1、精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上基于CAE分析的現代設計流程2006-12-06 18:15在現實生活中，“現代設計”是一個被經常提及的話題，其內涵非常寬泛，涉及設計學原理、設計方法學、計算機輔助創(chuàng)新（CAI）、計算機輔助設計（CAD）、計算機輔助工程（CAE）、計算機輔助制造（CAM）、優(yōu)化和可靠性設計、工業(yè)藝術設計、價值工程、反求工程及相似設計等領域，是與直覺設計、經驗設計、半經驗半理論設計等傳統(tǒng)設計方法相對應的一個概念。一、 前言    不難看出，計算機輔助技術已經成為現代設計方法的主要手段和工具，而其中的CAE技術又成為現代設計流程的核心，因為只有CAE才具有以

2、下功能。     (1) 應用數學模型，借助計算機分析計算，確保產品設計的合理性；     (2) 與優(yōu)化技術配合，找出產品設計最佳方案 ；     (3) CAE所起到的虛擬樣機作用能預測產品在整個生命周期內的可靠性，甚至產品與產品、產品與環(huán)境等之間的相容性；     (4) 知識的獲取是現代設計的關鍵，只有CAE才能真正提高設計者的知識技能，而其他手段通常都只能起到使設計者工作更順手、能更好地表達設計意圖等作用，較少增加關鍵知識。     歷

3、經數十年的發(fā)展，CAE技術的應用已經深入到設計流程的各個環(huán)節(jié)。本文以全球著名的CAE軟件ANSYS為例來闡述CAE分析在現代設計流程中的中心作用。     二、 CAE融入設計全過程     眾所周知，CAE分析利用現代計算機強大的數值計算能力所起到的“虛擬樣機”作用在很大程度上替代了傳統(tǒng)設計中資源消耗極大的“物理樣機驗證設計”過程，極大地縮短了設計周期、減少了成本。但是，目前眾多的設計單位將“CAD”與“CAE分析”截然分開，由不同的人或部門來完成設計與分析工作，存在工作和數據交接、結果等待和評判等過程，造成了整個設計流程的不暢通。

4、事實上，在理想的現代設計過程中，CAE應該融入產品設計的各個階段和環(huán)節(jié)，實現設計分析一體化，如圖1所示。    很顯然，要達到這樣的一體化目標，分析工具需要適應設計的各個環(huán)節(jié)，它必須具有以下特征。     (1) 與主要設計工具CAD軟件具有良好的親和性（CAD模型的雙向參數相關）；     (2) 界面簡潔、操作流程簡單、復雜技術（網格劃分、求解等）能智能化處理；     (3) 良好的計算精度和效率；     (4) 具有強大的分析能力以支持

5、后期分析中經常涉及的復雜問題（非線性、多物理場等）；     (5) 各階段的分析數據能流暢地傳遞。     針對上述前期CAE應用的要求，ANSYS在其經歷數十年發(fā)展的CAE解算技術的基礎上，專門開發(fā)了一套稱為ANSYS Workbench Environment（AWE）的CAE應用環(huán)境，配上其新一代的概念建模工具DesignModeler、革命性的優(yōu)化設計工具DesignXplorer VT等手段，為CAE融入整個設計過程尤其是前期設計過程提供了技術上的完美保障。     “CAE融入設計全過程”的

6、觀點已經得到世界上許多著名公司的廣泛認可。作為全球著名的工具制造商，Caterpillar公司的切身感受是：“在現代競爭環(huán)境下，設計流程非常需要一種自動的工程分析工具在設計早期階段提供有用信息。在Caterpillar，設計工程師將其工作經驗與AWE系列軟件相結合，以準確了解設計細節(jié)、及時把握設計方向，從而省時省錢，在競爭中取勝?！?    值得指出的是，設計過程實際上就是尋找最佳設計方案的過程，因此CAE優(yōu)化設計技術所起的作用是極其重要的。前面提到的DesignXplorer VT就是一個非常優(yōu)秀的CAE優(yōu)化設計工具，其具有以下特點。   &

7、#160; (1) 在有限元分析矩陣上利用高階級數展開的方法求解目標函數與設計變量之間的復雜關系；     (2) “一次有限元計算”即可完成整個優(yōu)化設計過程（如圖2所示）；     (3) 與CAD軟件聯合進行形狀參數優(yōu)化。     與常規(guī)的CAE優(yōu)化技術需要數十、上百次大規(guī)模有限元計算相比，這種優(yōu)化技術可大大提高設計效率。     三、 CAE工作的高級發(fā)展     現代產品設計力求高效率、高質量、低成本，這對CAE分析工具也提出了更高的要求

