ADAMS弹簧挂锁大作业

1、. . . . . 计算机辅助工程与分析计算机辅助工程与分析 大作业 弹簧挂锁案例分析弹簧挂锁案例分析 姓姓 名：名： 学学 号：号： 班班 级：级： 任课教师：任课教师： 日日 期：期： 20162016 年年 6 6 月月 5 5 日日 . . . . . 摘摘 要要 上世纪九十年代以前以 C3P（CAD/CAE/CAM/PDM）为代表的计算机辅助设计工具 CAX 在工业界得到广泛普及，并产生了巨大的经济效益和社会效益，“数字化”作为 显著时代技术特征初露端倪。C3P 首次用计算机取代人完成产品开发过程中机械、繁 琐、重复的绘图、计算和例程管理类工作，大大提高了产品开发效率，但由于学科 的融合度较低，各类设计工具更多地表现为单一学科技术的软件化，其相互集成亦 是软件接口实现所谓的数据集成，因此，以 C3P 为代表的计算机辅助设计工具对更 高层次的设计活动如综合分析、系统优化设计乃至创新设计缺乏有效的可操作的支 持。针对这些不足，上世纪九十年代中期以来，计算机辅助设计更多地强调了基于 多体系统复杂机械产品的系统动态设计、基于多学科协同集成框架的优化设计、基 于本构融合的多领域统模可重

2、用机、电、液、控数字化功能样机分析的研究和开发。 因此，为了更加深入地了解计算机辅助给我们带来的影响，本文以国际上具有 代表性的复杂机械系统动力学建模及仿真平台 ADAMS 为例，对一个弹簧挂锁进行多 体系统动力学分析和讨论。 关键词：计算机辅助设计；多体系统动力学；ADAMS；弹簧挂锁 . . . . . 第一章 引言 随着柔性多体系统动力学的发展，基于相关理论的许多大型通用分析软件（如 ADAMS、DADS 等）的出现为复杂机械系统动力学分析提供了可靠的手段。 机械系统动力学分析和仿真软件 ADAMS 是一种用于虚拟样机分析的应用软件， 可对整个机械系统进行静力学、运动学和动力学等分析，主要用于刚体动力学分析。 ADAMS 多体系统由几个部分组成：部件、约束、作用力、自定义的代数-微分方程。 同时，随着多体动力学的不断深入发展和完善，为工程实践及科学研究提供了 一个较好的平台。ADAMS 软件的成熟以及在各大企业中的应用，不仅缩短了产品的研 发周期，降低了产品的生产成本，提高了经济效益，为各大企业创造了可观的利润， 更加带动了整个行业的发展。因此，机械系统动态仿真技术作为 21 世

3、纪先进制造模 式的关键性能技术，现已成为各国纷纷研究的热点，它有着广阔的发展前景和市场。 它面向系统的全生命周期和全系统，使研究、开发研制和使用者之间的联系更为有 效，加速了新技术向产品转化的开发、研制与使用过程，提高产品质量，增强企业 竞争力。 . . . . . 第二章 ADAMSADAMS 软件案例分析 2.1ADAMSADAMS 软件介绍 ADAMS 软件，即机械系统动力学自动分析软件 ADAMS（Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems），是美国 MDI 公司（Mechanical Dynamics Inc.） 开发的虚拟样机分析软件。目前，ADAMS 已经被世界各行各业的数百家主要制造上采 用。根据 1999 年机械系统动态仿真分析软件国际市场份额的统计资料，ADAMS 软件 销售总额近 8 千万美元、占据了 51%的份额。 ADAMS 软件使用交互式图形环境和零件库、约束库、力库，创建完全参数化的机 械系统几何模型，其求解器采用多刚体系统力学理论中的拉格朗日方程方法，建立 系统动力学方程，对虚拟机械系统进行静力学、运

4、动学和动力学分析，输出位移、 速度、加速度和反作用力曲线。ADAMS 软件的仿真可用于预测机械系统的性能、运动 围、碰撞检测、峰值载荷以及计算有限元的输入载荷等。 ADAMS 一方面是虚拟样机分析的应用软件，用户可以运用该软件非常方便地对虚 拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析。另一方面，又是虚拟样机分析开发 工具，其开放性的程序结构和多种接口，可以成为特殊行业用户进行特殊类型虚拟 样机分析的二次开发工具平台。ADAMS 软件有两种操作系统的版本：UNIX 版和 Windows NT/2000 版。 ADAMS 软件由基本模块、扩展模块、接口模块、专业领域模块及工具箱 5 类模块 组成。用户不仅可以采用通用模块对一般的机械系统进行仿真，而且可以采用专用 模块针对特定工业应用领域的问题进行快速有效的建模与仿真分析。 2.2 多体系统动力学案例分析 2.2.1 案例以及软件的选择 本次案例分析选择的是弹簧挂锁。首先要说明的是，本次案例来源于 ADAMS 教 程实例中的一个案例。 因为之前并没有接触过 ADAMS 这个软件，而且多体动力学相关的知识设计也少。 最重要的是，现在自己的研究方

