系统动力学与仿真13PPT课件

机械系统动力学及仿真 软件ADAMS应用
郭良斌
2011.9
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第一章 绪 论
1.1 系统与机械系统
一、系统的定义： 系统是由相互联系、相互制约、相互依存的若干 部分结合在一起而形成的具有特定功能和运动规 律的有机整体。
系统的特点：
第一，系统的整体性；
第二，系统的相关性；
第三，系统具有等级结构性； 2
一、系统模型的概念 ➢系统模型：是对系统的简化和抽象。
模型可以描述系统的本质和内在联系，通过 对模型进行分析和研究，以达到了解原系统的 目的； ➢物理模型 根据相似性理论制造的按一定比例缩小或放大 的实物； ➢数学模型 是系统的本质特征的数学表达式，即用数学 公式来描述所研究的系统的某一方面的规律 4
三、传统的产品开发流程
概念 设计
详细 设计
制造物 理样机
物理样 产品定 机测试 型生产
发现问题，修改设 计并重新制造样机
➢ 传统的产品开发过程实际上是基于实物或半实物模 型(样机)的仿真实验过程
➢ 传统的产品开发过程，是一个周而复始的设计－实 验－设计过程，对于结构复杂的系统，这一过程是 冗长的，需要耗费大量的时间和资金；
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➢ 上述方程表明：在理想约束的条件下，质点
系的各个质点在任一瞬时所受的主动力和惯
性力在虚位移上所作的虚功的和等于零。上
述方程称为动力学普遍方程。
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上图的双轮滚动系统，两个均质轮子的半径皆为 r，中心用连杆相连，在倾角为α的斜面上作纯滚 动。设轮子的重量皆为P，对轮心的转动惯量皆 为I，连杆重为Q，求连杆运动的加速度a。 15
✓虚拟样机技术实现了数字样机与试验环境的集成， 是计算机仿真技术的深化和扩展。
概念 设计
详细 设计
虚拟样机 测试
产品定型 生产
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虚拟样机技术的成功应用范例：波音777飞机的 研制：
波音777飞机的研制采用了全数字化的虚拟样机技术 ✓整机外形、结构件和各飞行系统100%采用三维数字 化定义，100%应用数字化预装配 ✓整个设计制造过程没有完整的模型样机，一次定型 生产成功 ✓波音777成本降低了25%，出错返工率减少了75％， 制造周期缩短了50%
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ADAMS软件也是一个虚拟样机的开发平台： ✓其开放性的程序结构和多种接口，可以成为不同专
业领域用户进行特定专业类型虚拟样机分析的二次 开发平台
✓例如，在ADAMS核心模块基础上开发的专业轿车模块 ADAMS/car，就是一个程师可以建立整车的虚拟样机， 修改各种参数并快速观察车辆的运转状态、动态显 示仿真数据结果
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ADAMS软件首先是一个虚拟样机仿真分析软件：
✓它使用交互式的图形环境和零件库、约束库、力库， 创建完全参数化的机械系统动力学模型
✓可对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分 析
✓后处理程序可输出各构件的位移、速度、加速度和 反作用力曲线及动画仿真
✓可用于预测机械系统的性能、运动范围、碰撞检测、 峰值载荷；计算构件的约束反力作为有限元分析的输 入载荷等
二、机械系统的组成及特点
定义：是能够完成机械功或转化机械能的机构 或机构的组合
➢ 机构：是一种用来传递运动和力或改变运动形 式的机械装置。任一机构都是由两个以上的构 件组合而成的
特点： ➢ 机械系统的构件间存在着相对运动 ➢ 相对运动的形式由联接各构件的运动副决定
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1.2 系统仿真与虚拟样机技术
优点：是直观和形象。在计算机问世以前，实验研 究基本上都是物理仿真
缺点：模型难以改变，实验限制多，投资较大
数学仿真：在建立的系统数学模型上进行实验的过程。 也称为计算机仿真
缺点：过分依赖所建立的数学模型，而有些系统是 难以建立较精确的模型的；
半实物仿真：将数学模型与实物模型相结合进行实验 的过程；
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• 用户只要在模板中输入必要的数据，ADAMS/car就 可以自动建立子系统和整车装配模型
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1.3 虚拟样机技术应用软件ADAMS 的核心基础理论
➢ 计算多刚体系统动力学：采用程式化的方法， 利用计算机来解决复杂机械系统的运动学与动 力学的自动建模与数值分析。
✓1.1687年，牛顿建立了牛顿方程，解决了质点的运 动学和动力学问题
( 2 P g Q g )x 2 M g ( 2 P Q ) s i nx 0
二、系统仿真(Simulaton) ：
指以计算机为工具，用模型来模仿实际系统，代替
实际系统来进行实验和研究的一门综合性技术。
系统仿真的三要素 ：系统、模型和计算机
抽象
系统
仿真实验
实物模型或 数学模型
计算机
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根据使用模型的不同，仿真可分为：物理仿真、数学 仿真和半实物仿真。 物理仿真：指在实物模型上进行实验的过程。
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五、虚拟样机的开发与分析软件
✓90年代，在Chace的ADAMS计算程序的基础上，美 国MDI(Mechanical Dynamics Inc.)公司开发了机械 系 统 运 动 学 与 动 力 学 仿 真 软 件 ADAMS(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems) ✓在Haug的DADS计算程序的基础上，比利时LMS公 司开发了机械系统运动学与动力学仿真软件 DADS(Dynamic Analysis and Design System)
✓2.欧拉于1725年提出刚体的概念，采用反作用力的 概念隔离刚体以描述铰链等约束
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✓3.1743年，达朗贝尔研究了约束刚体系统，区分了 作用力和反作用力，提出达朗贝尔原理和虚位移原 理。这两个基本定律构成了理论力学中分析动力学 问题的基本方法。
在理想约束的条件下，即不考虑摩擦或摩擦力不做 功，根据虚功原理，有：
➢ 缩短开发周期、提高产品质量、降低成本并对市场
做出灵活反应成为生产商所追求的目标；
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四、虚拟样机技术(Virtual Prototype)
✓利用CAD中的三维几何造型技术，在计算机中建立 产品的几何模型
✓采用计算机仿真技术在几何模型之上附加其它的功 能特性，使之成为产品的数字样机（虚拟样机）
✓再利用虚拟现实技术构建虚拟实验场，用虚拟模型代 替实物模型进行虚拟实验，实现对设计的验证