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引 例. CAE技术是以科学和工程问题为背景，建立计算机模型并进行计算机仿真分析，从而达到产品结构优化、运行可靠的目的。利用CAE技术，如今人们已经可以相当准确地预测出类似摩天大楼、跨海大桥、汽车、飞机和火箭的力学特性，模拟诸如高速碰撞、爆炸、湍流与颤振、微机电系统等十分复杂的物理过程。. 弹簧锁紧机构模型. 例图所示为一种弹簧锁紧机构模型，在美国阿波罗登月计划中，曾用来锁紧登月舱和指挥服务舱。. ADAMS 动力学分析软件的应用. ADAMS dynamic analysis software. 内 容. ADAMS 动力学分析软件的基本知识

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  1. 引 例 CAE技术是以科学和工程问题为背景，建立计算机模型并进行计算机仿真分析，从而达到产品结构优化、运行可靠的目的。利用CAE技术，如今人们已经可以相当准确地预测出类似摩天大楼、跨海大桥、汽车、飞机和火箭的力学特性，模拟诸如高速碰撞、爆炸、湍流与颤振、微机电系统等十分复杂的物理过程。 弹簧锁紧机构模型 例图所示为一种弹簧锁紧机构模型，在美国阿波罗登月计划中，曾用来锁紧登月舱和指挥服务舱。

  2. ADAMS动力学分析软件的应用 ADAMS dynamic analysis software

  3. 内 容 ADAMS动力学分析软件的基本知识 ADAMS动力学分析软件的应用实例

  4. ADAMS动力学分析软件的基本知识 1. ADAMS软件的基本功能模块 机械系统动力学自动仿真分析软件ADAMS(Automatic Dynamic and Analysis of Mechanical System)是美国MSC.Software公司在多体系统领域的标志性产品，其应用领域覆盖了航空航天、铁道、汽车、工程机械、船舶、一般通用机械等多个领域。 核心模块View/Solver/PostProcessor等 30多个模块 功能扩展模块Durability/Insight/Hydraulics等 ADAMS 专业模块Car/Engine/Tire/Aircraft/Rail等 接口模块Exchange/Flex/ Control等

  5. ADAMS动力学分析软件的基本知识 2. ADAMS/View用户界面

  6. ADAMS动力学分析软件的基本知识 3. ADAMS/View中的常用工具 图3 命令导航器 图4 数据库导航器

  7. ADAMS动力学分析软件的基本知识 图6 函数构造器 图5 表格编辑器

  8. ADAMS动力学分析软件的基本知识 4. ADAMS多体系统动力学模型的组成 对复杂机械系统进行运动学与动力学分析之前，需要建立它的多体系统动力学模型，即分析用模型或分析用样机。 部件：多体系统力学模型中部件的定义并不一定与实际工程对象中的零部件一一对应。 约束：对一个或多个部件的运动作出限制，包括时变(时不变)约束、完整(非完整)约束、高(低)副约束，用户还可通过子程序来定义约束。 多体系统 作用力：ADAMS提供了多种力的特性，包括力(矩)、作用(反作用)力、集中(分布)力、线性(非线性)力。这些力可以是任何状态变量(位移、速度、加速度、力和时间等)的函数。 自定义的微分-代数方程：对于一些特殊要求，ADAMS允许用户直接加入所需的微分-代数方程。

  9. ADAMS动力学分析软件的基本知识 5. ADAMS多体系统动力学仿真分析基本流程 多体系统力学仿真分析的主要任务是进行运动学、动力学和静力学计算。 ①实际系统的多体模型简化 ②自动生成静力学、运动学和动力学方程 ③准确求解静力学、运动学和动力学方程 前处理模块：各种参数的输入，建立分析模型 后处理模块：结果数据的处理，如生成曲线、数表、动画等 求解模块：软件的核心模块，由该模块自动生成系统的动力学方程，并提供 静力学、运动学和动力学的解算结果

  10. ADAMS动力学分析软件的基本知识 基于ADAMS的动力学分析(虚拟样机仿真)流程大致如图所示 (1) 模型建立：包括零件的创建(或从其他CAD软件中导入)、约束施加、运动驱动的施加、力(力矩)的施加。 (2) 模型检验：在建模完成后或建模的任何时刻，都可以通过仿真来检验各种性能和各种工况下的响应。 (3) 有效性评价 (4) 模型细化 (5) 模型参数化 (6) 优化分析：包括主要设计影响因素研究、试验设计研究和最优化研究等不同阶段或层次的仿真分析。 (7) 设计自动化

