，還應(yīng)該包含以下技術(shù)：</p><p>　　1)幾何形體的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)軟件和技術(shù)。用于機(jī)械系統(tǒng)的幾何建模，或者用來展現(xiàn)機(jī)械系統(tǒng)的仿真分析結(jié)果。</p><p>　　2)有限元分析((FEA)軟件和技術(shù)?？梢岳脵C(jī)械系統(tǒng)的

74、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析結(jié)果，確定進(jìn)行機(jī)械系統(tǒng)有限元分析((FEA)所需的外力和邊界條件。或者利用有限元分析對(duì)構(gòu)件應(yīng)力、應(yīng)變和強(qiáng)度進(jìn)行進(jìn)一步的分析。</p><p>　　3)模擬各種各樣作用力的軟件編程技術(shù)。虛擬樣機(jī)軟件運(yùn)用開放式的軟件編程技術(shù)來模擬各種力和動(dòng)力，例如：電動(dòng)力、液壓氣動(dòng)力、風(fēng)力等等，以適應(yīng)各種機(jī)械系統(tǒng)的要求。</p><p>　　4)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。實(shí)驗(yàn)

75、結(jié)果經(jīng)過線性化處理輸入機(jī)械系統(tǒng)，成為機(jī)械系統(tǒng)模型的一個(gè)組成部分。</p><p>　　5)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析軟件和技術(shù)。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?；蛘?，可以應(yīng)用其他專用的控制系統(tǒng)分析軟件，進(jìn)行機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的聯(lián)合分析。</p><p>　　6)優(yōu)化分析軟件和技術(shù)。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，是一個(gè)重要應(yīng)用領(lǐng)域，通過優(yōu)化

76、分析，確定最佳設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和參數(shù)值，使機(jī)械系統(tǒng)獲得最佳的綜合性能。</p><p>　　2.3 ADAMS軟件的動(dòng)態(tài)仿真分析理論基礎(chǔ)</p><p><b>　　2.3.1 自由度</b></p><p>　　機(jī)械系統(tǒng)的自由度表示機(jī)械系統(tǒng)中各構(gòu)件相對(duì)于地面機(jī)架所具有的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)數(shù)量。</p><p>　　機(jī)械系統(tǒng)的自由度與構(gòu)成

77、機(jī)械的構(gòu)件數(shù)量、運(yùn)動(dòng)副的類型和數(shù)量、原動(dòng)機(jī)的類型和數(shù)量、以及其他約束條件有關(guān)。例如:一個(gè)在3維空間自由浮動(dòng)的剛體有6個(gè)自由度;一個(gè)圓柱副約束了兩個(gè)移動(dòng)和兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)，共提供了4個(gè)約束條件。表2.1為ADAMS常用的運(yùn)動(dòng)副及自由度約束數(shù)。</p><p>　　表2.1 ADAMS常用的運(yùn)動(dòng)副及自由度約束數(shù)</p><p>　　機(jī)械系統(tǒng)的自由度DOF可以用下式計(jì)算:</p><

78、p><b>　　（2.1）</b></p><p>　　式中：n——活動(dòng)構(gòu)件總數(shù);</p><p>　　,m一第1個(gè)運(yùn)動(dòng)副的約束條件數(shù)，運(yùn)動(dòng)副總數(shù)；</p><p>　　，x——第j個(gè)原動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)約束條件數(shù)，原動(dòng)機(jī)總數(shù)；</p><p>　　——其他的約束條件數(shù)。</p><p>　　機(jī)械系

79、統(tǒng)的自由度DOF和原動(dòng)機(jī)的數(shù)量與機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)特性有著密切的關(guān)系，在ADAMS軟件中，機(jī)構(gòu)的自由度決定了該機(jī)構(gòu)的分析類型:</p><p>　　運(yùn)動(dòng)學(xué)分析或動(dòng)力學(xué)分析。</p><p>　　當(dāng)DOF=0時(shí)，對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，即僅考慮系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，而不考慮產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)的外力。在運(yùn)動(dòng)學(xué)分析中，當(dāng)某些構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)確定后，其余構(gòu)件的位移、速度和加速度隨時(shí)間變化的規(guī)律，不是根據(jù)牛頓定律來確定的，