5、向是绿色设计制造，因此，对于这类有限元分析软 件的使用也非常少。所以，这次的案例参考了 ADAMS 教程中的实例，并自己亲手操 作和分析了这个案例。 . . . . . 软件我选用的是 ADAMS-2012 版本的软件，这个软件相对于课上老师使用的 2010 版本，有一个好处就是操作界面更为简洁明了，能够很快地熟悉并操作这个软件。 2.2.2 弹簧挂锁介绍 弹簧挂锁的物理样机模型如图 2-1 所示，虚拟样机模型如图 2-2 所示。 图 2-1 弹簧挂锁物理样机模型 图 2-2 弹簧挂锁虚拟样机模型 . . . . . 图 2-1 中 handle、pivot、slider 和 hook 分别对应图 2-2 中的手柄、曲柄、连 杆和挂钩。图 2-2 中还给出了弹簧和手柄力的位置所在，其中弹簧是反映弹簧挂锁 的锁紧力，手柄力则表示正常情况下我们需要多大的力就能使弹簧挂锁锁紧。 弹簧挂锁的工作原理如下：在手柄力处下压操作手柄（handle），挂锁就能夹 紧。下压期间，曲柄（pivot）将会绕着最下面一点做顺时针转动，从而通过其中部 的点使挂钩（hook）向后运动，从而产生夹紧力。此时，连杆（

6、slider）上与手柄 连接的点向下运动，直到该点与挂钩上左侧和右侧点在同一条直线上时，弹簧挂锁 的夹紧力达到最大值。 本次案例中设计的目标是：只需要 80N 的手柄力就能使弹簧挂锁产生不小于 800N 的锁紧力。 2.2.3 弹簧挂锁案例分析 本次案例分析的流程分以下 3 步： （1）建模。首先对弹簧挂锁的各个部件进行建模，并在它们之间建立起正确的 约束； （2）测试。首先测试环境；其次，建立锁紧力和锁紧角度的测量环境；最后， 对部件施加合适的载荷； （3）分析。对输出的锁紧力和锁紧角度的曲线进行分析，并判断弹簧挂锁是否 符合使用条件。 本次案例的使用条件如下： （1）弹簧挂锁的锁紧力不小于 800N； （2）操作人员提供的力为 80N； 接下来，我们开始进入弹簧挂锁的多体系统动力学分析。 开启 ADAMS 的证书认证，服务器启动成功后，进入 ADAMS-View2012。选择 New Model，然后会弹出如图 2-3 所示的对话框。我们在 Model Name 一栏输入 “tanhuangguasuo”作为文件名，重力方向、单位均默认，文件保存路径可以自行 修改。设置结束后，点

7、OK，正式进入 ADAMS，其操作界面如图 2-4 所示。 . . . . . 图 2-3 图 2-4 操作界面 接下来，为方便建模，我们通过 Settings-Units，将长度单位改为 Centimeter，如图 2-5 所示。然后通过 Setting-Working Grid 设置工作栅格，栅格 尺寸设置为 2525，格距为 1，如图 2-6 所示。最后通过 Setting-Icons 设置图标 的大小，将尺寸改为 2，如图 2-7 所示。这样一来，我们的建模环境就设置好了，接 下来将工作区调整好合适的大小就可以。 . . . . . 为方便建模，这里介绍几个快捷键。F4：显示点坐标；“按住键盘 Z”+“按住 鼠标左键”向上（下）滑动：放大（缩小）；“按住键盘 R”+“按住鼠标左键”： 旋转模型；“按住键盘 T”+“按住鼠标左键”：移动模型。 图2-5 图 2-6 图 2-7 接下来，对各个部件进行建模。 （1）首先，要建立 3 个点，各点坐标如下： . . . . . X 坐标Y 坐标Z 坐标 1000 2330 3280 然后，通过 Bodies-Solids 里的曲柄模块对

8、曲柄建模，曲柄半径和厚度均为 1cm，依次选取上面建好的三个点，单击右键，建好后如图 2-8 所示。 图 2-8 曲柄 （2）然后，再建立点 4，坐标为（-10,22,0）。然后通过 Bodies-Solids 里的 连杆模块，选取点 3 和点 4 建立手柄模型。建好后如图 2-9 所示。 . . . . . 图 2-9 （3）接着，通过 Bodies-Solids 中的拉伸模块，以此选取如下 11 个点，对挂 钩进行建模，拉伸长度为 1cm。为选取方便，在选取点时按住 Ctrl 键。 X 坐标Y 坐标Z 坐标 530 350 -660 -1460 -1550 -1530 -1410 -1210 -1230 -530 420 . . . . . （4）接着，再建立两个点，坐标分别为点 5（-1,10,0）和点 6（-6,5,0）。通 过 Bodies-Solids 中的连杆模块，分别选取这两个点，建立连杆模型。 （5）接着，建立地块模型，地块是为了对挂钩的运行轨迹进行约束而建立的。 通过 Bodies-Solids 中的立方体模块，设置类型为“On Ground”，选取（-2,1,0）， 将鼠标拖到点（-18,-1,0）处，完成地块的建模。 （6）最后，增加弹簧构件。通过 Forces-Flexible Connections 中的弹簧模块， 其中 K 设置为 800，意味着弹簧刚度系数是 800N/cm，C 设置为 0.5，意味着阻尼系 数为 0.5N*s/cm。这表明，挂钩每向后运动

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