运动仿真技术

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1、第四章第四章 运动仿真技术运动仿真技术学习重点了解机械系统运动仿真技术的特点及一般过程；熟悉机械系统动力学分析软件ADMAS 2005的基本功能；熟悉掌握利用 ADMAS 软件进行建模、施加约束、驱动和载荷、仿真分析以及后处理等方面的基本操作。在机械设计领域，其设计工程主要可分为原理方案设计、 运动学分析、静力学或动力学分析、方案及系统优化、 强度分析计算和结构设计等几个阶段。 传统的设计方法可以通过理论分析计算实现，但在大多数情况下， 为了防止复杂的理论分析计算， 在机械设计过程中经常采用“经验法” 、 “类比法“或”试凑法”等方法，这样不但会延长设计周期和降低工作效率，而且容易导致设计结果

2、不准确，很难得到满意的结果，也缺乏科学的理论根据。系统方案的构思、原理设计、评价与决策总体方案设计零部件及运动仿真模型建立零部件的建模、装配关系确实定和运动副的定义运动环境设置力 包括重力、 弹簧力和阻尼力或扭矩的施加、初始条件定义等运动仿真分析分析类型如运动学、动力学、静力分析等的定义运动模拟的实现、运动特性曲线如位移、速度、加速度等的可视化、干预检验及参数跟踪测量分析结果输出图 4-1 机械运动仿真步骤示意图科学技术的飞速发展和学科的相互交叉极大地促进了机械设计行业的发展和进步， 设计的高效化和自动化已经成为今后发展的必然趋势。 随着机械产品性能要求的不断提高和电脑技术的广泛使用， 作为机

3、械设计强大支撑技术之一的运动仿真技术越来越受到机械设计人员的重视和亲睐。机械运动仿真技术是一种建立在机械系统运动学、 动力学理论和电脑实用技术基础山的新技术，涉及建模、运动控制、机构学、运动学和动力学等方面的内容，主要是利用电脑来模拟机械系统在真实环境下的运动和动力特性， 并根据机械设计要求和仿真结果， 修改设计参数直至满足机械性能指标要求或对整个机械系统进行优化的过程。 机械运动仿真的一般步骤如图4-1所示。通过机械系统的运动仿真， 不但可以对整个机械系统进行运动模拟， 以验证设计方案是否正确合理， 运动和力学性能参数是否满足设计要求， 运动机构是否发生干预等还可以及时发现设计中可能存在的问

4、题， 并通过不断改良和完善， 严格保证设计阶段的质量， 缩短了机械产品的研制周期，提高了设计成功率，从而不断提高产品在市场中的竞争力。因此， 机械运动仿真当前已经成为机械系统运动学和动力学等方面研究的一种重要手段和方法， 并在交通、国防、航空航天以及教学等领域都得到了非常广泛的应用。机械系统的运动仿真可以采用 VB、OpenGL、3D max、VC 等语言编程实现，也可以使用具有运动仿真功能的机械设计软件 如 ADMAS、 Pro/E、 EUCLID、 UG、 Solidworks、 Solid Edge等实现，而且，随着电脑软件功能的不断强大和完善，用软件进行运动仿真是一种省时、省力而用高效

5、的方法，也是机械运动仿真发展趋势。其中，由美国 MDI 公司开发的 ADAMS(Automatic Dynamic Analysis of MechanicalSystem)是当前应用最广泛且最具权威性的机械系统力学仿真分析软件之一。利用ADAMS 软件中的用户界面模块(ADAMS/View)，通过简单的菜单、按钮及鼠标点击等交互式操作， 可以很方便地对机械系统进行运动学、 动力学或静力学等分析， 主要包括建立零部件模型、 施加运动副和载荷、仿真计算以及结果显示内容。如 View 和 PostProcessor 等的使用方法和基本操作。 希望通过两个实训模块的练习， 能使学生了解动态仿真的基本

6、过程， 并学会正确使用和熟练操作ADAMS 软件， 为进一步的更深入的研究打基础。4.24.2 实训实训1 1 平面六杆机构的运动仿真平面六杆机构的运动仿真平面六杆机构是常用的典型机构之一， 它具有承载能力强、耐磨损、可实现多种运动规律和运动轨迹等优点，因此广泛应用于机械、 仪表、交通以及航空航天等领域，如车辆转弯机构、车门启闭机构、压力表指示机构等等。 平面连杆机构的运动分析是已知原动件的运动规律，求解各构件上某些点的位置、位移、速度和加速度等运动参数，通常可采用图解法、解析法和实验法等来进行分析， 但相对实用软件分析来讲比较麻烦。 下面就平面六杆机构的运动分析为例，来体验ADAMS 软件的

