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1.2 Adams的常用模块

Adams的功能模块可分为基本模块、拓展模块、专用模块、专用工具和工具箱,以及第三方模块等。下面对常用模块进行简单介绍。

1.2.1 基本模块

Adams基本模块构成了一个集成的虚拟样机建模及分析环境,可以完成通用机械系统动力学性能分析。基本模块是所有Adams模块配置方案的基础。Adams基本模块包括用户界面模块(Adams View)、求解器模块(Adams Solver)、后处理模块(Adams PostProcessor)等。

1.用户界面模块

Adams View是使用Adams建立机械系统功能化数字样机的可视化前处理环境,通过它可以很方便地采用人机交互的方式建立模型中的相关对象,如定义运动部件、定义部件之间的约束关系或力的连接关系、施加强制驱动或外部载荷激励。Adams View中的大部分建模工具,如工具箱、按钮、菜单等均可以重新定制,以满足用户的个性化配置需求。利用Adams View的内嵌式集成Adams Solver解算的功能,用户可以直接进行仿真并且在仿真过程中直接观察机械系统的运动情况,以及所关注的重要数据随时间的变化情况,使得用户可以迅速地将注意力集中到产品需要完善的地方。Adams View可以在设计的早期就开始使用,从而快速发现并纠正设计中的错误。

2.求解器模块

Adams Solver是Adams的求解器,包括稳定、可靠的Fortran求解器和功能更为强大、丰富的C++求解器。该模块可以集成在Adams的前处理模块下使用,也可以从外部直接调用。该模块可以执行交互方式的解算过程,也可以执行批处理方式的解算过程。求解器先导入模型并自动校验模型,进行初始条件分析,再执行后续的各种解算过程。使用其独特的调试功能,可以输出求解器解算过程中重要数据的变化情况,方便把控及定位模型中深层次的问题。Adams Solver同时提供用于进行机械系统的固有频率(特征值)和振型(特征矢量)的线性化专用分析工具。

3.后处理模块

Adams PostProcessor是显示Adams仿真结果的可视化图形界面。改进的界面除了主窗口外,还有一个树形目录窗口、一个属性编辑窗口和一个数据选取窗口。主窗口可同时显示仿真的结果动画以及数据曲线,可以方便地叠加显示多次仿真的结果以便比较。后处理的结果既可以显示为动画,也可以显示为数据曲线(对于振动的分析结果,可以显示为3D数据曲线),还可以显示为报告文档。主窗口既可以在一个页面显示一个窗口的数据曲线,也可以在同一页面显示最多6个分窗口的数据曲线。相关页面的设置以及数据曲线的设置都可以保存起来,对于新的分析结果,可以使用已保存的后处理配置文件(.plt文件),快速完成数据的后处理,既有利于节省时间也有利于报告格式的标准化。Adams PostProcessor既可以在Adams View中运行,也可以独立运行。独立运行Adams PostProcessor时可以加快软件启动速度,也可以节约系统资源。

1.2.2 拓展模块

拓展模块提供了进一步的多学科解决方案,主要包括机-电-液一体化解决方案的控制模块(Adams Controls)和机电一体化模块(Adams Mechatronics),刚柔耦合及疲劳一体化解决方案的刚柔耦合分析模块(Adams Flex)、自动柔性体生成模块(Adams ViewFlex)和耐久性分析模块(Adams Durability),系统振动性能分析解决方案的振动分析模块(Adams Vibration)。同时,这个模块还包括直接的CAD数据接口模块(Adams Geometry Translators)、优化/试验设计模块(Adams Insight)等。

1.控制模块

Adams Controls可以将控制系统与机械系统集成在一起进行联合仿真,以实现一体化仿真。主要的集成方式有两种:一种是将Adams建立的机械系统模型集成到控制系统仿真环境中,组成完整的机-电-气-液耦合系统模型进行联合仿真;另一种是将控制软件中建立的控制系统导出到Adams的模型中,利用Adams求解器进行机-电-气-液耦合系统的仿真分析。

2.机电一体化模块

使用Adams Mechatronics可以将控制系统更方便地集成到用户的机械系统模型中。该模块提供建模元素,实现与虚拟控制系统之间进行信息的传递,这就意味着完整的系统级优化将更容易实现,尤其对于一些复杂问题更为适用,如车辆设计中扭矩协调控制策略问题或重载机械中液压系统的性能优化等。

3.刚柔耦合分析模块

零部件的弹性形变对机械系统的性能有多大的影响?是否有破坏性的碰撞?是否会造成系统自锁和过早失效?控制系统是否能按照预定的要求运行?Adams Flex使工程师能够研究在整个机械系统中部件的弹性形变的作用和影响。

