ADAMS軟件在機械設計課程實驗教學中的應用

費強 閆麗靜 袁明華 李紅兵 王小良

摘要： 本文分析了ADAMS仿真分析實驗教學的優勢，提出改革機械設計課程實驗教學，文中結合實踐利用反轉法原理設計凸輪的輪廓曲線，采用ADAMS/VIEW提供的利用相對軌跡曲線生成實體的方法來設計凸輪–曲柄連桿機構中的凸輪，開發了一套基于ADAMS的虛擬實驗教學系統。通過對機構運動學的仿真分析，實時得到凸輪和下連桿的相對軌跡、下連桿點的X和Y方向的位移曲線、頂桿速度的變化曲線，能夠直觀反映凸輪機構的運動規律，為凸輪–曲柄連桿機構優化設計提供了參考依據。采用ADAMS軟件對課程實驗項目進行仿真與性能分析，可以改善實驗條件和效果，提高學生的學習興趣和教學質量，為該課程的實驗教學開辟了一條新的途徑。

關鍵詞： ADAMS;仿真分析;機械設計;凸輪–曲柄連桿機構;實驗教學

引言

機械設計實驗教學是學生學習這門課程的重要組成部分[1]，實驗教學可以提高學生對機械設計更深入的認識，而ADAMS的仿真分析能夠直觀的反應實驗效果。Adams是全球運用最為廣泛的機械系統仿真軟件，用戶可以利用Adams在計算機上建立和測試虛擬樣機，實現事實再現仿真，了解復雜機械系統設計的運動性能[2]。隨著機械自動化程度的日益提高，不僅對機械輸出桿的運動形式有要求，更對其運動規律和動力性能提出了更高的要求。簡單的基本機構如齒輪機構、凸輪機構和連桿機構就難以勝任了。

因此，探索新機構以滿足生產對機械提出的多種運動要求和更為理想的動力性能要求顯得尤為重要。凸輪–曲柄連桿機構可以精確實現給定的運動軌跡，兼有凸輪、連桿二者的優點，滿足某些特定的工藝要求，還可以改善機器的動力性能。

ADAMS軟件的特點

ADAMS軟件使用交互式圖形環境和零件庫、約束庫、力庫，創建完全參數化的機械系統幾何模型，其求解器采用多剛體系統動力學理論中的拉格朗日方程方法，建立系統動力學方程，其仿真可用于預測機械系統的性能、運動范圍、碰撞檢測、峰值載荷以及計算有限元的輸入載荷等。ADAMS軟件由基本模塊、擴展模塊、接口模塊、專業領域模塊及工具箱5類模塊組成。用戶不僅可以采用通用模塊對一般的機械系統進行仿真，而且可以采用專用模塊針對特定工業應用領域的問題進行快速有效的建模與仿真分析。

ADAMS實驗教學的優勢

ADAMS軟件，利用實驗平臺設計的機械設計課程實驗系統具有傳統實驗系統無法比擬的優勢。虛擬實驗系統最大的特點是其功能強大，隨時可以動態調整，柔性化程度較高[3]。實驗過程中，學生可以根據實驗項目需要在實驗系統的基礎上，通過選擇不同的試驗設計模塊ADAMS/Insight來模擬不同的實驗，比如曲柄滑塊機構的設計，在虛擬實驗平臺上可以利用ADAMS軟件編制對該曲柄滑塊機構進行模擬仿真和軌跡數據處理及用曲線的形式來分析結果，而不必額外增添新的硬件實驗儀器，整個虛擬實驗系統利用率較高。

機械設計實驗的經濟實用性

ADAMS實驗系統投資不大，能夠充分利用現有技術資源，實現了實驗耗材最低消耗，緩解教學經費不足，實驗設備不足的壓力，降低實驗成本，利于實驗設備更新，經濟實用性較好。在利用虛擬實驗系統的計算機仿真模擬，得到預期結果后，再用各種機械構成實際機構進行實驗驗證，學生不必擔心損壞元器件，進一步降低實驗成本。

機械設計實驗的靈活性、可靠性

ADAMS虛擬設計實驗系統中，設計機構的運動副可以根據實驗需要實時調整，各個機構的軌跡路線及速度可以立即從設計界面的波形、多用表顯示的數值反映出來，實驗轉換非常迅速、靈活;可以保證實驗結果與理論分析結果的一致性，從而加深學生對抽象理論概念的感性認識，強化理解[4]。另外，在機械設計高速發展的今天，新器件、新方法不斷涌現，由于實驗室受條件的限制，無法及時滿足各種新思路實驗的設計要求，ADAMS虛擬實驗系統將克服實驗室元器件品種、規格與數量不足等問題[5]

ADAMS在機械設計實驗中的應用

機構的總體參數

該機構是利用凸輪補償整個機構前進時的速度，使下連桿相對于大地在一定的時間段內水平速度為零。已知凸輪和曲柄的轉速方向相同且均為π/3rad/s，凸輪基圓直徑為100mm，整個機構沿x方向前進的速度為0.3m/s，曲柄L=110mm，曲柄連桿長度比λ=1/3。

建立凸輪–曲柄連桿機構的模型

創建曲柄，在主工具箱rotate about view center欄中，單擊中間按鈕，在操作界面中單擊原點，然后完成曲柄的角度調節，完成連桿，頂桿，凸輪，機架的創建。凸輪–曲柄連桿機構模型如下圖1所示。

創建旋轉副，在操作界面中先點選旋轉副連接的兩構件，再選擇旋轉副的放置位置，單擊左鍵完成旋轉副的創建。創建滑移副，在操作界面中先點選滑移副連接的兩構件，再選擇滑移副的放置位置和方向，單擊左鍵完成滑移副的創建。施加旋轉驅動，施加平移驅動。

仿真分析

單擊主工具箱中的仿真分析按鈕interactive simulation controls，在simulation下選擇default，在end time下的文本框輸入1.2，在step下的文本框中輸入300，單擊播放按鈕，進行仿真分析，機構運動仿真圖如圖2所示。

從凸輪，下連桿，頂桿的運行曲線中可以看出采用三維仿真軟件ADAMS進行了凸輪–曲柄連桿結構的運動學仿真，實時得到凸輪和下連桿的相對軌跡、下連桿點的X和Y方向的位移曲線、頂桿速度的變化曲線，其仿真結果證明其仿真的可行性，為下一步的動力學仿真做好準備。

結論

該機構的整個運動過程平穩，無沖擊震蕩現象，可以認為該機構的運行曲線與實際情況完全相符。證明反轉法原理設計凸輪切實可行。

ADAMS虛擬實驗技術為機械設計課程的實驗教學提供了先進的實驗平臺，給學生的探索式學習活動提供了一種新的方式，激發了學生的學習興趣，提高了學生的工程素質。實踐教學證明，在機械設計教學中使用ADAMS軟件作為計算機輔助實驗教學取得了較好的教學效果，采用ADAMS進行運動學仿真，大大提高了仿真效率，是虛擬樣機技術研究中的嶄新應用，促進了虛擬仿真的發展，對于教學和實踐具有廣泛的意義。

參考文獻

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