仿真软件在机械系统设计中及应用

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1、机 械 系 统 中 仿 真 软 件 的 使 用 现 状 分 析1.计 算 机 仿 真 概 述所 谓 计 算 机 仿 真 就 是 建 立 系 统 模 型 的 仿 真 模 型 进 而 在 电 子 计 算 机 上 对 该 仿 真 模型 进 行 模 拟 实 验 (仿 真 实 验 )研 究 的 过 程 。 计 算 机 仿 真 方 法 即 以 计 算 机 仿 真 为 手 段 ， 通过 仿 真 模 型 模 拟 实 际 系 统 的 运 动 来 认 识 其 规 律 的 一 种 研 究 方 法 。 计 算 机 仿 真 作 为 分析 和 研 究 系 统 运 行 行 为 、 揭 示 系 统 动 态 过 程 和 运 动

2、 规 律 的 一 种 重 要 手 段 和 方 法, 随 着 系统 科 学 研 究 的 深 入 、 计 算 机 技 术 的 发 展 ,而 成 为 一 门 新 兴 的 学 科 。 近 年 来 , 随 着 信 息 处 理技 术 的 突 飞 猛 进 , 使 仿 真 技 术 得 到 迅 速 发 展 。 计 算 机 仿 真 主 要 有 以 下 三 种 仿 真 形 式 ：（ 1） 物 理 仿 真 ： 按 照 实 际 系 统 的 物 理 性 质 构 造 系 统 的 物 理 模 型 ， 并 在 物 理 模 型上 进 行 试 验 研 究 。 直 观 形 象 ， 逼 真 度 高 ， 但 代 价 高 ， 周 期 长

3、。 在 没 有 计 算 机 以 前 ，仿 真 都 是 利 用 实 物 或 者 它 的 模 型 来 进 行 研 究 的 。 （ 2） 半 物 理 仿 真 ： 即 物 理 数 学 仿 真 ， 一 部 分 以 数 学 模 型 描 述 ， 并 把 它 仿 真 计 算模 型 ， 一 部 分 以 实 物 方 式 引 入 仿 真 回 路 。 针 对 存 在 建 立 数 学 模 型 困 难 的 子 系 统 的 情况 ， 必 须 使 用 此 类 仿 真 ， 如 航 空 航 天 、 武 器 系 统 等 研 究 领 域 。 （ 3） 数 字 仿 真 （ 计 算 机 仿 真 ） ： 首 先 建 立 系 统 的 数 学

4、 模 型 ， 并 将 数 学 模 型 转 化为 仿 真 计 算 模 型 ， 通 过 仿 真 模 型 的 运 行 达 到 对 系 统 运 行 的 目 的 。 现 代 计 算 机 仿 真 由仿 真 系 统 的 软 件 /硬 件 环 境 ， 动 画 与 图 形 显 示 、 输 入 /输 出 等 设 备 组 成 。 作 为 新 兴 的 技 术方 法 ， 与 传 统 的 物 理 实 验 相 比 较 ， 计 算 机 仿 真 有 着 很 多 无 可 替 代 的 优 点 ：1） 模 拟 时 间 的 可 伸 缩 性 由 于 计 算 机 仿 真 受 人 的 控 制 ， 整 个 过 程 可 控 性 比 较 强 ，仿

5、 真 的 时 间 可 以 进 行 人 为 的 设 定 ， 因 此 时 间 上 有 着 很 强 的 伸 缩 性 ， 也 可 以 节 约 实 验的 时 间 ,提 高 实 验 的 效 率 。2） 模 拟 运 行 的 可 控 性 由 于 计 算 机 仿 真 以 计 算 机 为 载 体 ， 整 个 实 验 过 程 由 计 算机 指 令 控 制 进 程 ， 所 以 可 以 进 行 认 为 的 设 定 和 修 改 ， 这 个 实 验 模 拟 过 程 有 较 强 的 可控 性 。3）模拟试验的优化性由于计算机仿真技术可以重复进行无限次模拟实验，因此可以得出不同的结果，各种结果相互比较，可以找到一个更理想更优的

