基于ADAMS 的新產品開發設計

蔣新雅，王金龍

(四川大學，四川 成都 610064)

0 引言

在傳統的設計和制造過程中，研發新產品通常要經過設計、樣機試制、工業性試驗、改進定性和批量生產幾個步驟，只有通過周而復始的設計——試驗——設計過程產品才能達到要求的性能［1］。這種物理樣機的設計研發模式存在嚴重的缺陷，即成本高、周期長，往往使得物理樣機的反復性試驗不夠充分?；谖锢順訖C上的設計試驗過程嚴重制約了產品的品質提高、成本的降低和對市場的占有。虛擬樣機技術可使產品設計人員在各種虛擬環境中真實的模擬產品整機的運動及受力情況，快速分析多種設計方案，進行對物理樣機而言難以進行或根本無法進行的試驗，直到獲得優化設計方案［2］。

本文主要通過一個實例具體來說明運用多體動力學軟件ADAMS 開發一個新產品的設計過程，可為產品開發提供一條種新的途徑，同時這也是以后產品開發的主流趨勢。

1 ADAMS 虛擬樣機技術

所謂虛擬樣機技術就是在建造第一臺物理樣機之前，利用計算機技術建立產品的計算機模型，通過基于實體可視化的仿真分析，模擬該產品在真實工作環境條件下的運動和動力特性，并反復修改設計，而得到最優設計方案［3］。ADAMS 是世界范圍內第一個具有仿真整個機械系統工作性能的大型仿真分析系統［4］。

本文選用的是一個經典機構—彈簧掛鎖。該機構掛鎖共有十二個，在Apollo 登月計劃中，被用來夾緊登月倉和指揮服務倉。其物理樣機模型和虛擬樣機模型如圖1所示。Hook:掛鉤;Coupling member:連接成員。

圖1 物理樣機模型

1.1 設計要求

1)能產生至少800 N 的夾緊力;2)手動夾緊，用力不大于80 N;3)手動松開時做功最少;4)必須在給定的空間內工作;5)有震動時，仍能保持可靠夾緊。

1.2 彈簧掛鎖模型的工作原理

在POINT－4(D)處下壓操作手柄(handle)，掛鎖就能夠夾緊。下壓時，曲柄(pivot)繞POINT－1(A)順時針轉動，將鉤子(hook)上的POINT－2(B)向后拖動，此時，連桿(slider)上的POINT－5(E)向下運動。當POINT－5(E)處于POINT－6(F)和POINT－3(C)的連線時，夾緊力達到最大值。POINT－5(E)應該在POINT－6(F)和POINT－3(C)連線的下方移動，直到操作手柄(handle)停在鉤子(hook)上部。這樣使得夾緊力接近最大值，但只需一個較小的力就可以打開掛鎖。

1.3 建立虛擬樣機模型

在ADAMS 中按照該機構的實際尺寸和形狀建立初始模型，根據實際的運動情況在各個部件之間施加相應的約束與載荷。添加約束和載荷時應注意選擇約束和載荷的類型、作用部件、作用點和方向。在依次完成導入幾何建模、約束的施加、載荷的施加后，在ADAMS 軟件中建立起來的整個虛擬樣機如圖2 所示。

圖2 虛擬樣機模型

1.4 測試初始模型

通過作用在操作手柄上端80 N 的力來產生至少800 N的夾緊力，來對該機構進行一次動態仿真。當D 處于F 和C 的連線時，夾緊力達到最大值。通過測量角度來反映手柄壓下的行程，彈簧掛鎖鎖緊時，手柄需要壓過鎖緊點位置，從而保證掛鎖處于自鎖狀態。借助傳感器使該角度在不小于0°時仿真停止，再進行一次動態仿真來測量彈簧力和角度的變化值，仿真結果如圖3 所示。