8、 ：有足夠的技術手段來盡量真實地模擬產品的工作行為?！罢鎸嵞M”涉及到許多高難度問題：高度非線性、多物理場耦合以及產品系統(tǒng)級復雜裝配體模型等等。事實上，CAE分析包括各種各樣的人工產品在內的自然界的所有分析對象，“非線性”和承受“多物理場”影響是其本質，“線性”和“單一物理場”僅僅是我們對特定分析對象在特定條件下的近似合理化假設。因此，“分析面廣、分析程度深、分析對象復雜”是現代CAE應用的發(fā)展方向，如圖3所示。圖4展示的是現代高級CAE軟件的組合分析能力，只有在這樣的分析手段配置下，才能真正解決“真實模擬”的問題。     高級CAE分析對產品設計的技術貢獻是其

9、他工作所不能替代的。比如，Pirod公司是專門生產無線通訊基站鋼結構塔體的制造商，破壞基站塔體的主要因素是無規(guī)律的高速風暴。利用ANSYS的FSI流固直接耦合分析技術，可準確計算塔體結構在極端風載荷作用下的力學特性。圖5顯示的即是在最不利的方向上，時速100英里的來風引起的塔體構件周圍風速分布及構件上的風壓分布。在該分析的基礎上，通過優(yōu)化結構設計，在滿足強度、剛度要求的前提下，塔體使用的原材料和重量下降了將近50，高級CAE分析的應用效果由此可見一斑。    四、 結論    在現代設計流程中，CAE是創(chuàng)造價值的中心環(huán)節(jié)。要使CAE的作用達到最大化，需將

10、其融入到設計全流程中，并對復雜設計對象進行“真實模擬”，象ANSYS這樣的現代CAE軟件已使這樣的設計流程變?yōu)楝F實。加快制定汽車行業(yè)CAE分析流程及結果評價體系 1、我國汽車相關管理方面的情況經過幾十年的努力，特別是近幾年來，我國汽車工業(yè)一直處在高速發(fā)展之中，現今已成為國際汽車市場最熱的地區(qū)，然而在加人WTO之后，中國汽車工業(yè)不僅要面對國內汽車企業(yè)間的競爭，更多的是要承受國外先進汽車企業(yè)在技術、理念、管理、營銷等多方面的強烈沖擊。這種沖擊表面上是質量和設計理念的沖擊，但實質上，技術創(chuàng)新才是這種沖擊的核心力量，也是贏得市場競爭的關鍵。由于我國汽車行業(yè)在國家標準、法律、法規(guī)等方面與國際上相比還是比

11、較寬松的，表現在推薦性標準多，強制性標準少，導致國內許多企業(yè)認為進人汽車行業(yè)的門檻很低，即使是目前汽車行業(yè)競爭已經很激烈的時候，家電企業(yè)、摩托車、原有零部件制造企業(yè)等其他民營資本還是蜂擁而入，這些企業(yè)有的是為了追求暫時的利潤，在研發(fā)上不投入或投入很少，盲目的模仿他人車型，這樣的產品根本無法保證可靠性，更無法面對激烈的國際競爭，其最大弊端就是擾亂了市場，加劇了市場競爭，不利于整體汽車工業(yè)的發(fā)展。鑒于上述情況，國家也在從多方面來規(guī)范市場，近年來我國相關部門相繼出臺了不少汽車方面的法規(guī)和標準，如2002年10月23日，國家質檢總局發(fā)布缺陷汽車產品召回管理規(guī)定（草案），向社會公開征求意見，消費者對此反

12、響熱烈，國家質檢總局組織的調查結果顯示，有99.6%的被調查者贊同盡快出臺缺陷汽車召回制度；2004年3月15日，國家有關部門正式頒布了缺陷汽車產品召回管理規(guī)定，規(guī)定自2004年10月1日起將強制推行汽車召回制度，但僅限于M1類（座位數不超過九座的載客車輛），M2、M3(9座以上乘用車)以及N類(至少有四個車輪且用于載貨的機動車輛)汽車不在此范圍，有消息說2005年底前有望把M2/M3汽車納入召回管理范圍，而N類汽車仍未被列入強制召回計劃；與此同時汽車“三包”規(guī)定也已出臺。2、國內汽車安全性能有關標準和法規(guī)鑒別乘用車安全性高低最直接的方法就是進行汽車安全碰撞實驗，為此國家頒布了汽車乘員碰撞保護

