数字化功能样机与机械系统动力学分析

在虚拟样机的基础上，人们又提出了数字化功能样机（Functional Digital Prototy ping）的概念，这是在CAD/CAM/CAE技术和一般虚拟样机技术的基础之上发展起来的。其理论基础为计算多体系动力学、结构有限元理论、其他物理系统的建模与仿真理论，以及多领域物理系统的混合建模与仿真理论。该技术侧重于在系统层次上的性能分析与优化设计，并通过虚拟试验技术，预测产品性能。基于多体系统动力学和有限元理论，解决产品的运动学、动力学、变形、结构、强度和寿命等问题。而基于多领域的物理系统理论，解决较复杂产品的机—电—液—控等系统的能量流和信息流的耦合问题。

数字化功能样机的内容如图10-2所示，它包括计算多体系统动力学的运动/动力特性分析，有限元疲劳理论的应力疲劳分析，有限元非线性理论的非线性变形分析，有限元模态理论的振动和噪声分析，有限元热传导理论的热传导分析，基于有限元大变形理论的碰撞和冲击的仿真，计算流体动力学分析，液压/气动的控制仿真，以及多领域混合模型系统的仿真等。

图10-2 数字化功能样机的内容

多个物体通过运动副的连接便组成了机械系统，系统内部有弹簧、阻尼器、制动器等力学元件的作用，系统外部受到外力和外力矩的作用，以及驱动和约束。物体分柔性和刚性之分，而实际上的工程研究对象多为混合系统。机械系统动力学分析和仿真主要是为了解决系统的运动学、动力学和静力学问题。其过程主要包括：

物理建模：用标准运动副、驱动／约束、力元和外力等要素抽象出同实际机械系统具有一致性的物理模型；(www.xing528.com)

数学建模：通过调用专用的求解器生成数学模型；

问题求解：迭代求出计算解。

实际上，在软件操作过程中数学建模和问题求解过程都是软件自动完成的，内部过程并不可见，最后系统会给出曲线显示、曲线运算和动画显示过程。

美国MDI（Mechanical Dynamics Inc.）最早开发了ADAMS（Automatic Dynamic Analysis of Mechanical System）软件ADAMS，应用于虚拟方针领域，后被美国的MSC公司收购为MSC.ADAMS。SolidWorks Motion正是基于ADAMS解决方案引擎创建的。通过SolidWorks Motion可以在CAD系统构建的原型机上查看其工作情况，从而检测设计的结果，例如电动机尺寸、连接方式、压力过载、凸轮轮廓、齿轮传动率、运动零件干涉等设计中可能出现的问题。进而修改设计，得到了进一步优化了的结果。同时，SolidWorks Motion用户界面是SolidWorks界面的无缝扩展，它使用SolidWorks数据存储库，不需要SolidWorks数据的复制/导出，给用户带来了方便性和安全性。