运动仿真技术

第四章 运动仿真技术

学习重点 了解机械系统运动仿真技术的特点及一般过程； 熟悉机械系统动力学分析软件（ADMAS 2005）的基本功能； 熟悉掌握利用ADMAS软件进行建模、施加约束、驱动和载荷、仿真分析以及后处理等方面的基本操作。

4.1概述

在机械设计领域，其设计工程主要可分为原理方案设计、运动学分析、静力学或动力学分析、方案及系统优化、强度分析计算和结构设计等几个阶段。传统的设计方法可以通过理论分析计算实现，但在大多数情况下，为了避免复杂的理论分析计算，在机械设计过程中经常采用“经验法”、“类比法“或”试凑法”等方法，这样不但会延长设计周期和降低工作效率，而且容易导致设计结果不准确，很难得到满意的结果，也缺乏科学的理论根据。

系统方案的构思、原理设计、评价与决策 总体方案设计 零部件及运动仿真模型建立 零部件的建模、装配关系的确定和运动副的定义 运动环境设置 力（包括重力、弹簧力和阻尼力）或扭矩的施加、初始条件定义等 运动仿真分析 分析类型（如运动学、动力学、静力分析等）的定义 运动模拟的实现、运动特性曲线 （如位移、速度、加速度等）的可视化、干涉检验及参数跟踪测量 分析结果输出 图4-1 机械运动仿真步骤示意图

科学技术的飞速发展和学科的相互交叉极大地促进了机械设计行业的发展和进步，设计的高效化和自动化已经成为今后发展的必然趋势。随着机械产品性能要求的不断提高和计算机技术的广泛使用，作为机械设计强大支撑技术之一的运动仿真技术越来越受到机械设计人员的重视和亲睐。

机械运动仿真技术是一种建立在机械系统运动学、动力学理论和计算机实用技术基础山的新技术，涉及建模、运动控制、机构学、运动学和动力学等方面的内容，主要是利用计算机来模拟机械系统在真实环境下的运动和动力特性，并根据机械设计要求和仿真结果，修改设计参数直至满足机械性能指标要求或对整个机械系统进行优化的过程。机械运动仿真的一

般步骤如图4-1所示。

通过机械系统的运动仿真，不但可以对整个机械系统进行运动模拟，以验证设计方案是否正确合理，运动和力学性能参数是否满足设计要求，运动机构是否发生干涉等还可以及时发现设计中可能存在的问题，并通过不断改进和完善，严格保证设计阶段的质量，缩短了机械产品的研制周期，提高了设计成功率，从而不断提高产品在市场中的竞争力。因此，机械运动仿真当前已经成为机械系统运动学和动力学等方面研究的一种重要手段和方法，并在交通、国防、航空航天以及教学等领域都得到了非常广泛的应用。

机械系统的运动仿真可以采用VB、OpenGL、3D max、VC等语言编程实现，也可以使用具有运动仿真功能的机械设计软件（如ADMAS、Pro/E、EUCLID、UG、Solidworks、Solid Edge等）实现，而且，随着计算机软件功能的不断强大和完善，用软件进行运动仿真是一种省时、省力而用高效的方法，也是机械运动仿真发展趋势。

其中，由美国MDI公司开发的ADAMS(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical System)是当前应用最广泛且最具权威性的机械系统力学仿真分析软件之一。利用ADAMS软件中的用户界面模块(ADAMS/View)，通过简单的菜单、按钮及鼠标点击等交互式操作，可以很方便地对机械系统进行运动学、动力学或静力学等分析，主要包括建立零部件模型、施加运动副和载荷、仿真计算以及结果显示内容。

因此，本章主要介绍ADMAS 12.0软件常用模块（如View和PostProcessor等）的使用方法和基本操作。希望通过两个实训模块的练习，能使学生了解动态仿真的基本过程，并学会正确使用和熟练操作ADAMS软件，为进一步的更深入的研究打基础。

4.2 实训1 平面六杆机构的运动仿真

平面六杆机构是常用的典型机构之一，它具有承载能力强、耐磨损、可实现多种运动规律和运动轨迹等优点，因此广泛应用于机械、仪表、交通以及航空航天等领域，如车辆转弯机构、车门启闭机构、压力表指示机构等等。平面连杆机构的运动分析是已知原动件的运动规律，求解各构件上某些点的位置、位移、速度和加速度等运动参数，通常可采用图解法、解析法和实验法等来进行分析，但相对实用软件分析来讲比较麻烦。下面就平面六杆机构的运动分析为例，来体验ADAMS软件的强大功能。

4.2.1 问题描述

图4-2所示为一平面六杆机构，现已知：主动曲柄OA作匀速逆时针转动，且角度度w=10rad/s，各铰链点的坐标为 O(0,0,0)，A(-60,80,0)，B(180,180,0)，C(180,0,0)，D(430,0,0)。试对该平

图4-2 平面六杆机构运动简图 面六杆机构进行运动分析，并计算

在图示位置时滑块D点的位置、

速度和加速度以及摇杆BC的角速度和角加速度的大小。

4.2.2实训目的

本实训的主要目的有二：一是使学生熟悉ADAMS软件的基本用户界面，了解使用该软件进行机构运动分析的一般过程。二是使学生体验使用ADAMS软件进行运动分析的简单性、方便性和高效性。

4.2.3 结果演示

通过使用ADMAS 12.0软件对该平面六杆机构进行运动分析,其部分运动结果如图4-3所示。

图4-3 滑块沿X向的速度和加速度随时间变化曲线

4.2.4 实训步骤

一、ADAMS 12.0 的启动与设置

1.启动。点击：“开始>程序> ADMAS 12.0> AView>ADAMS_View”，弹出“ADAMS_View”图形用户主界面和“新建模型”对话框，如图4-4所示。在“Model name”一栏中输入模型名称：Linkage，“Grav ity”一栏中选择“No Gravity”, “Units”一栏中选择“MMKS”，

图4-4 新建模型对话框

其他保留缺省设置，点击“OK”关闭对话框，即可进入ADAMS/View图形用户主界面。如图4-5所示。

主工具箱 菜单栏 工作屏幕区 状态提示栏 图4-5 用户主界面

2.单位系统设置。在图4-4所示对话框中已经选择了“MMKS”单位系统，由于该系统中的角度单位为“度”，根据问题描述，应该设置为弧度。因此，点击菜单栏中的

“Settings>Units?”,弹出“单位设置”对话框，如图4-6所示。确保“Angle”一栏中选中“Radian”选项，其他保留缺省设置，点击“OK”关闭该对话框。

3.工作栅格设置。点击菜单栏中的“Settings>Work图4-6 单位系统设置对话框 ing Grid?”,弹

出“工作栅格设置”对话框，在“Size”一栏的“X”和“Y”文本框中分别输入：（500mm）和（300mm）“Spacing”，一栏中的“X”和“Y”文本框中分别输入：（10mm）和（10mm），图4-7工作栅格设置

其他保留缺省设置，如图4-7。点击“OK”关闭对话框。用户可以点击主工具箱中的“View