13、GB/T11551-89等一系列條款來劃分汽車安全的標準，并從2001年起實施關于正面碰撞乘員保護的設計規(guī)則（此規(guī)則已于2003年上升為國家標準），乘用車正面碰撞的乘員保護2004年6月1日開始實施，現在越來越多的數據表明，由于汽車發(fā)生側面碰撞時對汽車乘員的致死率明顯高于正面碰撞，因此以歐洲ECER95(側面碰撞法規(guī))為藍本的國內側面碰撞標準據悉也將于明年7月1日頒布實施，同時針對車輛燃油泄漏安全性要求的后撞法規(guī)也將很快實施，汽車正面、側面、后面碰撞等標準的發(fā)布實施無疑將推動國內汽車安全標準體系的建設?？蛙嚪矫嬖贕B13094-200X征求意見稿（代替GB13094-1997）客車結構安全要求

14、中驗證方法中提到要求整車試驗進行頂部靜態(tài)加載或整車側翻試驗；模擬計算要求進行模擬頂部靜態(tài)加載或整車側翻試驗，而不僅僅是以前推薦的要求做頂部靜態(tài)加載試驗。目前，國內汽車技術標準分為強制性和非強制性標準兩項；近兩年大量的法規(guī)頒布和實施，我們可以清楚的看到，國家對于汽車產品的安全性能已越來越重視，碰撞等新法規(guī)的推出和原有推薦標準改為強制標準都說明了這一點。3、保證汽車產品的可靠性的高效技術手段如何從技術角度保證產品不出現可靠性事故等缺陷，滿足安全要求，不被“召回”是非常關鍵的。CAE模擬仿真計算分析技術作為汽車數字化設計的一項核心技術，近年來已被大多數汽車企業(yè)和設計公司所接受并廣泛使用。由于CAE技

15、術的應用可使設計師在產品設計階段對汽車的結構和性能做出預先評估，因而大大降低了新產品開發(fā)的風險，對提高汽車產品質量及縮短開發(fā)周期和成本意義重大；同時，CAE技術可以替代大部分試驗。靈活、方便、快捷的特點使CAE技術能為設計工程師提供大量的仿真試驗數據和技術參數（而其中一些數據根本無法或很難通過試驗獲得），這將有利于設計經驗的積累和設計技術的提高?？梢哉f，CAE技術的應用不僅可以帶來產品競爭力的提升，而且也為企業(yè)的自主創(chuàng)新帶來了新的契機。由于CAE技術具有諸多優(yōu)點，通用、豐田、福特等國際汽車業(yè)巨頭以及一些知名的汽車設計公司都已將其納入到各自的設計體系中，并根據不同的分析內容分別制定了全面、細致的

16、分析標準和分析流程（一般包括分析目的、建模方法、加載標準、分析步驟和結果評價幾個方面），很好地確保了分析的精度和結果的可用性，使之成為整個設計流程中非常重要的一環(huán)。4、國內汽車行業(yè)應用CAE的現狀隨著國際間合作的加深，市場全球化趨勢也來越明顯，近年來CAE技術在國內也逐步得到重視。汽車業(yè)界已普遍意識到CAE技術對提升產品競爭力的重要性，多家主機廠和一些設計公司紛紛建立了自己獨立的CAE部門，并通過聘請國外高水平的CAE專家和提供各種培訓、交流和溝通的機會來提高自身的CAE分析水平。同時，將CAE技術融人整個設計流程的工作也在同步進行，其應用正從開始的人門嘗試階段進入到解決實際問題的階段，并隨著

17、CAE技術的提高和應用范圍的不斷擴大，這方面的成功案例正在逐年增加。由于CAE技術在汽車產品設計中發(fā)揮了越來越重要的作用，相當多的汽車企業(yè)都在產品設計流程中明確規(guī)定了CAE環(huán)節(jié)，沒有CAE分析的設計不能流入下一個技術環(huán)節(jié)。5、國內CAE技術應用存在的問題盡管CAE技術在我國汽車行業(yè)中正逐步得到推廣和應用，并發(fā)揮了重要的作用，但由于起步較晚，與國外先進水平相比尚存在不小的差距。這種差距不僅體現在理論基礎和技術水平上，也體現在試驗的支持和軟件的使用水平上，但更重要的一點是缺少成熟的分析標準和分析流程。分析標準和流程的重要性在CAE技術的入門嘗試階段可能還感覺不到，但隨著CAE分析范圍的擴大（分析對