使用模态综合法,将有限元软件分析结果融入整个系统的仿真中。应用这种方法可以去除影响不大的模态,进而大大提高仿真的速度。运动部件的应力、应变的可视化效果,使用户能够快速地识别和记录过载发生的时刻。仿真的结果如零部件应变、载荷时间历程以及振动频率等都可以用于应力、疲劳、噪声和振动等后续分析中。

4.自动柔性体生成模块

Adams ViewFlex是集成在Adams View中的自动柔性体生成工具,它使用户不必离开Adams View即可创建柔性体,并且不需要借助任何有限元软件,这个模块让有关柔性体的仿真分析比传统方式更流畅、更高效。

5.耐久性分析模块

Adams Durability可用于生成子系统或零部件的载荷时间历程,驱动疲劳分析的工具(如MTS设备或疲劳分析软件),并且可用于在Adams中对部件进行概念性疲劳强度方面的研究。

疲劳试验是产品开发过程中很重要的一个方面。优良的疲劳性往往可能与产品的其他性能相矛盾,如走行性能、操控性能或NVH〔Noise(噪声)、Vibration(振动)、Harshness(声振粗糙度)〕性能。找到一个各方面都满足性能要求的平衡点非常有必要,但传统的实物疲劳试验的方法可能导致开发时间延长。使用Adams Durability,用户可以利用已有的Adams的模型结果来驱动疲劳分析的工具,如MTS设备或疲劳分析软件。

海克斯康与MTS公司和nCode公司进行合作,以保证Adams Durability可以解决疲劳试验问题。MTS的虚拟实验室(Vritual Test Laboratory,VTL)技术与Adams Durability进行数据交换,以提供标准机械试验系统所用的动力学模型。Adams Durability同时提供方便的接口给MSC.Fatigue和nCode的FE-Fatigue软件包完成零部件的疲劳寿命预测。常用的试验数据格式,如DAC和RPC格式,可以双向地输入和输出。使用Adams Durability,可以在Adams View中进行概念性的应力应变研究,以及在MSC.Nastran中做更详细的应力应变分析。Adams Durability也扩展了Adams PostProcessor的功能,可以动态显示柔性部件的应力应变情况,也可以绘制被测节点随时间变化的应力应变情况,如合成应力、最大剪切应力、主应力或应力应变的单个分量。

6.振动分析模块

Adams Vibration用于机械系统在频域的强迫振动分析。Adams Vibration首先对系统进行线性化分析,然后计算特征值、特征向量以及在强迫激励作用下的传递函数和功率谱密度函数等频域特性,这一过程非常快捷,可以得到频域的精确解。同时可以考虑系统中的液压和控制对整个系统的影响。

在实验室或场地中进行的振动试验是既费时又昂贵的,而且一般只能在设计的后期进行。使用Adams Vibration,用户能在设计的前期就进行振动性能方面的试验,可以进行减振、隔振设计及振动性能优化,并且可以根据根轨迹图进行稳定性分析,得到的输出数据可以用来进行NVH研究。NVH性能参数在很多机械系统设计中都是极为重要的考察因素,诸如汽车、飞机、铁道车辆和卫星系统设计。但设计最合适的NVH性能参数会导致很多其他问题,如系统中某个部件受到一个激励就会影响到系统中的其他部件。

7.CAD数据接口模块

Adams Geometry Translators是全新的CAD数据直接接口模块,借助这个模块,Adams与CAD软件之间进行数据的导入、导出不必转换成中间格式,可直接读取CAD装配体到Adams中并生成Adams运动部件,几何定义更加精确。Adams Geometry Translators支持的软件有CATIA、Pro/E、SOLIDWORKS、UG、Inventor、ACIS和VDA等。

8.优化/试验设计模块

设计越复杂,影响设计的因素也就越多。由于各个参数之间可能是相互影响的,因此在每次只改变一个参数的情况下很难判断设计是否更优。如果同时改变多个参数,那将需要进行指数级的仿真计算,并且将产生庞大的仿真数据,而且对仿真数据的处理也很困难,很难判断到底哪些参数是主要的,哪些参数是次要的。

利用Adams Insight,工程师可以对功能化数字样机进行系统的研究和深入的分析,并且可以与整个团队分享自己的研究成果。研究策略可以应用于部件或子系统,或者扩展到评估多层次问题中,实现跨部门的设计方案优化。Adams Insight鼓励设计团队在各个层次进行协同,甚至将供应商包括在内,通过网页或者数据表格实现数据交换,从而使设计人员、研究人员以及项目管理人员能够直接参与“What-if”的研究,而不需要接触到实际的仿真模型。通过分享这些研究成果,可以使整个团队加强交流并加速决策。

