基于Pro/E和ADAMS的動力學聯(lián)合仿真研究

羅錦華 章程 趙成宏

（中國船舶重工集團公司七一二研究所，武漢 430064）

1 引言

隨著科學技術的發(fā)展，尤其是計算機技術、CAD/CAM/CAE技術以及多體系統(tǒng)動力學理論的日臻成熟，以系統(tǒng)建模和仿真技術為核心的虛擬樣機技術得到了廣泛的應用，為解決實際工程分析提供了一個理想平臺。通過仿真、分析，評估系統(tǒng)的性能，可為物理樣機的參數(shù)設計和制造提供依據(jù)。其中應用廣泛、具有代表性的軟件系統(tǒng)有：機械系統(tǒng)動力學自動分析軟件ADAMS( Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems )、動力學分析和設計系統(tǒng)軟件 DADS ( Dynamic Analysis and Design System )、新一代多體動力學分析軟件Recur Dyn(Recursive Dynamic)等。這些軟件集成了最新的多體系統(tǒng)動力學理論成果、各種方便的建模工具、高效的求解器、功能強大的后處理模塊以及可視化界面等，用它們來建立機械系統(tǒng)的仿真模型，用戶可以將注意力放在改進模型設計上，而不必關心建立方程、求解方程這些在過去要耗費大量精力的工作，從而大大提高了機械系統(tǒng)仿真的效率。盡管這些動力學軟件都具有一定的三維建模功能，但對于復雜機械系統(tǒng)或零部件幾何外形不規(guī)則的情況，就顯得力不從心，所以一般用專業(yè)的 CAD建模軟件和專業(yè)動力學仿真軟件進行聯(lián)合仿真。目前國內這方面常見的是用美國PTC公司的Pro/E軟件與美國MDI公司的ADAMS軟件結合來開發(fā)復雜機械系統(tǒng)的虛擬樣機。

2 Pro/E和ADAMS軟件介紹

Pro/E軟件是美國參數(shù)技術公司(Parametric Technology Corporation，簡稱PTC)的重要產(chǎn)品。在目前的三維造型軟件領域中占有著重要地位，并作為當今世界機械 CAD/CAE/CAM 領域的新標準而得到業(yè)界的認可和推廣。軟件包Pro/Engineer是該系統(tǒng)的基本部分，其主要功能包括參數(shù)化定義、實體零件及組裝造型，三維上色實體或線框造型等。

ADAMS (Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems)軟件是美國 MDI公司(Mechanical Dynamics Inc.)開發(fā)的目前最權威的機械系統(tǒng)運動學與動力學仿真計算的商用軟件。它使用交互式圖形環(huán)境和零件庫、約束庫、力庫，創(chuàng)建完全參數(shù)化的機械系統(tǒng)幾何模型，其求解器采用多剛體系統(tǒng)動力學理論中的拉格郎日方程，建立系統(tǒng)動力學方程，對虛擬機械系統(tǒng)進行靜力學、運動學和動力學分析，輸出位移、速度、加速度和反作用力曲線，通過在計算機上創(chuàng)建虛擬樣機來模擬復雜機械系統(tǒng)的整個運動過程，從而達到改進設計質量、節(jié)約成本、節(jié)省時間的目的。其核心 模 塊 包 括 ADAMS/View 和ADAMS/Solver。

3 Pro/E和ADAMS的聯(lián)合仿真

在利用Pro/E和ADAMS進行聯(lián)合設計時，一般先在Pro/E中實現(xiàn)三維特征建模，利用Pro/E生成零件實體，然后裝配成運動部件并進行干涉檢查，再將整個模型傳送給ADAMS，在ADAMS中完成仿真參數(shù)的設定，產(chǎn)生參數(shù)化的機構模型，并進行動力學仿真。一般情況下的聯(lián)合仿真設計流程如圖1所示。