18、象單個零件逐步發(fā)展到總成系統(tǒng)和整車系統(tǒng)，分析類型從線彈性分析逐步發(fā)展到非線性分析和多物理場耦合分析），這種重要性將越發(fā)明顯。因為對于整車系統(tǒng)而言，除了結構和連接關系非常復雜外，還存在復雜的非線性問題（如橡膠件、塑料件、泡沫件等的材料非線性，各零件間的接觸非線性，整車的結構非線性，等等），在這種情況下，如果各行其是，憑個人的技術基礎和經驗去做CAE分析，那么對不同分析人員而言，就很難保證相互之間計算結果的一致性，更不用談數據的積累和對比了。因而，通過制定汽車行業(yè)的CAE分析標準和流程，使分析方法和步驟規(guī)范化、統(tǒng)一化和流程化，是消除CAE技術提升瓶頸的一條必由之路。要一個過程的。完善分析標準的最直

19、接方法是吸收國外成熟的方法和評價數據，但國外汽車企業(yè)的分析標準都是技術機密，要想獲得這些數據是很困難的。同時，國外的材料、工藝水平、道路情況、評價方式也與國內存在一定差別，因而不能完全照搬國外的分析標準，而只能根據國內的實際情況選擇性的加以吸收。在這種情況下，更多的是需要從理論基礎和設計經驗角度去補充和完善分析方法，更應該與試驗數據的對比去完善建模方法與評價體系，并通過增加軟件使用技巧和心得去提高建模的質量與速度。雖然國內很多企業(yè)在CAE技術應用上取得了很大成績，并制定了企業(yè)內部的分析流程和結果評價體系，但由于國內企業(yè)相互競爭等多方面原因，在這方面的交流很少，還沒有形成一個統(tǒng)一的行業(yè)標準，面對

20、激烈的國際汽車市場競爭，我國本身在CAE技術應用、軟件開發(fā)、經驗結果積累上都與國際汽車行業(yè)存在極大的差距，因此，盡快制定汽車行業(yè)CAE分析標準，加強汽車安全等相關強制性標準的頒布和實施，比如碰撞安全性標準的實施，將會極大推動國內汽車企業(yè)CAE仿真分析的開展和軟件應用水平的提高，進而也會為我國汽車產業(yè)的自主研發(fā)提供技術保障。6、國內汽車行業(yè)亟待制訂行業(yè)CAE分析和結果評價體系近幾年來，國內的一些大的汽車企業(yè)和設計公司正在逐步探索和制定本企業(yè)的CAE分析標準，并將CAE分析過程流程化，從而在產品開發(fā)中發(fā)揮了巨大的作用。很多大的汽車公司經過多年的積極探索和研究，并與MSC公司等供應商展開深度合作，逐

21、步形成了自己獨有的CAE分析標準和流程，內容涵蓋了汽車碰撞安全、車輛運動學與動力學、耐久性（疲勞）、強度與剛度、NVH和空氣動力學等多方面內容。當然，CAE分析標準與流程的制定和完善是需要一個過程的。完善分析標準的最直接方法是吸收國外成熟的方法和評價數據，但國外汽車企業(yè)的分析標準是技術機密，要想獲得這些數據是很困難的。同時，國外的材料、工藝水平、道路情況、評價方式也與國內存在一定差別，因而不能完全照搬國外的分析標準，而只能根據國內的實際情況選擇性的加以吸收。在這種情況下，更多的是需要從理論基礎和設計經驗角度去補充和完善分析方法，更應該與試驗數據的對比去完善建模方法與評價體系，并通過增加軟件使用

22、技巧和心得去提高建模的質量與速度。雖然國內很多企業(yè)在CAE技術應用上取得了很大成績，并制定了企業(yè)內部的分析流程和結果評價體系，并制定了企業(yè)內部的分析流程和結果評價體系，但由于國內企業(yè)相互競爭等多方面原因，在這方面的交流很少，還沒有形成一個同意的行業(yè)標準，面對激烈的國際市場競爭，我過本身在CAE技術應用、軟件開發(fā)、經驗結果累積上都與國際汽車行業(yè)存在極大的差距，因此，盡快制定汽車行業(yè)CAE分析標準，加強汽車安全等相關強制性標準的頒布和實施，比如碰撞安全標準的實施，將會極大推動國內汽車企業(yè)CAE仿真分析的開展和軟件應用水平的提高，進而也會為我國汽車產業(yè)的自主研發(fā)提供技術保障。從技術和法律、法規(guī)、標準