7、强大功能。问题描述问题描述图 4-2 所示为一平面六杆机构， 现已知： 主动曲柄 OA 作匀速逆时针转动，且角度度 w=10rad/s，各铰链 点 的 坐 标 为O(0,0,0) ，A(-60,80,0)，B(180,180,0) ，C(180,0,0)，D(430,0,0)。试对该平图 4-2 平面六杆机构运动简图面六杆机构进行运动分析， 并计算在图示位置时滑块 D 点的位置、速度和加速度以及摇杆BC 的角速度和角加速度的大小。实训目的实训目的本实训的主要目的有二：一是使学生熟悉 ADAMS 软件的基本用户界面，了解使用该软件进行机构运动分析的一般过程。二是使学生体验使用 ADAMS 软件进

8、行运动分析的简单性、方便性和高效性。结果演示结果演示通过使用 ADMAS 12.0 软件对该平面六杆机构进行运动分析,其部分运动结果如图4-3 所示。图 4-3 滑块沿 X 向的速度和加速度随时间变化曲线实训步骤实训步骤一、ADAMS 12.0ADAMS 12.0 的启动与设置的启动与设置1.启动。点击： “开始程序 AViewADAMS_View”，弹出“ADAMS_View”图形用户主界面和 “新建模型” 对话框， 如图 4-4 所示。 在 “Model name” 一栏中输入模型名称：图 4-4 新建模型对话框Linkage， “Gravity”一栏中选择“No Gravity”,“Un

9、its”一栏中选择“MMKS” ，其他保留缺省设置，点击“ OK”关闭对话框，即可进入ADAMS/View图形用户主界面。如图 4-5 所示。主工具箱菜单栏工作屏幕区状态提示栏图 4-5 用户主界面2.单位系统设置。在图 4-4 所示对话框中已经选择了 “MMKS” 单位系统， 由于该系统中的角度单位为 “度” ，根据问题描述，应该设置为弧度。因此，点击菜单栏中的“ SettingsUnits”,弹出“单位设置”对话框，如图 4-6 所示。 确保“Angle”一栏中选中“Radian”选项， 其他保留缺省设置，点击“OK”关闭该对话框。3.工作栅格设置。 点击菜单栏中的“ SettingsWo

10、rk图 4-6 单位系统设置对话框ing Grid”,弹出“工作栅格设置”对话框，在“ Size”一栏的“X”和“Y” 文本框中分别输入：500mm 和 300mm “Spacing”，一栏中的 “X” 和 “Y” 文本框中分别输入：10mm 和 10mm ，图 4-7 工作栅格设置其他保留缺省设置，如图4-7。点击“OK”关闭对话框。用户可以点击主工具箱中的“ ViewControl”按钮，将工作屏幕区显示为合适大小。4.图标大小设置。点击菜单栏中的“Settin gsIcons”,弹出“图标大小设置”对话框，在 “New Size”一栏中输入：30，其他保留缺省设置，如图 4-8。点击“O

11、K”关闭对话框。图标主要是指工作屏幕区出现的一些运动副、构件模型以及载荷等的标记，合适的大小会给模型显示带来方便，否则会带来干扰，图标的大小可随时根据需要调整。5.坐标窗口显示。 点击菜单栏中的 “ViewCoordinate Window” ,弹出“坐标显示”对话框。此时，坐标窗口中显示的坐标值随着光标在工作屏幕区的移动而变化，有利于模型的建立。6.存盘目录设置。 点击菜单栏中的 “FileSelect Directory” ,弹出“存盘目录设置”对话框，在Select Directory 下面的列表框中选择盘符如 e:/,并在其下一级目录列表框中选择将文件要存入的文件夹如 adamsfil