  11. ADAMS动力学分析软件的基本知识 在进行虚拟样机仿真分析时，常用的策略有： (1) 采取循序渐进的、从简单分析逐步发展到复杂的机械系统分析的策略。在最初的仿真分析建模时，不必过分追求构件几何形体的细节部分同实际构件完全一致，此阶段的关键是能够顺利地进行仿真并获得初步结果。从程序的求解原理看，只要仿真构件几何形体的质量、质心位置、惯性矩和惯性积同实际构件相同，仿真结果是等价的。 (2) 在进行复杂的机械系统仿真分析时，可以将整个仿真系统分解为若干个子系统，先对这些子系统进行仿真分析和试验，逐个排除建模仿真过程中隐含的问题，最后进行整个系统的仿真试验。

  12. ADAMS动力学分析软件的应用实例 图8所示为一种弹簧锁紧机构，该机构可将两个相互独立的部件(如运输集装箱的两部分)可靠地夹紧在一起。 图9 弹簧锁紧机构简化模型 图8 弹簧锁紧机构

  13. ADAMS动力学分析软件的应用实例 1. 创建模型名称及设置工作环境 1) 创建模型名称 图10 创建模型名称

  14. ADAMS动力学分析软件的应用实例 2) 设置工作环境【Settings】 单位、工作栅格、图标大小 特别提示：工作栅格间距决定几何模型的绘图精度。如某点的位置是(15.5,5.3,0)，单位为毫米(mm)，若栅格间距设置为0.5mm，则将无法捕捉到该点的纵坐标5.3。同时，在进行点捕捉时，也需打开坐标窗口显示功能，以便实时显示光标所在的位置。

  15. ADAMS动力学分析软件的应用实例 2. 创建虚拟样机模型 1) 创建设计点(Point) 表1 定义设计点及其坐标

  16. ADAMS动力学分析软件的应用实例 2) 创建曲柄，重命名曲柄(Pivot)

  17. ADAMS动力学分析软件的应用实例 3) 创建手柄(Handle)

  18. ADAMS动力学分析软件的应用实例 4) 创建锁钩(Hook) 表2 锁钩轮廓点位置 特别提示：在ADAMS/View中进行位置拾取操作(如拾取锁钩的轮廓点位置)时，有时会由于目标密集捕捉到的仅是最近的物体目标，而无法捕捉到坐标值。要避免这种情况，可同时按住【Ctrl】键移动光标直到获得想要的坐标值。

  19. ADAMS动力学分析软件的应用实例 5) 创建连杆(Slider)

  20. ADAMS动力学分析软件的应用实例 6) 模型运动仿真。设置【End Time】为1，【Steps】为100 仿真测试可以观察到模型一起往下掉落，达不到仿真的目的。这是因为还未施加约束等因素造成的。接下来需要进一步对模型添加约束。

  21. ADAMS动力学分析软件的应用实例 7) 创建旋转运动副约束 JOINT_1：选择旋转副 ，依次选择Pivot(曲柄)、ground(大地)及POINT_1点； JOINT_2：选择旋转副 ，依次选择Pivot(曲柄)、Hook(锁钩)及POINT_2点； JOINT_3：选择旋转副 ，依次选择Pivot(曲柄)、Handle(手柄)及POINT_3点； JOINT_4：选择旋转副 ，依次选择Handle(手柄)、Link(连杆)及POINT_5点； JOINT_5：选择旋转副 ，依次选择Link(连杆)、Hook(锁钩)及POINT_6点。

  22. ADAMS动力学分析软件的应用实例 8) 模型运动仿真 设置【End Time】为1，【Steps】为100 此时，仿真测试可以观察到模型不再往下掉落，但没有规律，处于乱动状态，不能模拟真实运动过程。为了模拟真实的运动过程，接下来需对锁紧机构模型进行进一步的分析。 9) 创建固定体(Block) 固定体相当于机架，表示锁钩滑动的平面。建立固定体时，系统默认其宽度是长和高较小者的两倍，可以在生成固定体之前定义其长、宽、高。

  23. ADAMS动力学分析软件的应用实例 图29 创建固定体 图30 固定体重命名

  24. ADAMS动力学分析软件的应用实例 10) 创建一个虚约束 通过在锁钩和固定体之间创建一个【Inplane】虚约束来代表夹紧运动。Inplane虚约束限制锁钩上的一个点，使其在固定体表面滑动。 (1)在ADAMS/View的主工具箱中，选择视图缩放控制工具 或 ，局部放大锁钩。 (2)打开约束副工具箱，设置如下 (3) 依次选择Hook(锁钩)和Block(固定体)，在点(-12,1,0)处单击，将光标竖直上移，当出现向上的箭头时再单击。