23、等方面提高汽車行業(yè)的進人門檻，從而規(guī)范市場投機行為，促進我國汽車行業(yè)的健康有序發(fā)展?？梢灶A見，隨著CAE應用研究的不斷深人，進入流程化、規(guī)?；?、標準化，它在我國汽車產品自主設計開發(fā)中將扮演越來越重卜要的角色，尤其是對產品可靠性的提高和產品研發(fā)實力的提升將有極大的促進作用，而為我國汽車行業(yè)參與國際競爭、提供有力的技術保障。CAE（計算機輔助工程）分析是采用虛擬分析方法對結構（場）的性能進行模擬（仿真），預測結構（場）的性能，優(yōu)化結構（場）的設計，為產品研發(fā)提供指南，為解決實際工程問題提供依據。         

24、60;  有限元分析（FEA）是以計算機為工具的數值計算分析方法。有限元分析是CAE的重要組成部分，CAE的應用首先是從有限元分析開始的。1965年，美國的大型通用有限元分析程序MSC.NASTRAN首先應用于航空航天。1975年，國內開始舉辦有限元學習班。1980年，美國的有限元結構分析程序SAP5引進我國，有限元分析開始在我國推廣，逐漸成為產品研發(fā)的重要工具。有限元分析在優(yōu)化結構設計、提高產品質量、減少試驗樣品、縮短產品研發(fā)周期、降低產品成本等方面發(fā)揮了巨大作用，取得了明顯的經濟效益。         

25、; 有限元分析應用的發(fā)展與計算機軟件和硬件的發(fā)展密切相關。在有限元分析應用的初期，有限元分析程序沒有前、后處理的功能，后來有限元分析有了前、后處理，其功能也在不斷完善。在有限元分析沒有前、后處理功能的情況下，有限元分析模型的建立和計算結果的整理都是由人工完成的。          1、紫瑞CAE 軟件是由機械部鄭州機械研究所、中科院計算數學及科學與工程計算研究所共同開發(fā)的商品化軟件。紫瑞CAE軟件是與三維微機CAD軟件無縫集成的有限元分析軟件系統(tǒng)。它是由國家科技部“九·五”科技攻關專題機械CAE系統(tǒng)產業(yè)化

26、開發(fā)項目中推出的具有自主版權的通用軟件。紫瑞CAE版軟件匯集了開發(fā)單位三十年研究成果和應用經驗，使用了該領域中當今許多具有國際領先水平的成熟算法和編程技巧。紫瑞CAE版軟件的開發(fā)宗旨是立足國情、面向普通設計者。紫瑞CAE版軟件是與上游CAD軟件無縫集成的自動化有限元結構分析與評價軟件。有限元分析中的網格剖分、載荷與約束施加、有限元求解分析、分析結果后處理以及設計檢查都是自動進行的。用戶只須在上游CAD總體菜單系列中選擇“結構分析”的相應菜單，上述步驟即可由紫瑞CAE自動完成。紫瑞CAE現有模塊有：線性靜力分析、線性動力分析、線性頻率和模態(tài)分析、線性屈曲分析、非線性靜力分析、非線性動力分析、穩(wěn)態(tài)

27、溫度場及其熱應力分析、穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)溫度場分析。          2、華塑CAE3DRF軟件是國家“八五”攻關重點科技項目。塑料制品在汽車、機電、儀表、航天航空等國家支柱產業(yè)及與人民日常生活相關的各個領域中得到了廣泛的應用。塑料制品成形最主要的方法是注射成形，世界塑料成形模具產量中約半數以上是注射模具傳統(tǒng)模具設計方法已不能適應市場的要求，在大型復雜和小型精密注射模具方面我國不得不每年花費數億美元從國外進口模具。注塑模CAE軟件的開發(fā)和應用是通過CAE模擬能大大縮短試模和修模的時間、顯著提高塑料制品的質量、降低成本、減

28、少模具的進口。注塑模CAE屬于機械、力學、材料和計算機相交叉的新興學科，采用計算機模擬熔體成形過程具有很大的難度。因此技術含量高。華塑CAE3DRF軟件96年通過部級鑒定，結論為達到了90年代初國際先進水平（1991-1996）  “九五”期間在國家自然科學基金的支持下不斷地改進、應用和推廣（1996-2001）。華塑CAE3DRF獨具特色、達到和部分超過當前國際先進水平的三維注塑成形仿真系統(tǒng)。解決了用三維實體模型取代中心層模型的關鍵性技術難題，避免了二次建模，增強了軟件的易用性。有限元/有限差分/控制體積方法的綜合運用，滿足模具設計與制造的實際需要。數值計算與人工智能技術的結合，縮