12、e, 其他保留缺省设置，点击“OK”关闭该对话框。二、几何模型的创建二、几何模型的创建Marker ，为建立连杆模型作准备。右键单击主工具箱中的图 4-8 主工具库按钮，弹出几何建模工具库， 如图 4-8 所示。点击其中的按钮， 并保留主工具箱的下半部分的Marker 和 Orientation 栏的选项设置分别为 Add to Ground和 Global XY ，然后用鼠标左键单击工作屏幕区中坐标为0，0，0的位置，即完成了铰链点O 的标记点创建。同理，依次创建其他各铰链点 A(-60,80,0)，B(180,180,0)，C(180,0,0)，D(430,0,0)的标记点。2.创建构建

13、OA 的模型。 点主工具箱中的按钮(如果该按钮没有出现在主工具箱中的相应位置)， 主工具箱的下半部分显示连杆参数设置选项，选中“ Width”和 “Depth”前的复选框，并在相应的文本框中分别输入： 20mm和10mm ，如图 4-9 所示。然后依次点选上一步骤建立的O和A的标记点， 即可建立OA构件的几何模型。右键单击该构件， 弹出右键快捷菜单， 电击 “Part:PART_2Rename” ，弹出名称更改对话框。在“New Name”一栏中输入中输入：Crank，点击“OK”关闭对话框。3创建构件AB、BC 和 BD 的模型。同理可创建构件AB、BC和 BD 的模型，并分别将其改名为Li

14、nk1、roker 和 Link2。4建立滑块模型。右键单击主工具箱中的建模工具库，点击其中的按钮，弹出几何按钮，主工具箱的下半部分显示长方体参数设置选项， 选中 “Length、 Width”和“Depth”前的复选框，并在相应的文本框中分别输入： 80mm 、 60mm和10mm 。然后图 4-9 连杆参数设置将鼠标移动到工作屏幕区，屏幕区出现一个 80mmX60mm 的长方形，鼠标箭头位于该长方形的左下角，移动鼠标至 390，-30，0的栅格点位置并点击，即可完成滑块模型的创建。并将其更名为：slider。5改变滑块 slider的位置。依次点击主工具箱中的按钮和按钮也可以是其他视图方向

15、的工具按钮 ， 可以从不同方向观察上述建立的构件，显然，只有滑块 slider 沿 Z 轴方向与栅格平面 XY 平面不对称。 点击按钮恢图 4-10 用户主界面复到原来的栅格平面视图，在 slider 构件的左下角右键单击，弹出右 键 快 捷 菜 单 ， 依 次 点 击Marker.MARKE_14Modify，弹出“标记参数修改” 对话框， 将该对话框的 “Location”一栏中的最后一个数字 0 改为 5，其他保留缺省设置，如图 4-10 所示，点击“OK”关闭对话框，即可将滑块移动到与栅格平面对称的位置。 可以点击按钮查看滑块为之后的结果。三、约束副的创建三、约束副的创建1.创建机架与

16、 crank、 机架与 rocker构件之间的转动副。点击主工具箱中的按钮，主工具箱的下半部分显示转动副参数设置选项，确保“Construction”一栏下面的两 个 列 表 框 中 分 别 选 中 “ 1Location”和“N ormal to Grid” ，如图 4-11左图所示。然后，移动鼠标到工作屏幕区，点选 O 标记点，即可在机架与 crank 构件之间创建了一个转动副，相当于固定铰链。同理，根据实训要求，C 点也应该为固定铰链点， 因此，在机架与 rocker 构件之间也创建图 4-11 转动副参数设置一个与上述具有相同设置的转动副。2.创建构件 crank 与 link1、li

17、nk1 与 rocker、rocker 与 link2 以及 link2 与 slider 之间的转动副。 点击主工具箱中的按钮， 主工具箱的下半部分显示转动副参数设置选项， 确保 “Construction” 一栏下面的两个列表框中分别选中 “2 Bod-1 Loc” crank、link1 构件和 A 标记点， 即可在 crank 和 link1 构件之间创建了一个转动副。 同理，可创建 link1 和 rocker、rocker 和 link2、link2 和 slider 之间的转动副。3.创建机架 ground 与滑块 slider 之间的移动副。右键单击主工具箱中的弹出约束工具库，

18、点击其图 4-12 六杆机构几何模型及约束中的按钮，按钮，主工具箱的下半部分显示移动副参数设置选项，确保“Construction”一栏下面的两个列表框中分别选中 “2 Bod-1 Loc” 和 “PickFeature” 。 然后， 移动鼠标到工作屏幕区， 依次点选 ground、slider 构件和 D 标记点，之后水平向右移动鼠标，直至出现一水平向右的箭头，按下鼠标左键，即可在机架与slider 构件之间创建了一个移动副。4.创建运动驱动。点击主工具箱中的按钮，主工具箱的下半部分显示旋转运动驱动参数设置选项，在“ Speed”一栏的文本框输入： 10。 然后， 移动鼠标到工作屏幕区，在

