1、 毕业设计文献综述 机械设计制造及其自动化 基于 ADAMS 的凸轮机构设计与三维建模仿真 前言 随着世界经济和科学技术的飞速发展 ,全球性的市场竞争日益激烈。产品消费结构不断向多元化、个性化方向发展。传统的样机的单机手工制造增加了成本 ,严重地制约了产品质量提高、成本降低和对市场的占有。无法从根本上解决和从总体上把握产品设计的时间、质量、成本等问题。要对快速多变的市场需求做出敏捷响应 ,就必须寻求先进的设计方法和手段 ,虚拟样机技术就是在这种迫切需要驱动下产生的。 它已经突破了二维图纸电子化的框架，转向以三维实 体建模、动力学模拟仿真和有限元分析为主线的机械系统动态仿真技术。其研究范围主要是
2、机械系统运动学和动力学分析，核心是利用计算机辅助分析技术进行机械系统的运动学和动力学分析，以确定系统及其各构件在任意时刻的位置、速度和加速度。 主题 ADAMS 软件 一经问世，便逐步为广大工程技术人员所接受，因为它可以为开发者带来时间和金钱上的节省，这一点对各行业的开发商具有极大的吸引力。目前虚拟样机技术在发达国家，如美国、德国、日本等都得到广泛的应用，主要应用领域在航空航天、武器制造、船舶制造、工程机械、汽车制造等诸多方面。 机械系统动态仿真技术又称为虚拟样机技术 1,2,5,8，是国际上 20 世纪 80 年代随着计算机技术的展而迅速发展起来的一项计算机辅助工程（ CAE）技术。它是一种
3、崭新的产品开发方法，是一种基于产品的计算机仿真模型的数字化设计方法。这些数字模型即虚拟样机将不同工程领域的开发模型结合在一起，它从外观、功能和行为上模拟真实产品，支持并行工程方法学。机械系统动态仿真技术涉及多体系统运动学与动力学建模理论及其技术实现，是基于先进的建模技术、多领域仿真技术、信息管理技术、交互式用户界面技术和虚拟现实技术的综合应用技术。 机 械系统动态仿真技术是在 CAx(如 CAD、 CAM、 CAE 等 )和 DFx（ DFA、 DFM等）技术基础上的发展，它进一步融合信息技术、先进制造技术和先进仿真技术，将这些技术应用于复杂系统全生命周期、全系统，并对它们进行综合管理。传统的
4、机械设计方法是“由下到上”，即从部件设计到整机设计，这种方式的弊端是过分注重细节而忽略了系统整体性能。设计人员借助于机械系统动态仿真技术，使设计过程先从整机开始，按照“由上至下”的顺序进行，从而可以减少代价昂贵的系统设计造成的无谓失误。 对机械系统建立虚拟样机后，设计者可以在虚拟环境 中模拟系统的运动，得到系统的三维动态效果，完成无数次物理样机无法进行（成本和时间条件不允许）的仿真试验，并通过反复修改系统动力学模型，进行不同设计方案的仿真试验，这种在不浪费制造和试验物理样机所需时间和经费的前提下，就可获得最优的设计方案。运用这一技术，可以大大简化机械产品的开发过程，大幅度缩短产品开发周期，大量
5、减少产品开发费用和成本，明显提高产品质量，提高产品的系统级性能，获得最优化和创新的设计产品。 ADAMS 一方面是虚拟样机分析的应用软件，用户可以运用该软件非常方便地对虚拟机械系统进行静力学、运动学和 动力学分析。另一方面，又是虚拟样机分析开发工具，其开放性的程序结构和多种接口，可以成为特殊行业用户进行特殊类型虚拟样机分析的二次开发工具平台。 为一项工程分析技术日益显示出强大的生命力，它可以帮助设计人员在设计早期阶段通过虚拟样机，在系统水平上真实地预测机械结构的工作性能，实现系统的最优设计。 ADAMS 是该领域具有代表性的软件系统，基本的 ADAMS 配置方案包括交互式图形环境 ADAMS/
6、View 和求解器 ADAMS/Solver。 ADAMS/Solver 自动形成机械系统模型的动力学方程，并提供静力学、运动学和 动力学的解算结果。ADAMS/View 采用分层方式完成建模工作。物理系统由一组构件通过机械运动副连结在一起，弹簧或运动激励可作用于运动副，任意类型的力均可作用于构件之间或单个构件上，由此组成机械系统。仿真结果采用形象直观的方式描述系统的动力学性能，并将分析结果进行形象化输出 。 Adams 软件 涉及多体系统动力学与动力学建模理论及技术实现，是基于先进的建模技术、多领域仿真技术、信息管理技术、交互式用户界面技术和虚拟现实技术的综合应用技术。虚拟样机技术将传统的经