  25. ADAMS动力学分析软件的应用实例 11) 创建弹簧。将鼠标在Hook(锁钩)顶点处移动，出现Hook.EXTRUSION_1.V16时单击，再向左移动鼠标，选取点(-23,1,0) 特别提示 (1) 在实际结构中，并没有这个弹簧，创建弹簧的目的是为了模拟登月舱和指挥服务舱之间实际的夹紧力。弹簧刚度系数为800N/cm，阻尼系数为0.5N•s/cm，该值是理论、经验相结合推导出来的结果。 (2) 创建弹簧的第一个点，必须选在位于(-14,1,0)点处的锁钩顶点上，而不能仅仅是坐标点。

  26. ADAMS动力学分析软件的应用实例 12) 施加手柄力。依次选取Handle(手柄)、Handle(手柄)末端的标志点(-10,22,0)、位置(-18,14,0)，完成手柄力的施加，

  27. ADAMS动力学分析软件的应用实例 13) 保存模型 【File】→【Save Database As…】名称为Latch.bin 图 39 锁紧机构虚拟样机线框模型 图 40 锁紧机构虚拟样机实体模型 14) 模型运动仿真。设置【End Time】为0.2，【Steps】为100

  28. ADAMS动力学分析软件的应用实例 3. 模型测试 锁紧机构虚拟样机模型完成后，接下来可通过测量弹簧力的大小测试锁紧机构的夹紧力，通过测量三个点的角度值来测试手柄的运动轨迹，并通过创建一个传感器锁紧机构的锁止位置。 1) 测量弹簧力

  29. ADAMS动力学分析软件的应用实例 2) 测量角度

  30. ADAMS动力学分析软件的应用实例 3) 创建传感器

  31. ADAMS动力学分析软件的应用实例 4) 模型运动仿真。【End Time】为0.2，【Steps】为100 图52模型机构的最后位置 图50弹簧力的变化曲线 图51角度的变化曲线 5) 保存模型。【File】→【Save Database】

  32. ADAMS动力学分析软件的应用实例 4. 模型验证 建立虚拟样机模型后，可通过比较模拟数据与物理实验数据，获得所建立的模型与真实物理模型的差别以修正模型。 1) 导入物理实验数据。【File】→【Import…】 特别提示 在【File To Read】和【Model Name】栏中，可将光标放置在输入栏上然后右击，采用导入方式导入相应的文件和模型。

  33. ADAMS动力学分析软件的应用实例 2) 创建物理实验数据曲线 （1）【ADAMS PostProcessor】即曲线后处理

  34. ADAMS动力学分析软件的应用实例 (2)在操作面板的【Data】栏，将【Simulation】设置为test_data，【Source】设置为Measures，在【Independent Axis】栏，选中【Data】单选按钮；系统弹出【Independent Axis Browser】对话框，选择MEA_1，单击【OK】按钮。MEA_1即为坐标系的横坐标数据。 (3)返回曲线后处理窗口，在“操作面板”的【Measure】栏选中MEA_2 (此即为坐标系的纵坐标数据)，然后单击【Add Curves】按钮，创建出物理实验曲线。如图所示。

  35. ADAMS动力学分析软件的应用实例 3) 编辑曲线图注 (1) 修改曲线图标题。在曲线后处理窗口的视图树栏，单击展开Page_1，选中Plot_1，弹出对应的Plot_1属性编辑器，取消选中【Auto Title】复选框，将【Title】栏中的文字修改为Latch Force vs. Handle Angle。 (2) 修改曲线注释。在曲线后处理窗口的视图树栏，选中Curve_1，弹出对应的Curve _1属性编辑器，将【Legend】栏中的文字修改为Physical Test Data。 (3) 修改坐标轴单位。在曲线后处理窗口的视图树栏，选中haxis，弹出对应的haxis _1属性编辑器，选择Labels，将【Label】栏中的文字修改为Degree；选中vaxis，弹出对应的vaxis _1属性编辑器，选择Labels，将【Label】栏中的文字修改为Newton。

  36. 6.1.2 ADAMS动力学分析软件的应用实例 4) 创建虚拟仿真曲线图 (1) 在曲线后处理窗口“操作面板”的【Data】栏，将【Simulation】设置为Last_Run，【Source】设置为Measures，在【Independent Axis】栏中，选中【Data】单选按钮；系统弹出【Independent Axis Browser】对话框，选择MEA_ANGLE_1，单击【OK】按钮。MEA_ANGLE_1即为坐标系的横坐标数据。 (2) 返回曲线后处理窗口，在“操作面板”的【Measure】栏选中SPRING_1_MEA_Force(此即为坐标系的纵坐标数据)，然后单击【Add Curves】按钮，创建出虚拟仿真曲线。 (3) 在曲线后处理窗口的视图树栏，选中Curve_2，弹出对应的Curve _1属性编辑器，将【Legend】栏中的文字修改为Virtual Test Data。