19、O 标记点点击鼠标左键，即可在该转动副上创建了一个转动驱动。 即定义 crank 构件为主动件， 其转动角速度为010rad /s。需要注意的是，这里的角速度的大小也可以是变速的，通常可通过输入表达式来设置，有兴趣的读者可查阅相关资料。到此为止，本实训所述六杆机构的几何建模部分和约束及运动驱动施加部分已经完成，完成后的结果如图4-12 所示。四、运动仿真分析四、运动仿真分析1 .运动仿真分析。点击主工具箱中的按钮，主工具箱的下半部分显示仿真参数设置选项，确保“Simulation”标签下面的三个列表框中分别选中“Kinematic、End Time”和“Steps”两个文本框中分别输入： 2

20、和 200， 其他保留缺省设置， 如图 4-13所示。然后，点击按钮，开始进行运动仿真分析，此时，可图 4-13 仿真分析以看到工作屏幕区实时显示六杆机构的运动情况，仿真分析结束后，六杆机构停止运动。2. 运动仿真动画播放。点击主工具箱中的按钮，主工具箱的下半部分显示仿真动画播放功能按钮及参数设置选项，选中左下角Loop 前的复选框，表示循环播放动画，然后，点击按钮，开始进行运动仿真动画，点击按钮，可停止播放，点击按钮，可使六杆机构返回到开始播放的位置。五、动力仿真分析结果显示五、动力仿真分析结果显示1. 启 动 ADAMS/PostProcessor 后 处 理 器 。 点 击 主 工 具

21、箱 中 的按 钮 ， 进 入ADAMS/PostProcessor 的用户程序主界面， 如图 4-14 所示。主界面主要由菜单栏、 菜单栏、菜单栏工具条对象结构关系窗口页面显示窗口参数特性编辑窗口控制区窗口图 4-14 ADAMS/PostProcessor后处理器用户程序主界面对象结构关系窗口、页面显示窗口、参数特性编辑窗口、控制区窗口等几部分组成。2. 规划页面显示窗口。 右键单击 ADAMS/PostProcessor的用户程序主界面的工具条中的页面布局库中的按钮，弹出页面布局库，如图 4-15 所示。点击按钮，将整个页面窗口分为四个小视窗。3. 导入运动仿真过程。 点击激活页面显示窗口

22、的左上视窗， 在该视窗内右键单击， 弹出快捷菜单， 点击 “Load Animation” ， 即可将第四 1图 4-15 布局库步骤的运动仿真过程导入该视窗。 点击工具条或控制区窗口的顶部中的按钮，即可显示六杆机构的运动过程，其他播放功能按钮与第四2步骤地播放按钮功能基本相同。图 4-16 绘制位移滑块曲线时控制区窗口的参数选择4. 绘制滑块“slider”的位移曲线。点击激活页面显示窗口的左下视窗，将鼠标移至控制控制区窗口，在 Data 标签中的“Model”列表框中选择“.linkage” ， “Filter”列表框中选择 “body” ， “Object”列表框中选择“ slider”

23、 ，“Characteristic” 列表框中选 择 “ CM_Position ”，“Component”列表框中选择 “X” ， 如图 4-16 所示。然后点击 该窗口 右边的“Add Curves”按钮，即可在页面显示窗口的左下视窗中显示滑块沿X 向的位移随时间变化的曲线。图 4-17 plot_3 对象5. 修改滑块“slider”的位移曲线的标题。 双击对象结构关系窗口的plot_3 对象，显示其下一级对象，如图 4-17所示。点击其中的 title 对象，并将鼠标移至参数特性编辑窗口， 在该窗口中的文本框中输入：Position，如图 4-18 所示。此时，可看到页面显示窗口的左下

