基于ADAMS和MATLAB的模塊化建模方法與實現

吳 艷，岳玉娜，齊志會

（北京航天發射技術研究所，北京，100076）

基于ADAMS和MATLAB的模塊化建模方法與實現

吳 艷，岳玉娜，齊志會

（北京航天發射技術研究所，北京，100076）

從動力學模塊化模型重用的需求出發，采用ADAMS與MATLAB聯合開發的方法，以多軸重型車輛為對象，從拓撲結構與模型設計、模版開發、服務開發3個方面利用cmd腳本和m語言進行模塊化建模與快速裝訂的方法研究，最后通過多軸重型車輛動力學建模原型系統驗證了模塊化建模方法的可行性、有效性以及模型的可重用性能，為復雜動力學系統建模與模型重用提供了可以參考的方法。

模塊化；建模方法；ADAMS；MATLAB

0 引 言

隨著計算機技術與仿真技術的發展，功能化虛擬樣機被廣泛用于復雜產品設計與分析中。基于商用軟件和計算多體動力學的動力學虛擬試驗樣機構建及其仿真分析，為產品設計、性能分析、故障預示與診斷、可靠性分析等設計和分析提供了技術手段。

MSC ADAMS是目前被廣泛應用的機構動力學建模與仿真集成環境之一。它提供了SDK開發、用戶子程序和cmd腳本+宏命令3種主要二次開發方式。其中SDK二次開發方式可以實現外部程序和過程對ADAMS仿真的控制和數據交互，可用于分布式仿真[1]；用戶子程序可以實現ADAMS沒有提供特殊功能的函數[2]，支持Fortran和C++兩種開發方式；cmd腳本+宏命令可以實現 ADAMS軟件平臺內的用戶化設計和界面開發[3～5]以及模型的參數化[5]。上述3種二次開發方法，主要針對ADAMS與外部的數據交互、用戶特殊的建模和仿真功能，雖然一定程度上提高了建模效率，但是沒有解決相同模型在不同動力學仿真過程中的重用問題。

本文從模型重用角度出發，以多軸重型車輛動力學模型為對象，提出了基于ADAMS與MATLAB 的模塊化建模方法，通過模塊化模型模版和參數化自動裝配解決了多軸車輛建模工作量大、效率低、錯誤率高的問題，實現了典型功能模塊在不同類型車輛模型中的重用。

1 基于ADAMS與MATLAB的建模原理

1.1 cmd腳本語言

cmd腳本語言是ADAMS中View和PostProcessor模塊采用的開發語言。它能夠實現View中大部分的建模過程，同時還可以對ADAMS軟件進行用戶定制開發。利用cmd腳本語言可以無損的存儲模型，同時能夠實現模型跨平臺、跨版本的移植。

cmd腳本中，典型的命令行語法結構如圖1所示。語法結構中，關鍵字1～3描述命令的對象，參數1～參數n描述命令的內容，典型的關鍵字和參數如表 1所示。

表1 cmd語言說明

續表1

利用cmd腳本語言，可以實現參數化的用戶模型開發過程和基于腳本文件的用戶過程重用。圖2為利用 cmd語言建立參數化單向力模版的實例，其中model_name_new是模型名稱，axis_num為表示編號的變量。

1.2 m語言

m語言的語法結構和使用方式與 Fortran語言相似，它通過調用MATLAB基本庫和工具箱的函數，實現用戶過程的編程開發。圖3為m語言文檔解析實例。

文件解析是iSight、Model Center等基于過程的多學科優化系統常用的過程集成方式之一。利用MATLAB對文件操作的功能和m語言編程，可以方便地實現文件解析過程。