80、而是完全由機(jī)構(gòu)內(nèi)構(gòu)件間的約束關(guān)系來確定，是通過位移的非線性代數(shù)方程與速度、加速度的線性代數(shù)方程迭代運(yùn)算解出。</p><p>　　當(dāng)DOF>0時(shí)，對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，即分析其運(yùn)動(dòng)是由于保守力和非保守力的作用而引起的，并要求構(gòu)件運(yùn)動(dòng)不僅滿足約束要求，而且要滿足給定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。它又包括靜力學(xué)分析、準(zhǔn)靜力學(xué)分析和瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析。動(dòng)力學(xué)的運(yùn)動(dòng)方程就是機(jī)構(gòu)中運(yùn)動(dòng)的拉格朗日乘子微分方程和約束方程組成的方程組。<

81、/p><p>　　當(dāng)DOF<0時(shí)，屬于超靜定問題，ADAMS無法解決。</p><p>　　在計(jì)算機(jī)械系統(tǒng)自由度時(shí)應(yīng)注意以一「一些特殊問題:</p><p>　　(1)復(fù)合鉸鏈兩個(gè)以上的構(gòu)件同在一處以轉(zhuǎn)動(dòng)副相聯(lián)接，構(gòu)成了所謂復(fù)合鉸鏈。當(dāng)有m個(gè)構(gòu)件(包括固定構(gòu)件)以復(fù)合鉸鏈相聯(lián)接時(shí)，其轉(zhuǎn)動(dòng)副的數(shù)目應(yīng)為(m-1)個(gè)。</p><p>　　(2)

82、局部自由度與機(jī)械系統(tǒng)中需要分析的構(gòu)件運(yùn)動(dòng)無關(guān)的自由度稱為局部自由度。在計(jì)算機(jī)械系統(tǒng)自由度時(shí)，局部自由度可以除去不計(jì)。</p><p>　　(3)虛約束起重復(fù)限制作用的約束稱為虛約束，因此，虛約束又稱為多余約束。虛約束常出現(xiàn)于下列情況中:</p><p>　　1)軌跡重合。如果機(jī)構(gòu)上有兩構(gòu)件用轉(zhuǎn)動(dòng)副相聯(lián)接，而兩構(gòu)件上聯(lián)接點(diǎn)的軌跡相重合，則該聯(lián)接將帶入虛約束。在機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過程中，當(dāng)不同構(gòu)件上兩點(diǎn)

83、間的距離保持恒定時(shí)，用一個(gè)構(gòu)件和兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副將此兩點(diǎn)相聯(lián)，也將帶入虛約束。</p><p>　　2)轉(zhuǎn)動(dòng)副軸線重合。當(dāng)兩構(gòu)件構(gòu)成多個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副且其軸線互相重合，這時(shí)只有一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副起約束作用，其余轉(zhuǎn)動(dòng)副都是虛約束。</p><p>　　3)移動(dòng)副導(dǎo)路平行。兩構(gòu)件構(gòu)成多個(gè)移動(dòng)副且其導(dǎo)路互相平行，這時(shí)只有一個(gè)移動(dòng)副起約束作用，其余轉(zhuǎn)動(dòng)副都是虛約束。</p><p>　　4)機(jī)構(gòu)

84、存在對(duì)運(yùn)動(dòng)重復(fù)約束作用的對(duì)稱部分。在機(jī)械系統(tǒng)中，某些不影響機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)傳遞的重復(fù)部分所帶入的約束也為虛約束。虛約束的存在雖然對(duì)機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)沒有影響，但引入虛約束后不僅可以改善機(jī)構(gòu)的受力情況，還可以增加系統(tǒng)的剛性，因此在機(jī)械系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)中得到較多使用。</p><p>　　但是，計(jì)算機(jī)在求解運(yùn)動(dòng)方程組時(shí)，不應(yīng)有虛約束(即:相關(guān)方程)的存在。因此，計(jì)算機(jī)進(jìn)行機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)分析時(shí)，程序?qū)⒆詣?dòng)地查找虛約束，如果機(jī)械模型中有虛約