24、视窗中的滑块位移曲线上的标题由原来的 linkage 变为“Position” 。6. 修改滑块“slider”的位移曲线的横纵坐标的标题。点击图 4-17 所示的 haris 对象，并将鼠标移至参数特性编辑窗口， 点击该窗口中 Labels 标签， 然后在其下得 Label 后面的文本框中输入：Time/s，如图 4-19 所示。此时，可以看到页面显示窗口的左下视窗中曲线的横坐标标题变为“Time/s” 。在滑块的位移曲线视窗中，由于其左上角的“-.”框遮挡了曲线的一部分，对观察曲线有影响。因此，可以图4-18 曲线标题参数设置图 4-19 横坐标标题设置在该框上点击鼠标右键，弹出快捷菜单，

25、依次点击Legend：legend_objectDelete，即可将该框删除。也可以按下鼠标左键将其拖动至别处。修改后的位移滑块曲线如图 4-20 所示。7. 重复步骤 4 6 ，绘制滑块沿X 方向的速度和加速度曲线。此时的页面显示窗口如图 4-21 所示。图 4-20 修改标题后的位移滑块曲线8. 观察滑块在 t=0 时的位置、速度和加速度的大小。 点击工具条中的按钮，在工具图 4-21 页面显示窗口条下面弹出一行表格，如图 4-22 所示。当将鼠标在上述建立的曲线上移动时，该表格中的数据会随着鼠标的移动而实时发生变化。 该工具不但能显示曲线上任意一点的坐标值， 而且图 4-22 曲线数据统

26、计列表还能显示曲线的最大、最小值、平均值以及均方根值等等。 现将鼠标移至滑块位移曲线的起始点即曲线与t=0 时纵坐标轴的交点处 ，观察图4-22 所示列表，得到滑块在该位置的纵坐标 Y=430mm,也就是六杆机构处于初始位置时， 滑块在建立模型时所使用坐标系中的横坐标值。按照同样的步骤可以得到滑块位于初始位置时的速度和加速度的大小，分别为：vD=-1050mm/s,aD=/s2。需要注意的是，如果曲线与纵坐标轴的交点比较难捕捉到，可以使用工具条中的工具来放大曲线的局部部位。9. 绘制摇杆rocker的角速度和角加速度曲线。 由于页面显示窗口的四个视窗均已占用，因此，先创建一个新的页面。点击工具

27、条中的按钮，即可完成新页page_2,在对象结构关系窗口中可以看到该对象名称 的创建，而且页面布局与第一个页面一样， 也分为四个视图 4-23 绘制摇杆角速度曲线时控制区窗口的参数选择窗。也可按照第五2步骤的方法修改页面布局，这里保留现有布局。点击激活page_2 页面显示窗口的左上视窗，将鼠标移至控制区窗口，在“Data”标签中的 “Model”列表框中图 4-24 摇杆 rocker 的角速度和角加速度曲线选择 .linkage, “Filter”列表框中选择“ body”， “Object ”列表框中选择“ rocker ” ，“Characteristic” 列表框中选择 “CM _

28、Angular Velocity ” ， “Component” 列表框中选择 “Z” ，如图 4-23 所示。然后点击该窗口右边的“Add Curves ”按钮，即可在页面显示窗口的左上视 窗 中 显 示 摇 杆rocker 的角速度随时间变化的曲线。同理可绘制出摇杆的角加速度曲线，如图 4-24所示。10. 观察摇杆在t=0 时的角速度和角加速度的大小。按照第五 8 步骤的方法，可以容易得到摇杆位图 4-25 退出对话框于初始位置时的角速度和角加速度的大小，分别为：rocker= 5.8333 rad /s,rocker= -19.213 rad/s2。11. 退出“ADAMS/Post

29、Processor”后处理器。点击工具条中的理主界面右上角的按钮，或者点击后处按钮，或者点击菜单栏的“FileClosePlotWindow”, 都可以退出“ADAMS/Post Processor”,并返回“ADAMS/View”主界面。六、六、ADAMS/ViewADAMS/View 的保存与退出的保存与退出1. 保存。点击菜单栏中的“FileSave Database”,“ADAMS/View”自动将结果保存在第一6步骤所设置的保存目录 D:ADAMS下，文件名为： linkage.bin, 即在启动“ADAMS/View”时所输入的文件名。也可以点击菜单栏中的“ FileSave Database As”,将文件保存其他的名字和放在其他目录下。2. 退出。 点击菜单栏中的 “FileExit ”, 弹出对话框如图 4-25 所示， 点击 “Save,thenexit”按钮，即可退出“ADAMS/View” 。