由于選用的 CAD軟件和動力學仿真軟件是兩個不同公司的產(chǎn)品，這就存在模型傳遞過程中圖形數(shù)據(jù)交換的問題，Pro/E與 ADAMS間進行圖形數(shù)據(jù)傳遞的方法主要有兩種：一是通過標準圖形格式轉換，即將Pro/E創(chuàng)建的模型存儲為中性文件格式，然后通過ADAMS的圖形接口模塊ADAMS/Exchange導入仿真環(huán)境；二是使用Pro/E和ADAMS的專用數(shù)據(jù)接口模塊Mechanism/Pro。

Pro/E與 ADAMS共同支持的中性文件格式主要有：IGES、STE、DXF/DEG、SLA、Render等，但由于在傳遞過程中圖形元素丟失過多，比如不可避免地產(chǎn)生丟面破面的問題以及點線數(shù)據(jù)的丟失現(xiàn)象，所以一般不提倡采用。

Mechanism/Pro是MDI公司為ADAMS開發(fā)的針對Pro/E軟件的專用接口模塊，是連接Pro/E與ADAMS之間的橋梁，二者采用無縫連接的方式，安裝便捷。安裝好后，打開裝配模型體，它作為一個懸掛菜單出現(xiàn)，用戶不必退出熟悉的Pro/E環(huán)境，就可以將裝配的總成根據(jù)其運動關系定義剛體和施加約束，并且可以利用 ADAMS的求解器進行動力學仿真分析。使用Mechanism/Pro模塊對機械系統(tǒng)模型進行數(shù)據(jù)傳送時，一般遵循以下步驟：

圖1 聯(lián)合仿真設計流程圖

1) 在 Pro/E環(huán)境中創(chuàng)建裝配模型：利用Pro/E強大的三維建模功能創(chuàng)建模型，建立機械系統(tǒng)各零件并進行裝配。

2) 定義剛體：根據(jù)設計意圖，將裝配模型中沒有相對運動的零件定義為一個剛體，同時指定一個剛體為大地，作為大地的剛體應該是在對模型進行動力學仿真分析時一直固定不動的剛體，它是其它剛體運動的參考基準。

3) 在接口軟件 Mechanism/Pro下對裝配機構進行ADAMS軟件可以識別的運動副的創(chuàng)建。

4) 通過接口軟件 Mechanism/Pro對機構施加驅動和載荷。

5) 把定義好的機構通過接口導入到ADAMS，然后對其進行動力學仿真分析。

4.活塞連桿機構聯(lián)合仿真分析

4.1 Pro/E三維建模

活塞連桿機構主要由活塞、汽缸、連桿及曲柄軸等組成，在Pro/E中建立活塞連桿機構的各零部件，裝配后得到活塞連桿機構實體模型，見圖2所示。

圖2 活塞連桿機構零件及裝配件Pro/E三維模型

4.2 機構模型數(shù)據(jù)的傳送

在 Pro/E環(huán)境中，利用Mechanism/Pro模塊定義好剛體，增加運動約束與驅動，并施加載荷，最后將Pro/E中的活塞連桿機構裝配件模型傳送到ADAMS中進行動力學仿真分析。將活塞頂面的中心點 piston_top設置為測量點，用以記錄活塞的位移、速度和加速度，同時測量汽缸與曲柄軸的連接處鉸鏈 joint_1上所作用的力。導入到ADAMS的模型及測量點如圖3所示：

圖3 活塞連桿機構的虛擬樣機模型

測量點piston_top的位移、速度和加速度以及joint_1處所受的力隨時間的變化曲線分別見圖4～圖7所示。

4 結束語

Pro/E和 ADAMS作為三維建模領域和動力學仿真分析領域的優(yōu)勢產(chǎn)品，二者的聯(lián)合仿真廣泛應用于機械設計、產(chǎn)品開發(fā)、工程校驗等過程中。本文對在二者間進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)南嚓P技術進行了說明，并通過實例說明了這種方法是行之有效的，不僅提高了數(shù)據(jù)轉換的可靠性，還提高工作效率和分析精度，對從事這方面工作的人員具有一定參考意義。

圖4 活塞位移曲線

圖5 活塞速度曲線

圖6 活塞加速度曲線

圖7 曲柄軸與汽缸轉動鉸鏈處的受力曲線

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