85、束存在，計(jì)算機(jī)會(huì)隨機(jī)地將多余的虛約束刪除。這種處理方法使得計(jì)算結(jié)果同實(shí)際情況有所不同，而且可能出現(xiàn)多組解。例如，一個(gè)用兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副(鉸鏈)連接的房門，其中一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副的約束為虛約束，計(jì)算機(jī)程序隨機(jī)地刪除其中一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副的約束，其計(jì)算結(jié)果是一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副承受所有的連接力，而另一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副的連接力為零。因?yàn)槭请S機(jī)地刪除其中一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副，計(jì)算結(jié)果將可能有兩種情況。</p><p><b>　　2.3.2 坐標(biāo)系</b

86、></p><p>　　ADAMS采用了兩種直角坐標(biāo)系:總體坐標(biāo)系和局部坐標(biāo)系，它們之間通過關(guān)聯(lián)矩陣相互轉(zhuǎn)換?？傮w坐標(biāo)系是固定坐標(biāo)系，它不隨任何機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)而運(yùn)動(dòng)。它是用來確定構(gòu)件的位移、速度、加速度等的參考系。局部坐標(biāo)系因定在構(gòu)件上，隨構(gòu)件一起運(yùn)動(dòng)。構(gòu)件在空間內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)，其運(yùn)動(dòng)的線物理量(如線位移、線速度、線加速度等)和角物理量(如角速度、角位移、角加速度)都可由局部坐標(biāo)系相對(duì)于總體坐標(biāo)系移動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的相應(yīng)物

87、理量確定。而約束方程表達(dá)式均由相連接的兩構(gòu)件的局部坐標(biāo)系的坐標(biāo)描述。</p><p>　　2.3.3 速度、加速度和角加速度</p><p>　　研究固定于構(gòu)件參考機(jī)架坐標(biāo)系中的點(diǎn)P，如圖2.3所示。點(diǎn)P在地面坐標(biāo)系X-Y-Z中的位置的矢量可以由式((2.2)確定。</p><p>　　圖2.3速度、加速度和角加速度</p><p><

88、b>　?。?.2）</b></p><p>　　式中：——坐標(biāo)系中點(diǎn)P的坐標(biāo)的常矢量；</p><p>　　A——坐標(biāo)系相對(duì)與地面坐標(biāo)X-Y-Z的方向余弦矩陣。</p><p>　　將對(duì)時(shí)間求導(dǎo)，可獲得速度計(jì)算公式，見式(2.3), (2.4), (2.5)。</p><p><b>　?。?.3）</b&g

89、t;</p><p><b>　?。?.4）</b></p><p><b>　　（2.5）</b></p><p>　　式中：——坐標(biāo)系的角速度矢量。</p><p>　　將式((2.3)對(duì)時(shí)間求導(dǎo)，可以獲得加速度計(jì)算公式，見式((2.6)</p><p><b>

90、;　?。?.6）</b></p><p><b>　?。?.7）</b></p><p>　　以上計(jì)算速度/速度和角速度的公式是空間構(gòu)件運(yùn)動(dòng)學(xué)分析的基礎(chǔ)。</p><p>　　2.3.4 剛體運(yùn)動(dòng)方程</p><p>　　考慮圖2.4中的剛體，該剛體由矢量r和一組廣義坐標(biāo)確定其在空間的位置，該組廣義坐標(biāo)定義了

91、固定于剛體的構(gòu)件機(jī)架坐標(biāo)系相對(duì)于地面坐標(biāo)系X-Y-Z的方向。</p><p>　　假定坐標(biāo)系的原點(diǎn)O是剛體的質(zhì)心，則該剛體的牛頓一歐拉變分運(yùn)動(dòng)方程為：</p><p><b>　?。?.8）</b></p><p><b>　?。?.9）</b></p><p>　　式中：，——約束相容的虛位移和虛

92、轉(zhuǎn)動(dòng)：</p><p>　　m——?jiǎng)傮w(構(gòu)件)的總質(zhì)量；</p><p>　　f,——作用于剛體上的總外力，外力相對(duì)于坐標(biāo)系原點(diǎn)的總力矩；</p><p>　　——相對(duì)于質(zhì)心坐標(biāo)系的常慣性矩陣；</p><p>　　——?jiǎng)傮w(構(gòu)件)的慣性矩。</p><p>　　——?jiǎng)傮w(構(gòu)件)的慣性積。</p><