7、验设计方法改为预测方法，具有无法比拟的优点 ： ADAMS（机械系统自动动力分析）是以近 14 年发展起来的多体系统动力学理论为基础而开发出的目前世界范围内使用最广泛的大型机械系统仿真分析软件。它使用交互式图形环境和零件库、约束库、力库，创建完全参数化的机械系统几何模型，其求解器采用多刚体系统动力学理论中的拉格朗日方程方法，建立系统动力学方程，对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析，输出位移、速度、加速度和反作用力曲线。 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。但是，尽管 ADAMS具有强大的三维实体 建模能力、先进的数值分
8、析技术和强有力的求解器，对于复杂的多体机械系统，因其经历大位移时导致强非线性，在求解过程中还是会出现数值发散问题，致使仿真失败。因此有必要了解 ADAMS 的分析计算方法。 ADAMS 的分析计算方法 ADAMS2,3,4,6,8采用世界上广泛流行的多刚体系统动力学理论中的拉格朗日方程方法，建立系统的动力学方程 7,12。它选取系统内每个刚体质心在惯性参考系中的三个直角坐标和确定刚体方位的三个欧拉角作为笛卡尔广义坐标，用带乘子的拉格朗日方程处理多余坐标的完整约束系统或非完整系统，导出以 笛卡尔广义坐标为变量的运动学方程。 ADAMS 的计算程序应用了吉尔（ Gear）的刚性积分算法以及稀疏矩阵
9、技术，大大提供了计算效率。 总结 虚拟样机技术是一门新兴的技术 ,有着广阔的市场发展前景。应用虚拟样机技术进行产品机构设计 ,在设计阶段可以预测产品的性能 ,使产品在投入生产之前进行优化以提高其质量 ,从而减少试验样机的数量 ,缩短产品开发周期 ,进而降低开发成本 ,提高市场竞争力。 ADAMS 是目前最优秀的虚拟样机软件 ,其软件界面良好 ,功能强大 ,是性能稳定的商品化虚拟样机软件。基于 ADAMS 的虚拟样机技术已经广泛地应用到 汽车制造业、工程机械制造业、航天航空业、国防工业及机械制造业等领域并且已为各领域中的产品设计和科学研究做出了很大贡献 参考文献： 1 王国强 .虚拟样机技术及其
10、在 ADAMS 上的实践 M.西安：西北工业大学出版社 ,2002. 2 郑建荣 .ADAMS 虚拟样机技术入门与提高 M.北京：机械工业出版社 ,2001. 3 李军 .ADAMS 实例教程 M.北京：北京理工大学出版社 ,2002. 4 陈立群 ,张云清 .机械系统动力学分析及 ADAMS应用教程 M.北京：清华大学出版社 ,2005. 5 熊光楞 ,李伯虎 ,柴旭东 .虚拟样机技术 J.系统仿真学报 , 2001， 13（ 1）： 114117. 6 陈立平 ,张云清 ,任卫群等 .机械系统动力学分析及 ADAMS 应用教程 M.北京：清华大学出版社 ,2005. 7 邓习树，吴运新，李
11、自光 ADAMS 软件在工程机械领域中的应用 J中国工程机械学报，2005， 3（ 2）： 229240 8 王成，王效岳虚拟样机技术及 ADAMSJ机械工程与自动化， 2004(6)： 6668 9 韩宝菊，徐剑波基于 ADAMS 的凸轮机构设计与仿真 J机械工程师， 2007(1)： 9192 10 吴庆鸣，梅华锋，张志强基于 ADAMS 的连杆机构多体动力学仿真研究 J工程设计学报， 2005， 12(6)： 344347 11 侯红玲，赵永强魏，伟锋基于 ADAMS 的平面杆机构运动分析与仿真 J机械， 2005，32(6)： 3335 12 芮执元，魏兴春，冯瑞成基于 ADAMS 的虚拟样机技术及其在机构设计中的应用 J科学技术与工程， 2006， 6(19)： 31113114