6、问题的解决方案，可以作为优化实验，选择相应的方案。目前，计算机仿真技术不但是科学研究的有力工具，也是分析、综合各类工程系统或非工程系统的一种研究方法和有力手段。计算机仿真技术已经在机械制造、航空航天、交通运输、船舶工程、经济管理、工程建设、军事模拟以及医疗卫生等领域得到了广泛的应用。 2.机 械 系 统 中 仿 真 软 件 的 应 用随 着 机 械 生 产 设 计 过 程 中 对 于 产 品 质 量 、 可 靠 性 的 要 求 不 断 提 高 ， 首 先 通 过 一定 的 计 算 机 软 件 进 行 仿 真 已 经 成 为 必 不 可 或 缺 的 一 步， 而 且 明 显 可 以 缩 短 产

7、品 的 设 计周 期 ， 减 小 故 障 率 。 一 般 在 机 械 系 统 中 ， 计 算 机 仿 真 主 要 应 用 于 结 构 设 计 ， 控 制 系 统设 计 ， 液 压 系 统 设 计 ， 机 构 设 计 等 等 。现 从 机 械 系 统 中 关 于 机 械 结 构 ， 动 力 学 以 及 液 压 系 统 方 面 作 业 介 绍 。2.1 基 于 ANSYS 的 机 械 结 构 仿 真ANSYS 软 件 作 为 应 用 有 限 元 理 论 成 功 的 大 型 CAE 软 件 之 一 ， 已 经 渗 透 到 各 个 工程 领 域 。 它 既 可 以 求 解 静 力 学 问 题 ， 也

8、可 以 求 解 动 力 学 问 题 ； 既 可 以 求 解 固 体 力 学问 题 ， 也 可 以 求 解 流 体 力 学 问 题 ； 既 可 以 计 算 稳 态 热 力 学 问 题 ， 也 可 以 处 理 瞬 态 时间 响 应 ； 因 此 ， 对 结 构 设 计 人 员 来 说 ，CAD/CAE 一 体 化 设 计 是 实 现 这 两 个 方 面 的 保证 之 一 。 通 过 ANSYS 软 件 的 分 析 技 术 ， 可 帮 助 工 程 设 计 人 员 在 结 构 设 计 或 生 产 之 前预 测 、 仿 真 、 计 算 结 构 的 性 能 ， 从 而 提 高 性 能 质 量 ， 降 低 设

9、 计 成 本 ， 节 约 资 金 ， 缩短 投 放 市 场 的 时 间 ， 提 高 竞 争 能 力 。ANSYS 分析流程如下：对一般机械结构进行有限元分析，要经过载荷分析、建立模型、确定边界条件、输入材料特性、有限元计算等几个主要环节。在利用 ANSYS 软件进行有限元分析前，要对结构载荷进行分析，确定传力途径和分析的状况，同时根据载荷的不同类型，确定有限元分析所采用的准则和规范。在建立有限元模型过程中应注意以下四点：(1)模型简化建立有限元模型过程中最重要的一点是对原结构进行合理简化。要做到合理，就要求结构分析人员具备一定的力学知识、有限元知识和实际工作经验。(2)网格划分在网格划分时，应

10、注意粗细得当。结构复杂、应力水平较高或应力集中的区域网格划分应尽量细些；结构简单、应力水平较低的区域网格可以划分粗些。此外，在不影响求解精度的情况下，以尽量简化分析模型为原则，如能用二维单元就不使用三维单元，能使用低阶单元就不使用高阶单元。(3)正确选用单元形式 ANSYS 单元形式非常多，而且每种单元类型又依据其节点数、边界描述不同等分作若干种类。(4)确定边界边界条件是对结构固定方式的模拟。在对结构进行分析时，要注意正确使用边界条件。尤其是对对称结构、反对称结构、循环对称结构等进行分析时，应特别注意正确使用边界条件。在处理结构的边界条件时，要注重使用 MPC，它为我们提供了表达边界条件的多

11、种方式。如在处理铰接（旋转，万向节）、滑动等情况时，MPC 是强有力的工具。此外，还要考虑边界条件对分析结果的影响。ANSYS 作 为 CAE 领 域 的 先 行 者 ， 是 最 早 通 过 ISO90001 质 量 认 证 的 设 计 软 件 。在 广 泛 应 用 ANSYS 进 行 产 品 开 发 的 相 关 机 械 企 业 中 ， 有 限 元 分 析 已 是 设 计 链 条 中 必须 的 常 规 程 序 ， 新 产 品 开 发 中 的 强 度 、 疲 劳 断 裂 、 振 动 和 噪 声 等 问 题 可 以 成 熟 地 在设 计 阶 段 解 决 ， 大 大 地 提 高 了 设 计 质 量