29、短了用戶需求與分析結果之間存在的距離。實現了制品與流道系統(tǒng)的三維流動保壓集成分析，這樣我們的系統(tǒng)不僅能分析一模一腔大型復雜的制品，而且能夠分析一模多腔小型精密制品 。完成了塑料制品熔合紋預測的高效算法， 準確度高于國際上同類產品的先進水平。  簡單說就是仿真,預測機械系統(tǒng)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軟件簡介 基于虛擬樣機技術的商業(yè)軟件ADAMS 3.1 ADAMS軟件概述 ADAMS,即機械系統(tǒng)動力學自動分析(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems),該軟件是美國MDI公司(Me

30、chanical Dynamics Inc.)開發(fā)的虛擬樣機分析軟件.目前,ADAMS己經被全世界各行各業(yè)的數百家主要制造商采用.根據1999年機械系統(tǒng)動態(tài)仿真分析軟件國際市場份額的統(tǒng)計資料,ADAMS軟件銷售總額近八千萬美元,占據了51%的份額. ADAMS軟件使用交互式圖形環(huán)境和零件庫,約束庫,力庫,創(chuàng)建完全參數化的機械系統(tǒng)幾何模型,其求解器采用多剛體系統(tǒng)動力學理論中的拉格郎日方程方法,建立系統(tǒng)動力學方程,對虛擬機械系統(tǒng)進行靜力學,運動學和動力學分析,輸出位移,速度,加速度和反作用力曲線.ADAMS軟件的仿真可用于預測機械系統(tǒng)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.

31、 ADAMS一方面是虛擬樣機分析的應用軟件,用戶可以運用該軟件非常方便地對虛擬機械系統(tǒng)進行靜力學,運動學和動力學分析.另一方面,又是虛擬樣機分析開發(fā)工具,其開放性的程序結構和多種接口,可以成為特殊行業(yè)用戶進行特殊類型虛擬樣機分析的二次開發(fā)工具平臺.ADAMS軟件有兩種操作系統(tǒng)的版本:UNIX版和Windows NT/2000版.本書將以Windows 2000版的ADAMS l2.0為藍本進行介紹. ADAMS軟件由基本模塊,擴展模塊,接口模塊,專業(yè)領域模塊及工具箱5類模塊組成,如表3-1所示.用戶不僅可以采用通用模塊對一般的機械系統(tǒng)進行仿真,而且可以采用專用模塊針對特定工業(yè)應用領域的問題進行

32、快速有效的建模與仿真分析. 表3-1 ADAMS軟件模塊 基本模塊 用戶界面模塊 ADAMS/View 求解器模塊 ADAMS/Solver 后處理模塊 ADAMS/PostProcessor 擴展模塊 液壓系統(tǒng)模塊 ADAMS/Hydraulics 振動分析模塊 ADAMS/Vibration 線性化分析模塊 ADAMS/Linear 高速動畫模塊 ADAMS/Animation 試驗設計與分析模塊 ADAMS/Insight 耐久性分析模塊 ADAMS/Durability 數字化裝配回放模塊 ADAMS/DMU Replay 接口模塊 柔性分析模塊 ADAMS/Flex 控制模塊 ADA

33、MS/Controls 圖形接口模塊 ADAMS/Exchange CATIA專業(yè)接口模塊 CAT/ADAMS Pro/E接口模塊 Mechanical/Pro 專業(yè)領域模塊 轎車模塊 ADAMS/Car 懸架設計軟件包 Suspension Design 概念化懸架模塊 CSM 駕駛員模塊 ADAMS/Driver 動力傳動系統(tǒng)模塊 ADAMS/Driveline 輪胎模塊 ADAMS/Tire 柔性環(huán)輪胎模塊 FTire Module 柔性體生成器模塊 ADAMS/FBG 經驗動力學模型 EDM 發(fā)動機設計模塊 ADAMS/Engine 配氣機構模塊 ADAMS/Engine Valvet