93、;p>　　2.3.5 系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程的建立</p><p>　　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。采用拉格朗日乘子法建立系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方程：</p><p><b>　　（2.10）</b></p><p>　　完整約束方程時(shí)：

94、 （2.11）</p><p>　　非完整約束方程時(shí)： （2.12）</p><p>　　其中：T為系統(tǒng)動(dòng)能， q為系統(tǒng)廣義坐標(biāo)列陣 Q為廣義力列陣， 為對(duì)應(yīng)于完整約束的拉氏乘子列陣， 為對(duì)應(yīng)于非完整約束的拉氏乘子列陣， 為系統(tǒng)廣義速度列陣。</p><p>　　定義1系

95、統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程:對(duì)于有N個(gè)自由度的力學(xué)系統(tǒng)，確定N個(gè)廣義速率以后，即可計(jì)算出系統(tǒng)內(nèi)各質(zhì)點(diǎn)及各剛體相應(yīng)的偏速度及偏角速度，以及相應(yīng)的N個(gè)廣義主動(dòng)力及廣義慣性力。令每個(gè)廣義速率所對(duì)應(yīng)的廣義主動(dòng)力與廣義慣性力之和為零，所得到的N個(gè)標(biāo)量方程即稱為系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程，也稱為凱恩方程：</p><p><b>　　（2.13）</b></p><p><b>　　寫成矩陣形

96、式為：</b></p><p><b>　?。?.14）</b></p><p>　　其中：F，為N階列陣，定義為：</p><p>　　在系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方程((2.10)中令：</p><p>　　則系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方程可化成動(dòng)力學(xué)方程為：</p><p>　　式中：u為廣義速度列陣，為約束反力及

97、作用力列陣，G為描述廣義速度的代數(shù)方程列陣，</p><p>　　中為描述約束的代數(shù)方程列陣。</p><p>　　定義2 Gear預(yù)估一校正多步算法，繼承Adams四階預(yù)估一校正變階算法。</p><p>　　采用變步長法，其步驟如下：</p><p>　　(1) f(x,t)的Jacobi矩陣的一計(jì)算；</p><p&

98、gt;　　(2)校正的迭代運(yùn)算，第二步運(yùn)行時(shí)要適當(dāng)給出迭代精度與單步積分精度，否則會(huì)出現(xiàn)迭代收斂所要求的步長小于單步積分精度要求的步長，造成計(jì)算步長反復(fù)放大縮小。</p><p>　　定義系統(tǒng)的狀態(tài)矢量用Gear算法求解系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方程，首先，根據(jù)當(dāng)前時(shí)刻的系統(tǒng)狀態(tài)矢量值，用Taylor級(jí)數(shù)預(yù)估下一個(gè)時(shí)刻系統(tǒng)的狀態(tài)矢量值：</p><p><b>　?。?.18）</b>

99、</p><p>　　其中時(shí)間步長： </p><p>　　這種預(yù)估算法得到的新的時(shí)刻的系統(tǒng)狀態(tài)矢量值通常不準(zhǔn)確，可由Gear法K+1階積分進(jìn)行校正：</p><p><b>　?。?.19）</b></p><p>　　其中：是y(t)在時(shí)的近似值，，為Gear積分系數(shù)值，也可寫成：<

100、/p><p><b>　?。?.20）</b></p><p>　　則系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程在時(shí)刻展開，得：</p><p><b>　　（2.21）</b></p><p><b>　?。?.22）</b></p><p><b>　　（2.23）<

101、;/b></p><p>　　定義 3 Newton-Raphson算法：</p><p>　　求解非線性方程組中其中共有n個(gè)方程，即變量x陣為n階列陣。N-R算法的關(guān)鍵是如何選取適當(dāng)?shù)某踔担绻仃嚍榉瞧娈?，則解是唯一的。使用修正的N-R算法求解上述非線性方程，其迭代校正公式為：</p><p><b>　?。?.24）</b><