1.3 基于ADAMS與MATLAB的快速建模

基于ADAMS與MATLAB的快速建模方法，其實質是利用cmd腳本語言實現用戶模版的參數化、模塊化，利用m語言實現用戶模版的實例化和模型裝配。可以用積木的制作過程來形象的描述基于ADAMS與MATLAB的快速建模過程。3種不同形狀的積木設計圖紙，可以看做是cmd腳本語言開發的3個模版。不同數量積木的加工和組裝過程，就是m語言對模版實例化和模型裝配的過程，如圖4所示。

模型模版開發和實例化的過程示例見圖5。

1.4 技術關鍵點

基于ADAMS和MATLAB的模塊化動力學建模的技術關鍵點主要包括以下4點：

a）對象需求與拓撲結構分析；

b）模型接口與參數設計；

c）模塊化模型模版開發；

d）模型裝訂服務開發。

2 基于ADAMS與MATLAB的建模方法實現

以多軸重型車輛為例介紹基于 ADAMS與MATLAB的模塊化建模方法及其技術關鍵點的實現。

2.1 拓撲結構與模型設計

2.1.1 拓撲結構分析

多軸重型車輛結構復雜、功能模塊多，根據動力學模型載荷傳遞與分配關系，其承載結構主要分為底盤和上裝兩個部分。

考慮到虛擬試驗樣機分析過程中模型模塊功能拆解的獨立性，將多軸重型車輛分解為底盤、轉向、上裝3類分系統，各個分系統又分解為具體的功能結構模塊，如圖6所示。

2.1.2 模型設計

模型設計的內容包括接口設計和參數設計兩部分。

a）接口設計：接口主要描述模塊化模型之間的關系。從模型重用出發，接口設計要點是接口類型和接口參數。接口類型主要描述模型之間的連接方式，包括運動副（約束）類型、載荷特性、剛度特性等。接口參數用于描述接口的數字特征，如位置、剛度、阻尼等。

b）參數設計：參數設計主要是對描述具體模型或模塊的參數進行設計。參數類型包括質量參數、模態參數、力學特性參數等，參數示例如表2所示。

表2 質量屬性參數

2.2 虛擬試驗樣機模版開發

虛擬試驗樣機模版包括模型模版、參數模版、功能模塊模版、裝訂模版4類。

a）模型模版。

模型模版用于描述組成動力學虛擬試驗樣機的各個功能模塊的基本特性。根據表現方式不同，模型模版分為幾何模型、柔性承載結構模型、輪胎模型、負載質量模型等多類模版。對于各類模版，通過坐標系分配和規范化的命令方式保證模版可以被不同的動力學模型引用。

典型幾何模型模版命名規范和坐標系規定見表3。

b）參數模版。

參數模版用于描述模型模版中各類模型的有效參數，以實現基于參數的虛擬試驗樣機驅動。參數模版采用cmd腳本語言開發，示例如圖7所示。

表3 典型幾何模型模版命名規范與坐標系規定

圖7中“{}”為參數標識，其主要作用為表示參數位置；“{}”內為用戶根據需要輸入的模型參數。

c）功能模塊模版。

功能模塊模版是多軸車輛動力學樣機的核心模塊，主要描述動力學模型功能模塊的組成、功能等。以ADAMS腳本文件為表現形式。功能模塊分解的原則是簡化系統、保證模塊的可重用性。多軸重型車輛動力學模型中根據功能模塊的重用情況，將其分為簡單功能模塊、基本功能模塊和復雜功能模塊3類，如表4所示。

表4 多軸重型車輛模型功能模塊模版

續表4

d）裝訂模版。

模型裝訂模版的功能是通過參數模版、功能模塊模版的組合，建立滿足用戶虛擬試驗要求的動力學虛擬試驗樣機，以實現虛擬試驗樣機參數、功能、模塊的可配置，從而簡化樣機構建過程，提高工作效率。

模型裝訂模版在MATLAB軟件環境下運行，采用文本文件形式對虛擬試驗樣機進行主要狀態描述。狀態描述的主要內容包括樣機模型文檔名稱、模型組成、樣機屬性配置3部分內容。

