Adams多体动力学仿真软件

Adams软件包括三个核心模块，View（用户界面模块）、Slover（方程求解器）、PostProcessor（仿真结果后处理）。View可以满足一般机械系统的运动学和动力学的仿真，对于一些特殊领域，Adams提供了如Car（轿车模块）、Aircraft Landing Gear（飞机起落架模块）、Rail（铁道模块）等专业软件包。

在Adams的三个基本程序中，Adams/View提供了一个直接面向用户的基本操作对话环境和虚拟样机分析的前处理功能，其中包括样机的建模和样机模型数据的输入与编辑、与求解器（Adams/Slover）和后处理（Adams/PostProcessor）等程序的自动连接、虚拟样机分析参数设置、各种数据的输入和输出、同其他应用程序的接口等。Adams/Solver模块在Adams中处于心脏的地位，它自动形成机械系统模型的动力学方程，提供静力学、运动学和动力学的计算结果。Ad-ams/PostProcessor模块用来输出高性能的动画，各种仿真结果数据曲线，还可以进行曲线编辑和数字信号处理等，使用户可以方便、快捷地观察和研究Adams的仿真结果。用Ad-ams/View进行机械仿真的基本步骤如图6-2所示。

图6-2 虚拟样机仿真分析步骤

以下对主要步骤进行介绍并总结一些在使用中应注意的问题。

1.样机建模

对于虚拟样机的几何建模，Adams提供四种类型的几何体：刚性形体、柔性形体、点质量和地基形体。点质量是指仅有质量而没有惯性矩的点，地基形体指没有质量和速度，自由度为零，任何时候都保持静止的物体。每一个新产生的几何体都设有一个参考坐标系：零件机架坐标系，在仿真过程中，几何体的尺寸和形状相对于该几何体的参考坐标系静止不变。

Adams提供了丰富的基本形体建模工具库，如长方体、圆环等，也可以将若干基本形体通过一定的方式组合，如通过合并两个相交的实体来形成复杂的几何形体，并且可以添加几何体细节结构如边缘倒角、挖空等。除几何形状外，仿真分析时所需的构件特性还包括质量、转动惯量、初始速度等。在几何建模时，程序根据设置的默认值自动确定构件的相关值，也可根据需要修改构件特性。

相对于专业三维实体造型软件如SolidWorks、UG等，Adams在复杂造型这一方面的功能较差，但它提供了一个Exchange（图形接口）模块，其功能是利用IGES、STEP、STL、DWG/DXF等产品数据交换库的标准文件格式完成Adams与其他CAD/CAM/CAE软件之间数据的双向传输，使Adams与CAD/CAM/CAE软件更紧密地集成在一起。Ad-ams/Exchange自动将图形文件转换成一组包含外形、标志和曲线的图形要素，通过控制传输时的准确度获得较为精确的几何形状。

在使用Exchange模块转换CAD图形文件时，应注意以下问题：

1）在转换图形文件时，如遇到Adams不支持的图形信息，Exchange将采用线性近似技术转换图形。如将IGES格式图形文件中的一些非线性形体转换为多边形或多边线。

2）构件的质量信息是进行仿真的重要基础数据，在转换CAD图形文件时，可能会丢失构件的质量和转动惯量信息，因此在输入图形后，应检查构件这一信息，必要时重新输入。

3）在CAD应用程序中确立的零件装配关系，Adams中可能不再使用，此时需要采用一些特殊的方法来重新确定。

2.样机约束的施加

建模时，可以通过各种约束关系限制构件之间的某些相对运动，并以此将不同构件组成一个机械系统，被连接的构件可以是刚体构件、柔性构件或者点质量。Adams可以处理四种类型的约束。

（1）常用运动副约束，如转动副、棱柱副等。这类约束通过约束不同构件间的旋转和移动自由度来使构件按需要运动。

（2）指定约束方向，即限制某个运动方向，如限制一个构件总是沿着平行于另一个构件的方向运动。

（3）接触约束，定义两构件在运动中发生接触时是怎样相互约束的。

（4）运动约束，如指定一个构件遵循某个时间函数按指定的轨迹规律运动。这类约束通过定义机构遵循一定的规律进行运动，可以约束机构的某些自由度，另一方面也决定了是否需要施加力来维持所定义的运动。

在添加约束时应注意以下几个方面：

1）应逐步对构件施加各种约束，并经常对施加的约束进行试验，保证没有约束错误，要注意选择对象的顺序和约束方向是否正确，Adams中设定两个被连接的构件中，构件1被连接到构件2上面。

2）应该注意约束的方向是否正确。错误的约束方向可以导致某些自由度没有被约束而使系统运动混乱。

3）尽量用一个运动副约束来完成所需的约束，如果使用多个，每个运动副约束实现的自由度约束有可能重复，这样会导致无法预料的结果。(www.xing528.com)

4）在没有作用力的状态下，通过运行系统的动力学分析来检验样机的各种约束是否加的正确。

3.仿真分析

在建模和正确施加约束后，就可以对系统进行仿真。在仿真前，应确定仿真分析要求获得的输出，并且进行一些最后的检验，建立正确的初始条件，然后设置相关参数，如分析类型、时间、分析步长和分析准确度等。Adams/View可以自动调用求解程序，再由求解程序完成以下四种类型的仿真分析：