102、/p><p><b>　?。?.25）</b></p><p><b>　?。?.26）</b></p><p>　　式中J表示第J次迭代，</p><p><b>　　，，</b></p><p>　　由(2.20)式知：</p><p

103、><b>　?。?.27）</b></p><p>　　由(2.22)式知：</p><p>　　， （2.28）</p><p><b>　　則寫成矩陣形式為：</b></p><p><b>　?。?.29）</b>

104、</p><p>　　式中左邊的系數(shù)矩陣稱為系統(tǒng)的Ja.cobi矩陣，</p><p><b>　　是系統(tǒng)的剛度矩陣，</b></p><p><b>　　是系統(tǒng)阻尼矩陣，</b></p><p><b>　　是系統(tǒng)質(zhì)量矩陣。</b></p><p>　

105、　通過分解系統(tǒng)Jacobi矩陣求解，，，計(jì)算出，，，，，重復(fù)上述步驟，直到滿足收斂條件，誤差限，確定是否接受該解。</p><p>　　2.3.6 ADAMS計(jì)算流程</p><p>　　ADAMS的整個(gè)計(jì)算過程(指從數(shù)據(jù)的輸入到結(jié)果的輸出，后處理功能模塊。)可以分成以下幾個(gè)部分：</p><p><b>　　(1)數(shù)據(jù)的輸入；</b><

106、/p><p><b>　　(2)數(shù)據(jù)的檢查；</b></p><p>　　(3)機(jī)構(gòu)的裝配及過約束的消除；</p><p>　　(4)運(yùn)運(yùn)方程的自動(dòng)形成；</p><p>　　(5)積分迭代運(yùn)算過程；</p><p>　　(6)運(yùn)算過程中的錯(cuò)誤檢查和信息輸出；</p><p>

107、<b>　　(7)結(jié)果的輸出。</b></p><p>　　ADAMS計(jì)算工作流程如圖2.5。</p><p>　　圖2.5 ADAMS計(jì)算工作流程</p><p>　　2.4 ADAMS軟件動(dòng)態(tài)仿真分析基本步驟</p><p>　　具體到研究汽車系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)，建立車輛仿真模型時(shí)，一般遵循以下幾個(gè)典型的基本步驟：</

108、p><p>　　圖2.6機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真分析的步驟</p><p>　　1. 機(jī)械系統(tǒng)的物理抽象。</p><p>　　2. 獲取模型的運(yùn)動(dòng)學(xué)(幾何定位)參數(shù)，建立抽象系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)部件、約束，從而建立運(yùn)動(dòng)學(xué)模型。校驗(yàn)?zāi)Ｐ偷淖杂啥燃罢_性。</p><p>　　3. 獲得模型的動(dòng)力學(xué)參數(shù)，定義模型中部件、鉸鏈與彈性元件及外界條件，如道路模型、空氣阻力

109、等的特性，建立動(dòng)力學(xué)模型。</p><p>　　4. 對(duì)動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行調(diào)整與仿真計(jì)算。</p><p>　　5. 對(duì)仿真計(jì)算結(jié)果進(jìn)行后處理。</p><p>　　機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真分析的一般步驟如圖2.6示。</p><p>　　根據(jù)圖2.6示步驟可以完成一個(gè)復(fù)雜的機(jī)械系統(tǒng)的仿真分析，為使仿真分析能夠較順利的進(jìn)行，應(yīng)采取以下的分析技巧:<

110、/p><p>　　1)應(yīng)該采取漸進(jìn)的，從簡(jiǎn)單分析逐步發(fā)展到復(fù)雜的機(jī)械系統(tǒng)分析的分析策略。</p><p>　?、僭谧畛醯姆抡娣治鼋r(shí)，不必過分追求構(gòu)件幾何形體的細(xì)節(jié)部分同實(shí)際構(gòu)件完全一致，因?yàn)檫@往往需要花費(fèi)大量的幾何建模時(shí)間，而此時(shí)的關(guān)鍵是能夠順利地進(jìn)行仿真并獲得初步結(jié)果。從程序的求解原理來看，只要仿真構(gòu)件兒何形體的質(zhì)量、質(zhì)心位置、慣性矩和慣性積同實(shí)際構(gòu)件相同，仿真結(jié)果是等價(jià)的。待獲得滿意的