模型組成部分的模版內容如圖8所示。樣機屬性配置示例如表5所示。

表5 樣機屬性配置示例

2.3 虛擬試驗樣機應用服務開發

虛擬試驗樣機應用服務包括參數解析服務和模型裝訂服務2個部分。應用服務流程如圖9所示。

a）參數解析服務。

參數解析服務是利用樣機技術狀態文檔，對虛擬試驗樣機的各類參數進行解析，形成樣機所需的參數文件和參考點文件。

參數解析服務在MATLAB環境下以m函數腳本方式開發。參數解析服務函數如表6所示。

表6 參數解析服務函數

b）模型裝訂服務。

模型裝訂服務是根據模型參數和裝訂參數，利用模型模版、功能模塊模版建立動力學虛擬試驗樣機。

模型裝訂功能的核心代碼采用 MATLAB語言編寫，并編譯為可執行文件，對代碼實行著作權保護。模型裝訂服務函數如表7所示。

表7 樣機裝訂的MATLAB子函數

3 應用效果

為驗證基于ADAMS與MATLAB的模塊化建模方法的可行性，開發了多軸重型車輛建模原型系統。原型系統由界面層、接口層和核心層3個部分組成。界面層為面向用戶的原型系統最頂層結構，主要由參數設置、模型查看和數據顯示界面組成；接口層是界面層與核心層、核心層各模塊間數據傳遞的橋梁，由核心層各個模塊與界面層的接口、核心層各個模塊之間的數據接口組成；核心層是原型系統的核心，由參數設置、樣機裝訂、模型初步校核3個模塊構成。接口層運行邏輯如圖10所示。

原型系統參數界面和裝訂界面分別如圖11、圖12所示。

多軸重型車輛動力學建模原型系統，通過界面方式實現接口類型、接口參數、模塊內部參數的配置和基于裝訂參數的模塊化模型構建，實現了以參數、接口和組件為基礎的動力學參數化、模塊化、知識化、通用化，樣機構建過程無需人工干預，驗證了基于ADAMS與MATLAB的模塊化動力學建模方法的可行性和有效性。

采用基于ADAMS與MATLAB的模塊化建模方法，與傳統方法相比，建模時間從原來的大于15個工作日縮短到不足1個工作日，建模工作規范性明顯加強，仿真過程管理和三級審簽人員的工作效率大幅提高。

4 結束語

本文提出了一種基于ADAMS與MATLAB的模塊化建模方法，以多軸重型車輛為對象，從拓撲結構與模型設計、模版開發、服務開發3個方面介紹了該方法的具體實現途徑。最后通過多軸重型車輛動力學建模原型系統驗證了基于ADAMS與MATLAB的模塊化建模方法的可行性與有效性及模型的可重用性能，實現了動力學模型的參數化和模塊化，為其他動力學系統建模提供了可以參考的方法。

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[6] MSC Software. MSC.ADAMS/View高級培訓教程[M]. 邢俊文, 陶永忠,譯. 北京: 清華大學出版社, 2004.

Study and Implementation of Modular Modeling Method Based on ADAMS and MATLAB

Wu Yan, Yue Yu-na, Qi Zhi-hui
(Beijing Institute of Space Launch Techology, Beijing, 100076)

A modular modeling method based on co-simulation of ADAMS and MATLAB is developed with multi-axle heavy vehicles as the research object in this paper. The method is illustrated in the aspects of topological model design, templates and services development using cmd script and MATLAB language. The feasibility and effectivity of the method and model reusability are tested through a multi-axle vehicle prototype building. This paper presents a referable approach for complex dynamic system modeling.

Modularization; Modeling method; ADAMS; MATLAB

TP391.9

A

1004-7182(2017)02-0066-06

10.7654/j.issn.1004-7182.20170215

2016-04-06；

2016-07-25

吳 艷（1977-），女，高級工程師，主要研究方向為復雜系統仿真與虛擬試驗