12、， 缩 短 了 产 品 研 发 周 期 ， 节 省 了 大 量 开 发 费用 。 同 时 避 免 了 产 品 投 放 市 场 初 期 常 出 现 的 质 量 问 题 ， 因 此 ， 将 越 来 越 广 泛 地 被 应 用 。2.2 基 于 ADAMS 的 动 力 学 仿 真机械系统动力学仿真分析软件ADAMS (Automatic Dynam ic Analysis of Systems)最初由美国公司MD I公司开发, 是目前最著名的虚拟样机分析软件。ADAMS是以多体系统动力学理论为基础开发出的大型机械系统仿真分析软件, 使用交互式的图形环境和零件库、约束库、力库等, 能够创建完全参数化的

13、机械系统动力学模型。通过ADAMS 核心模块，功能扩展 模块,专业模块，接口模块， 可以建立包括机- 电 - 液一体化在内的任意复杂系统的多体动力学数字化虚拟样机模型, 并能对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析。ADAMS软件的仿真可用于预测机械系统的性能、运动范围、碰撞检测、峰值载荷以及计算有限元的输入载荷等, 当前ADAMS 已经广泛应用于多个工业领域, 但在利用ADAMS 对机械系统分析时也存在很多不尽人意之处。本文将结合ADAMS 在机械系统分析中的研究现状, 着重论述ADAMS 在机械系统分析中急需解决的三个研究方向。目前, ADAMS 广泛应用在航空航天、汽车制造 、造船、

14、机器人及其它多种工业机械, 并取得了很好的社会经济效益。世界最先进的包装机械制造商Pure- Pak的工程师们利用ADAMS成功的设计并试验饮料加注系统的单向阀 ; 美国航空航天局( NASA )的喷气推进实验室( JPL)成功地实现了火星探测器 /探路号0在火星上的软着陆, JPL 工程师利用 ADAMS 等虚拟样机技术仿真研究了宇宙飞船在不同阶段的工作过程; 我国航天部上海航天局第 805研究所利用ADAMS, 完成了国家高技术项目/空间站两自由度大面积柔性太阳池阵 0动力学仿真研究。在我国, 自从北京吉普汽车公司曾经利用ADAMDS成功开发了BJ2022二代车型。ADAMS软件更广泛的应

15、用于复杂机构或复杂机械系统的研究, 比如汽车的几乎所有总成、多级轮系、并联机床、电梯、起重机械、农业机械等复杂机械系统。这些研究采用的方法大多是在建立了系统模型的基础上利用ADAMS的仿真分析功能对系统的动力学进行分析, 绝大部分是利用ADAMS 对某一具体机械系统进行分析, 而对ADAMS 进行创新性的应用研究或功能拓展型的研究较少。2.3 基于 AMESim 液压系统仿真随着机电一体化技术在现代机械中的应用,液压系统在一台机械中的造价比率越来越高,液压系统越来越复杂,因此对液压系统进行设计和分析的困难越来越大。与此同时,流体力学、算法理论等相关学科的迅速发展,液压仿真技术迅速发展,相应的仿

16、真软件相继出现。AMESim 软件最初于 1995 年由法国 IMAGINE 公司推出,至今已经历了 10 a 多的丰富和完善。 AMESim 代表“Advanced Modeling Environment Foperforming Simulations of Engineering Systems”,即 “执行工程系统仿真的高级建模环境”。它具有完全图形界面,在整个仿真过程中系统都是以图形的形式显示的,在表示元件方面,对于液压元件采用基于工程领域的标准 ISO 符号;对于控制系统,则采用图表符号;对于没有标准符号的,则采用能代表系统的容易识别的图画符号。在下文的叙述中,子模型(submodels)用来指组成系统的每个元件背后的数学模型,包括方程式和与之对应的程序。AMESim 根据仿真步骤自然地分为 4 个工作模式:草图模式、子模型模式、参数模式和运行模式。在草图模式下根据实际工程系统的工作原理利用元件库中的元件图标搭建系统模型,系统搭建完成后便可进入子模型模式,这时需要为每个元件选择合适的子模型(即数学模型),对于不同的元