Adams Insight的分析结果基于网页技术的公示,工程师可以方便地将仿真试验结果置于Intranet或Extranet网页上。不同部门的人员(如设计工程师、试验工程师、企业决策人员等)可以共享分析成果,推进决策进程,最大限度地降低决策的风险。Adams Insight是一个选装模块,既可以在Adams View、Adams Car中运行,也可以脱离Adams单独运行。

应用Adams Insight,工程师可以规划和完成一系列仿真优化试验,从而精确地预测所设计的复杂机械系统在各种工作条件下的性能。使用Adams Insight提供的对试验结果进行各种专业化的统计分析工具,通过试验方案设计,可以更好地理解和掌握复杂机械系统的性能及其相关知识。利用Adams Insight,可以有效地区分关键参数和非关键参数,观察其对产品性能的影响,帮助工程师更好地了解产品的性能。在产品制造出来之前,可以综合考虑各种制造因素的影响(如配合公差、装配误差、加工精度等),大大地提高产品的可靠性。

1.2.3 专用模块

Adams专用模块主要包括汽车(Adams Car)模块、机械(Adams Machinery)模块、实时仿真(Adams Real Time)模块等。

1.汽车模块

数字样机技术是缩短车辆研发周期、降低开发成本、提高产品设计和制造质量的重要手段。为了降低产品开发风险,在样车制造出来之前,利用数字样机对车辆的动力学性能进行计算机仿真并优化其参数显得十分有必要。

Adams Car是海克斯康与Audi、BMW、Renault、Volvo等公司合作开发的整车设计软件包,集成了它们在汽车设计、开发方面的经验,能够帮助工程师快速建造高精度的整车数字样机。整车数字样机包括车身、悬架、传动系统、发动机、转向机构、制动系统等。工程师可以通过高速动画直观地再现在各种试验情况(如天气、道路状况、驾驶员经验等)下整车的动力学响应,并且可以输出关于操纵稳定性、制动性、乘坐舒适性和安全性的特征参数,减少对物理样机的依赖,而使用Adams Car仿真花费的时间只是进行物理样机试验的几分之一。

Adams Car采用的用户化界面是根据汽车工程师的习惯而专门设计的,工程师不必经过任何专业培训就可以应用该软件包开展卓有成效的开发工作。Adams Car中包括整车动力学模块(Vehicle Dynamics),对应生成的模型示例如图1-1所示,还有悬架设计模块(Suspension Design),对应生成的模型示例如图1-2所示。其仿真工况包括方向盘角阶跃、斜坡和脉冲输入、蛇行穿越试验、漂移试验、加速试验、制动试验、稳态转向试验等,还可以设定试验过程中的节气门开度、变速器挡位等条件。

图1-1 整车动力学模块

图1-2 悬架设计模块

2.机械模块

Adams Machinery是完全集成于Adams的工具模块,该模块提供一种全新的、能够实现对包括机器人、传送机等农业设备和工业机械的常见机械部件进行高保真建模与仿真模拟自动化的多功能虚拟模型仿真及多体动力学解决方案,以便为工程师在机械系统的虚拟测试与数字样机仿真中提供帮助,图1-3所示为机械模块中的齿轮、皮带、链条传动仿真。

图1-3 齿轮、皮带、链条传动仿真

3.实时仿真模块

Adams Real Time拓展了Adams多体动力学仿真解决方案,实现实时仿真经常需要用到Adams Real Time的两个功能。

(1)Adams固定步长(Adams Solver Fixed Step)求解器。

确保在给定时间内完成固定数量的工作是实时仿真的要求,为此,Adams求解器支持固定步长积分选项,用户规定积分步长和每个积分步长的迭代次数,以确保运行实时的软件在环(Software In-the-Loop,SIL)或硬件在环(Hardware In-the-Loop,HIL)情形时在精度和速度上有一个合理的平衡。固定步长积分器能够在Adams支持的任何版本上运行Adams模型。

(2)Adams实时仿真(Adams Solver Real-Time)。

Adams实时仿真可以定义为Adams模型以等于或快于物理系统实际运行时间对应的频率完成计算,Adams实时仿真能够实现硬件在环和一些软件在环的工作流程。目前Adams支持Concurrent公司基于RedHawk Linux操作系统的SIMulation Workbench(简称SimWB)实时仿真环境,它是通过扩展Adams对功能模型接口(Functional Mock-up Interface,FMI)的支持实现的,即从Adams View或Adams Car中通过Adams Controls或Adams Mechatronics导出功能模型单元(Functional Mockup Unit,FMU),然后导入SimWB进行联合仿真。Adams实时仿真系统允许用户通过SimWB将Adams模型与硬件控制器或驾驶模拟器进行集成,因此对于Adams Car用户,Adams Real Time可以用于硬件在环、驾驶模拟器和高级驾驶员辅助系统等的实时仿真。