1）动力学仿真（Dynamic）。通过求解一系列非线性微分方程和代数方程，仿真分析自由度大于零的复杂系统的运动和各种力。

2）运动学仿真（Kinematics）。通过求解一系列代数方程组，仿真分析自由度等于零并有确定运动系统的运动。

3）静态分析（Static）。通过力的平衡条件，求解构件各种作用力的静态分析。

4）装配分析（Assemble）。用于发现校正装配和操作过程中的错误连接，以及不恰当的初始条件。

完成仿真分析后，程序自动回到View界面，因此可以视Solver为一个黑匣子。Adams/Solver默认的仿真输出包括两大类：一类是样机各种对象（构件、力、约束等）的基本信息的描述，如构件质心位置等；另一类输出是各种对象的有关分量信息，如构件在X、Y、Z方向的分力和总的合力等。此外，还可以利用Adams/View提供的测量手段和指定输出方式自定义一些特殊的输出。

仿真结果的后处理是通过调用独立的PostProcessor来完成的，这个模块主要提供仿真结果的回放和分析曲线绘制功能。通过仿真结果的后处理，可以完成以下工作：①对进一步调试样机提供指导；②可以通过多种方式验证仿真结果；③可以绘制各种仿真分析曲线并进行一些曲线的数学和统计计算；④可以通过图形和数据曲线比较不同条件下的分析结果。

一般程序默认的仿真初始设置是较理想的，不要随便改动。在对一个新的样机分析的时候，应该最少进行不同迭代准确度的多次分析，比较前后两次不同准确度时的仿真结果，在两种不同的迭代分析结果基本相同时，才可以认为获得了较可靠的仿真结果，而且此时的迭代准确度是最佳的迭代准确度。

4.精制模型

初步仿真结果和实际情况还相差很大，因为在实际的系统中，存在着许多未知参数，如弹簧的阻尼系数、各种类型的摩擦系数等，这就需要把仿真结果同某些在实际中容易测量的量的实验曲线相对比，然后精制模型。在Adams中实验数据可以以文本的格式输入，并以图形的方式显示出来。精制模型是指通过修改各种约束的参数来使样机与实际情况更接近。如Adams在定义接触副时有两个接触物体的刚度系数，产生接触力的非线性指数，最大黏滞阻尼系数，最大阻尼时物体的变形深度，动、静态阻尼系数等参数，定义转动副时有转动摩擦力矩臂长，摩擦力矩预载荷，动、静态摩擦力矩阻尼系数等参数，通过调节这些参数的值可以使仿真结果与试验结果得到很好的吻合。

5.参数化建模与设计

精制模型后就可以仿真某些不易测量的量，但在实际应用过程中，有时需要对虚拟样机可能出现的情况作进一步的深入分析，并进行优化设计。这时利用Adams提供的参数化建模和参数化分析功能可以大大提高分析效率。通过参数化建模，可以将参数值设置为可以改变的变量。在分析过程中，只需改变样机模型中有关的参数，程序可以自动更新整个样机模型，还可以有程序根据预先设置的可变参数，自动进行一系列仿真分析，观察不同参数值下样机的变化。

进行参数化设计分析的第一步，是确定影响样机性能的关键输入值，然后对这些输入值进行参数化处理。Adams提供了参数表达式、参数化点坐标、运动参数化和设计变量四种参数化方法。

除了四种参数化方法，Adams还提供了几种参数化分析工具。参数化分析中，Adams采用不同的设计参数，自动运行一系列仿真分析，然后返回分析结果，这样就可以观察设计参数变化的影响。

Adams提供三种参数化分析过程：①设计研究（Design Study）：设计研究考虑一个设计变量的变化对样机性能的影响；②试验设计（Design of Experiments）：试验设计可以考虑多个设计变量同时发生变化时对样机性能的影响；③优化分析（Optimization）：通过优化分析，可以获得在给定设计变量变化范围内，目标对象达到最大或最小值的工况。

根据图6-2的步骤可以完成一个复杂的机械系统的仿真，但为了使仿真能够顺利地进行，在仿真中应注意以下几个问题：

1）在最初的仿真分析建模时，不必过分追求几何形体的细节部分同实际零件完全相同，因为这要花费大量的几何建模时间，而此时的关键是能够顺利进行仿真并获得初步的结果。从软件的求解原理来看，只要仿真构件几何形体的质量、质心位置、惯性矩和惯性积同实际构件相同，仿真结果是等价的。待获得满意的仿真分析结果以后，再完善零件几何形体的细节部分和视觉效果。

2）如果模型中含有非线性的阻尼，可以先从分析线性阻尼开始，待线性阻尼分析顺利完成后，再改为非线性阻尼进行分析。

3）在进行较复杂的系统仿真时，可以将整个系统分解为若干个子系统，先对这些子系统进行仿真分析和试验，逐个排除建模等仿真过程中隐含的问题，最后进行整个系统的仿真分析试验。

4）虽然Adams/View可以进行非常复杂的机械系统的分析，但在设计虚拟样机时，应该尽量减小系统的规模，仅考虑影响样机性能的构件。