34、rain 正時鏈模塊 ADAMS/Engine Chain 附件驅動模塊 Accessory Drive Module 鐵路車輛模塊 ADAMS/Rail FORD汽車公司專用汽車模塊 ADAMS/Pre(現改名為Chassis) 工具箱 軟件開發(fā)工具包 ADAMS/SDK 虛擬試驗工具箱 Virtual Test Lab 虛擬試驗模態(tài)分析工具箱 Virtual Experiment Modal Analysis 鋼板彈簧工具箱 Leafspring Toolkit 飛機起落架工具箱 ADAMS/Landing Gear 履帶/輪胎式車輛工具箱 Tracked/Wheeled Vehicle

35、齒輪傳動工具箱 ADAMS/Gear Tool 3.2 ADAMS軟件基本模塊 3.2.1 用戶界面模塊(ADAMS/View) ADAMS/View是ADAMS系列產品的核心模塊之一,采用以用戶為中心的交互式圖形環(huán)境,將圖標操作,菜單操作,鼠標點擊操作與交互式圖形建模,仿真計算,動畫顯示,優(yōu)化設計,X-Y曲線圖處理,結果分析和數據打印等功能集成在一起. ADAMS/View采用簡單的分層方式完成建模工作.采用Parasolid內核進行實體建模,并提供了豐富的零件幾何圖形庫,約束庫和力/力矩庫,并且支持布爾運算,支持FORTRAN/77和FORTRAN/90中的函數.除此之外,還提供了豐富的位

36、移函數,速度函數,加速度函數,接觸函數,樣條函數,力/力矩函數,合力/力矩函數,數據元函數,若干用戶子程序函數以及常量和變量等. 自9.0版后,ADAMS/View采用用戶熟悉的Motif界面(UNIX系統(tǒng))和Windows界面(NT系統(tǒng)),從而大大提高了快速建模能力.在ADAMS/View中,用戶利用TABLE EDITOR,可像用EXCEL一樣方便地編輯模型數據,同時還提供了PLOT BROWSER和FUNCTION BUILDER工具包.DS(設計研究),DOE(實驗設計)及OPTIMIZE(優(yōu)化)功能可使用戶方便地進行優(yōu)化工作.ADAMS/View有自己的高級編程語言,支持命令行輸入命

37、令和C+語言,有豐富的宏命令以及快捷方便的圖標,菜單和對話框創(chuàng)建和修改工具包,而且具有在線幫助功能.ADAMS/View模塊界面如圖3-1所示. 圖3-1 ADAMS/View模塊 ADAMS/View新版采用了改進的動畫/曲線圖窗口,能夠在同一窗口內可以同步顯示模型的動畫和曲線圖;具有豐富的二維碰撞副,用戶可以對具有摩擦的二維點-曲線,圓-曲線,平面-曲線,以及曲線-曲線,實體-實體等碰撞副自動定義接觸力;具有實用的Parasolid輸入/輸出功能,可以輸入CAD中生成的Parasolid文件,也可以把單個構件,或整個模型,或在某一指定的仿真時刻的模型輸出到一個Parasolid文件中;具有

38、新型數據庫圖形顯示功能,能夠在同一圖形窗口內顯示模型的拓撲結構,選擇某一構件或約束(運動副或力)后顯示與此項相關的全部數據;具有快速繪圖功能,繪圖速度是原版本的20倍以上;采用合理的數據庫導向器,可以在一次作業(yè)中利用一個名稱過濾器修改同一名稱中多個對象的屬性,便于修改某一個數據庫對象的名稱及其說明內容;具有精確的幾何定位功能,可以在創(chuàng)建模型的過程中輸入對象的坐標,精確地控制對象的位置;多種平臺上采用統(tǒng)一的用戶界面,提供合理的軟件文檔;支持Windows NT平臺的快速圖形加速卡,確保ADAMS/View的用戶可以利用高性能OpenGL圖形卡提高軟件的性能;命令行可以自動記錄各種操作命令,進行自

39、動檢查. 3.2.2 求解器模塊 (ADAMS/Solver) ADAMS/Solver是ADAMS系列產品的核心模塊之一,是ADAMS產品系列中處于心臟地位的仿真器.該軟件自動形成機械系統(tǒng)模型的動力學方程,提供靜力學,運動學和動力學的解算結果.ADAMS/Solver有各種建模和求解選項,以便精確有效地解決各種工程應用問題. ADAMS/Solver可以對剛體和彈性體進行仿真研究.為了進行有限元分析和控制系統(tǒng)研究,用戶除要求軟件輸出位移,速度,加速度和力外,還可要求模塊輸出用戶自己定義的數據.用戶可以通過運動副,運動激勵,高副接觸,用戶定義的子程序等添加不同的約束.用戶同時可求解運動副之間的