111、仿真分析結(jié)果以后，再完善構(gòu)件幾何形體的細(xì)節(jié)部分和視覺效果。</p><p>　?、谌绻麡訖C(jī)模型中含有非線性的阻尼，可以先從分析線性阻尼開始，待線性阻尼分析順利完成后，再改為非線性阻尼進(jìn)行分析。</p><p>　　2)在進(jìn)行較復(fù)雜的機(jī)械系統(tǒng)仿真時(shí)，可以將整個(gè)系統(tǒng)分解為若干個(gè)子系統(tǒng)，先對(duì)這些子系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析和試驗(yàn)，逐個(gè)排除建模等仿真過程中隱含的問題，最后進(jìn)行整個(gè)系統(tǒng)的仿真分析試驗(yàn)。<

112、/p><p>　　3)在設(shè)計(jì)虛擬樣機(jī)時(shí)，應(yīng)該盡量減小機(jī)械系統(tǒng)的規(guī)模，僅考慮影響樣機(jī)性能的構(gòu)件。</p><p>　　第3章 凸輪機(jī)構(gòu)ADAMS建模分析</p><p>　　3.1 凸輪參數(shù)設(shè)計(jì)</p><p>　　尖頂直動(dòng)從動(dòng)件盤形凸輪機(jī)構(gòu)的凸輪基圓半徑,已知:從動(dòng)件行程,推程運(yùn)動(dòng)角為,遠(yuǎn)休止角,回程運(yùn)動(dòng)角,近休止角為；從動(dòng)件推程、回程分別采用余

113、弦加速度和正弦加速度運(yùn)動(dòng)規(guī)律。對(duì)該凸輪機(jī)構(gòu)進(jìn)行模擬仿真。</p><p>　　1. 從動(dòng)件推程運(yùn)動(dòng)方程</p><p>　　推程段采用余弦加速度運(yùn)動(dòng)規(guī)律,故將已知條件代入余弦加速度運(yùn)動(dòng)規(guī)律的推程段方程式中,推演得到</p><p>　　2. 從動(dòng)件遠(yuǎn)休程運(yùn)動(dòng)方程</p><p>　　在遠(yuǎn)休程段,即時(shí), 。</p><p&g

114、t;　　3. 從動(dòng)件回程運(yùn)動(dòng)方程</p><p>　　因回程段采用正弦加速度運(yùn)動(dòng)規(guī)律,將已知條件代入正弦加速度運(yùn)動(dòng)規(guī)律的回程段方程式中,推演得到</p><p>　　4. 從動(dòng)件近休程運(yùn)動(dòng)方程</p><p>　　在近休程段,即時(shí), 。</p><p>　　3.2 凸輪實(shí)體建模</p><p>　　3.2.1 設(shè)置工作

115、環(huán)境</p><p>　　雙擊桌面上ADAMS/View的快捷圖標(biāo),打開ADAMS/View。在歡迎對(duì)話框中選擇“Create a new model”，在模型名稱（Model name）欄中輸入：tuluen ；在重力名稱（Gravity）欄中選“Earth Normal (-Global Y)”；在單位名稱（Units）欄中選擇“MMKS –mm,kg,N,s,deg”。</p><p&g

116、t;　　對(duì)于這個(gè)模型，網(wǎng)格間距需要設(shè)置成更高的精度以滿足要求。在ADAMS/View菜單欄中，選擇設(shè)置（Setting）下拉菜單中的工作網(wǎng)格（Working Grid）命令。系統(tǒng)彈出設(shè)置工作網(wǎng)格對(duì)話框，將網(wǎng)格的尺寸(Size)中的X和Y分別設(shè)置成250mm和300mm，間距（Spacing）中的X和Y都設(shè)置成10mm。然后點(diǎn)擊“OK”確定。用鼠標(biāo)左鍵點(diǎn)擊選擇（Select）圖標(biāo)，控制面板出現(xiàn)在工具箱中。用鼠標(biāo)左鍵點(diǎn)擊動(dòng)態(tài)放大（Dynam