圖3 仿真結果

1.5 檢測測試結果

下面調入物理樣機試驗數據，將模擬仿真結果與物理樣機試驗數據對照比較，如圖4 所示。驗證了所設計方案的可行性。

圖4 模擬樣機與物理樣機對比結果

1.6 虛擬樣機模型參數化的優化

a)參數化模型

本文的虛擬樣機模型是依附于設計點建立的，因此采用參數化點坐標的方法。將設計點的坐標參數化，可以自動地修改與設計點有關的對象，并利用這些點產生新的構件，當這些設計點的參數改變時，與其相關聯的幾何形體也將自動更新，得到新的虛擬樣機模型，故通過將點的坐標參數化可以實現彈簧掛鎖機構模型的參數化［5］。本文將設計點POINT－1 作為原點，其參數值不變，對設計點POINT－2 一POINT－6 的橫坐標和縱坐標進行參數化處理，創建設計變量DV－1～DV－10。

b)優化設計

優化分析是ADAMS/View 提供的一種高級參數化計算、分析工具，在設定的變化范圍內，通過分析程序自動地調整設計變量，求取最佳設計。樣機優化設計方法有2種:1)同時考慮各個設計變量，進行仿真分析，得出優化結果，這種方法在設計變量較少時適用;2)先分別對每個設計變量進行優化靈敏度分析，選取靈敏度最高，即對設計影響最大的幾個變量進行調整，得出優化結果，該方法在設計變量較多時適用［6］。本文采用2)方法，優化目標是使彈簧掛鎖機構夾緊力達到最大。

為了對虛擬樣機模型進行細化處理，需要創建設計變量，并對設計變量值進行設計。用設計變量代替虛擬樣機模型中設計點的x 和y 坐標值。但為了保證機構的封閉性要求，保留手柄端點point－4 坐標值為常數。設計變量設置如圖5 所示。

圖5 變量設置

1.7 虛擬樣機模型設計研究

為快速地獲得虛擬樣機的改善模型，在滿足手柄能通過死點的條件下，需要對一些點進行設計方案研究，從中找出一種較優的方案使夾緊力最大，同時可以迅速確定設計變量的取值范圍。下面對其中DV－1 變量方案評估，評估結果如下圖6 所示。

圖6 DV－1 評估結果

同理，在其余變量保持恒定的基礎上，分別對每一個變量進行設計研究，以直觀比較系統模型針對各個設計變量的靈敏度，結果見表1，其中敏感度定義為彈簧力相對變量的斜率。

表1 變量DV－1～DV－10 靈敏度對比

優化設計過程中，必不可少的重要環節就是評估系統模型針對不同設計變量的靈敏度，而靈敏度對最優化設計時設計變量的選擇起到至關重要的作用。通過參數化可以迅速分析得知哪些設計變量對目標函數影響較大，哪些設計變量對目標函數影響較小，選擇影響較大的設計變量作為目標函數的設計變量進行優化設計［7］。在本機構中，DV－4、DV－6 和DV－8 的敏感度最大，那么這3 個變量對該目標函數的影響最大，在接下來的優化設計中將選擇這3 個變量作為主要目標函數的設計變量進行優化設計。

1.8 虛擬樣機模型優化設計

通過對DV－4、DV－6 和DV－8 的變量初始值，即設計點的相關坐標進行微調，觀察比較微調前后目標函數的變化，驗證結果顯示設計模型能夠滿足優化設計的要求，使彈簧掛鎖機構夾緊力達到最大，達到本次優化設計目標。其優化結果如圖7，表2 所示

圖7 優化結果

表2 優化前后數據對比

2 結語

利用ADAMS 建立虛擬樣機模型并進行仿真優化設計是一種簡便直觀的方法，既省去了建立機構參數與目標函數之間關系式和編程復雜程序的耗時工作，使復雜機械結構的優化設計變得簡便易行，又提高了優化效率，簡化了產品的設計過程，縮短了產品的研發周期，從而降低了產品的制造成本，為現代產品的設計提供了一種新思路。

［1］孫恒，陳作模.機械原理［M］.北京:高等教育出版社，2001.

［2］王國強，張進平，馬若丁.虛擬樣機技術及其在ADAMS 上的實踐［M］.西安:西北工業大學出版社，2002.

［3］李軍.邢俊文.覃文潔.ADAMS 實例教程［M］.北京:北京理工大學出版社，2002.

［4］(美)MSC.Software，MSC.ADAMS/view 高級培訓教程［M］.李軍，陶永忠.譯.北京:清華大學出版社，2004.

［5］朱會玲，段志善，史麗晨，等.基于ADAMS 的軋管機工作機構仿真與優化［J］.煤礦機械，2009，30(11);30-32.

［6］張敏，石秀華，吳一紅.基于ADAMS 的三自由度水下機械手運動學仿真［J］.機械設計與制造，2005(7):85-86.

［7］何邕，賈美薇，李萍奎，等.基于虛擬樣機的鏟運機工作裝置仿真及優化［J］.系統仿真學報，2011，23(4);702-706.