1.2.4 专用工具和工具箱

Adams专用工具和工具箱主要包括履带(Adams Tracked Vehide,ATV)工具箱、钢板弹簧(Adams LeafSpring)工具箱、齿轮传动(Adams Gear Generator)工具箱、高级齿轮(Adams Gear AT)工具箱、高级轴承(Adams Bearing AT)工具箱、风机(Adams AdWiMo)工具箱、绳索(Adams Cable)工具箱等。

1.履带工具箱

履带工具箱是Adams用于履带式车辆动力学性能分析的专用工具,是分析军用或商用履带式车辆各种动力学性能的理想工具。通过履带工具箱,可快速建立履带式车辆的子系统到总装配模型。工具箱提供了多种悬挂模式和履带模式,方便用户建立各种复杂的车辆模型。通过改进的高效积分算法,可快速给出计算结果,研究车辆在各种不同的路面(如软土、硬土)、车速和使用条件(如直行、转向)下的动力学性能,并进行方案优化设计。

2.钢板弹簧工具箱

钢板弹簧是车辆上应用十分广泛的悬架形式之一。海克斯康开发的钢板弹簧工具箱采用离散梁单元法为工程师提供高质量的钢板弹簧建模环境,已经成功通过数十家企业用户的上千次验证。该工具箱具有使用方便、计算结果可靠的突出优点。工程师可以快速建立钢板弹簧的数字样机,研究设计方案是否合理,并且可以将该悬架模型与通过Adams View或Adams Car等建立的整车模型进行装配,从而节约数周乃至数月的时间。

3.齿轮传动工具箱

使用齿轮传动工具箱可以快速地计算齿轮之间的传动特性,捕捉齿轮在啮合前、后的动力学行为;可以在一个模型中研究直齿、斜齿、锥齿及其摩擦的动力学性能;方便、快捷地对轮系(包括行星轮系)进行仿真。

4.高级齿轮工具箱

Adams Gear AT是海克斯康推出的高级齿轮工具箱,作为Adams的一个插件与其集成为一体,用户使用高级齿轮工具箱可以在Adams的动力学仿真环境中完成完整的齿轮传动系设计和高保真的齿轮系统仿真,并且其中可以包括详细的齿轮和轴承的建模及优化。通过Adams Gear AT创建齿轮传动系统的示例如图1-4所示。

图1-4 Adams Gear AT创建齿轮传动系统的示例

用户可以使用Adams Gear AT,并结合静态和动态的分析方法,完成传动系统的仿真分析。设计人员利用Adams Gear AT与MSC.Nastran的无缝集成功能,可以设计出性能最优的传动系统,便捷地处理柔性齿轮,实现刚柔耦合仿真分析,观察相关动态效果,比如在齿轮啮合的同时,还可以同步接收并考虑齿轮和轴承上的位移、形变和应力的信息。

5.高级轴承工具箱

Adams Bearing AT是海克斯康推出的高级轴承分析工具,作为Adams的一个插件与其集成为一体,方便用户进行滚动轴承的数值仿真分析,并可和柔性体兼容。

Adams BearingAT是定制化的轴承设计专用工具,它集成了机构运动学和结构有限元方法,形成了一套既可满足精度要求又可实现快速设计的全新实用方法。使用这个工具箱,设计人员可以完成组件添加和整个系统的动力学高精度仿真分析,如图1-5所示。

图1-5 高级轴承仿真

6.风机工具箱

Adams AdWiMo,即Adams Advanced Wind turbine Modeling,是Adams针对风力发电机建模及仿真的专业模块,利用该模块可帮助用户快速、准确地建立包含叶片、主轴、齿轮、轴承、塔筒、控制系统和机舱等子系统的完整风力发电机模型,基于Adams对多刚体/柔体系统的精确计算能力,为用户提供最实用的风力发电机系统动力学数值仿真计算功能,如图1-6所示。

图1-6 风力发电机系统动力学数值仿真计算

7.绳索工具箱

Adams Cable是快速建立滑轮和吊装系统的绳索、皮带、滑轮和带轮装置的专用工具箱,可以广泛用于吊装、电梯、缆车等仿真领域。绳索模拟如图1-7所示。

图1-7 绳索模拟

8.MATLAB数据接口

MATLAB是一款非常流行的矩阵运算工具。Adams MatLink作为Adams与MATLAB的数据接口,可以帮助用户从MATLAB强大的编程、矩阵运算、信号处理、控制系统设计、系统辨识等功能中获益,实现Adams与MATLAB的双向数据交流,同时可以借助它们能够相互调用对方命令的功能,建立耦合脚本或宏。 XOZ3XTARIbhPFB9skmzle3Fj9bQYoERNhtyEJYxVXtYkUTxFPAy4Hxu/Jyl59+YY

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