  37. ADAMS动力学分析软件的应用实例 生成的曲线如图所示。此即用MEA_ANGLE_1和SPRING_1_MEA_Force两组仿真数据创建的仿真数据图。比较曲线图表，可以发现两组曲线数据不完全一样，但很接近，证明建立的模型是正确的，但需要进一步进行细化调整。

  38. ADAMS动力学分析软件的应用实例 5. 模型参数化 1) 创建设计变量 (1) 把光标放在设计点POINT_1(0,0,0)上，右击选择【Point:POINT_1】→【Modify】命令；弹出“Table Editor”列表编辑器，选择设计点POINT_1的【Loc_X】栏，然后在编辑器顶部的输入栏中，右击选择【Parameterize】→【Create Design Variable】→【Real】命令，这样创建出一个名为.Latch.DV_1的设计变量，其值为0；选择点POINT_1的【Loc_Y】栏，重复上述步骤，创建名为.Latch.DV_2的设计变量，其值为0。 (2) 采用同样方法，将POINT_2、POINT_3、POINT_5和POINT_6的Loc_X 、Loc_Y坐标参数化；单击【Apply】按钮，结果如图58所示。

  39. ADAMS动力学分析软件的应用实例 2) 查看和重设置设计变量 在“Table Editor”列表编辑器的下方，选中【Variables】单选按钮，列出锁紧机构模型中的设计变量以及设计变量的值和变化范围，单击【OK】按钮，关闭列表编辑器。 图58 创建设计变量

  40. ADAMS动力学分析软件的应用实例 6. 设计方案研究 下面通过进行设计研究，找出对锁紧力影响最大的设计点的设计变量。 1) 方案手动研究 【Build】→【Measure】→【Display】选择SPRING_1_MEA_Force，单击【OK】按钮，则显示出弹簧力变化曲线图。 图59 手动方案研究

  41. ADAMS动力学分析软件的应用实例 (2) 进行仿真分析，取【End Time】为0.2，【Steps】为100；在弹簧力曲线变化图上，选中弹簧力变化曲线，右击弹出弹簧力曲线编辑菜单，选择【Curve:Current】→【Save Curve】命令，可以发现曲线变成蓝色。 (3) 在ADAMS/View菜单栏中，选择【Build】→【Design Variable】→【Modify】命令，弹出【Database Navigator】界面，选择DV_1，单击【OK】按钮，弹出设计变量编辑对话框【Modify Design Variable】，将【Standard Value】中的值0.0修改为1.0，单击【OK】按钮。 (4) 进行仿真分析，取【End Time】为0.2，【Steps】为100。仿真结果如图59所示，可见新的方案使弹簧力的值更大。 (5) 采用步骤(3)的方法，将DV_1的值改回0。

  42. ADAMS动力学分析软件的应用实例 2) 运行设计研究进行灵敏度分析 （1）【Simulate】→【Design Evaluation…】 （2）【Design Evaluation Tools】→【Display…】 图60 设计研究选项设置 图61 求解器选项设置

  43. ADAMS动力学分析软件的应用实例 (3) 单击图60所示对话框中的【Start】，开始设计研究仿真分析。 分析完成获得图62所示的弹簧力变化曲线，五条曲线分别对应五个方案。图63所示的【Information】对话框是五个方案的研究报告，设计研究报告提供在每个试验步骤中设计变量DV_1的取值、弹簧力的大小以及设计变量DV_1对弹簧力影响的敏感度。 图62 不同方案的弹簧力变化曲线图 图63 方案研究报告

  44. ADAMS动力学分析软件的应用实例 (4) 关闭信息窗口，依次对其他设计变量进行分析研究，结果见表3。 通过分析表3可知： 设计变量DV_4、DV_6和DV_8的灵敏度绝对值最大， 即POINT_2y、POINT_3y、POINT_5y的位置变化对锁紧机构锁紧力的影响最大。

  45. ADAMS动力学分析软件的应用实例 7. 优化设计 根据设计研究得到的结果，本小节针对设计变量DV_4、DV_6和DV_8，进行锁紧机构最优化设计，使弹簧锁紧机构的锁紧力获得最大值。 1) 修改设计变量 (1)【Build】→【Design Variable】→【Modify】 弹出【Database Navigator】界面，选择DV_4，单击【OK】按钮 (2) 采用同样的方法，设置变量DV_6的范围为6.5～10，变量DV_8的范围为9～11(单位：cm)。 特别提示：模型必须在给定的空间工作，需对设计变量进行限制。根据要求，其范围如下——DV_4：1.0～6.0；DV_6：6.5～10；DV_8：9～11。

  46. ADAMS动力学分析软件的应用实例 2) 优化设计分析 (1) 【Simulate】→【Design Evaluation…】 按住【Ctrl】键

  47. ADAMS动力学分析软件的应用实例 (2) 对图65中【Display】进行设置(方法同“6.设计方案研究”)

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