40、作用力和反作用力,或施加單點外力. ADAMS/Solver新版中對校正功能進行了改進,使得積分器能夠根據模型的復雜程度自動調整參數,仿真計算速度提高了30%;采用新的S12型積分器(Stabilized Index 2 intergrator),能夠同時求解運動方程組的位移和速度,顯著增強積分器的魯棒性,提高復雜系統(tǒng)的解算速度;采用適用于柔性單元(梁,襯套,力場,彈簧-阻尼器)的新算法,可提高S12型積分器的求解精度和魯棒性;可以將樣條數據存儲成獨立文件使之管理更加方便,并且spline語句適用于各種樣條數據文件,樣條數據文件子程序還支持用戶定義的數據格式;具有豐富的約束摩擦特性功能,在Tr

41、anslational, Revolute, Hooks, Cylindrical, Spherical, Universal等約束中可定義各種摩擦特性. 3.2.3 后處理模塊(ADAMS/PostProcessor) MDI公司開發(fā)的后處理模塊ADAMS/Postprocessor,用來處理仿真結果數據,顯示仿真動畫等.既可以在ADAMS/View環(huán)境中運行,也可脫離該環(huán)境獨立運行.如圖3-2所示. ADAMS/PostProcessor的主要特點是:采用快速高質量的動畫顯示,便于從可視化角度深入理解設計方案的有效性;使用樹狀搜索結構,層次清晰,并可快速檢索對象;具有豐富的數據作圖,數據處

42、理及文件輸出功能;具有靈活多變的窗口風格,支持多窗口畫面分割顯示及多頁面存儲;多視窗動畫與曲線結果同步顯示,并可錄制成電影文件;具有完備的曲線數據統(tǒng)計功能:如均值,均方根,極值,斜率等;具有豐富的數據處理功能,能夠進行曲線的代數運算,反向,偏置,縮放,編輯和生成波特圖等;為光滑消隱的柔體動畫提供了更優(yōu)的內存管理模式;強化了曲線編輯工具欄功能;能支持模態(tài)形狀動畫,模態(tài)形狀動畫可記錄的標準圖形文件格式有:*.gif,*.jpg,*.bmp,*.xpm,*.avi 等;在日期,分析名稱,頁數等方面增加了圖表動畫功能;可進行幾何屬性的細節(jié)的動態(tài)演示. 圖3-2 ADAMS后處理模塊 ADAMS/Pos

43、tProcessor的主要功能包括:為用戶觀察模型的運動提供了所需的環(huán)境,用戶可以向前,向后播放動畫,隨時中斷播放動畫,而且可以選擇最佳觀察視角,從而使用戶更容易地完成模型排錯任務;為了驗證ADAMS仿真分析結果數據的有效性,可以輸入測試數據,并測試數據與仿真結果數據進行繪圖比較,還可對數據結果進行數學運算,對輸出進行統(tǒng)計分析;用戶可以對多個模擬結果進行圖解比較,選擇合理的設計方案;可以幫助用戶再現ADAMS中的仿真分析結果數據,以提高設計報告的質量;可以改變圖表的形式,也可以添加標題和注釋;可以載入實體動畫,從而加強仿真分析結果數據的表達效果;還可以實現在播放三維動畫的同時,顯示曲線的數據位

44、置,從而可以觀察運動與參數變化的對應關系. 3.3 ADAMS軟件擴展模塊 3.3.1 液壓系統(tǒng)模塊(ADAMS/Hydraulics) 應用ADAMS/Hydraulics模塊,用戶能夠精確地對由液壓元件驅動的復雜機械系統(tǒng)進行動力學仿真分析.這類復雜機械系統(tǒng)包括:工程機械,汽車制動系統(tǒng),汽車轉向系統(tǒng),飛機起落架等.運用ADAMS/Hydraulics模塊可以提高機械工程師建立包括液壓回路在內的機械系統(tǒng)動力學模型的能力,工程師利用ADAMS/Hydraulics和ADAMS/Controls模塊相結合,就可以在同一仿真環(huán)境中建造,試驗和觀察包括機-電-液一體化的虛擬樣機.ADAMS/Hydra

45、ulics是選裝模塊,使用的前提條件是要具備ADAMS/SoIver和ADAMS/View模塊. ADAMS/Hydraulics可以幫助用戶將系統(tǒng)性能仿真與液壓系統(tǒng)設計無縫集成為一體.用戶可以首先在ADAMS/View中建立液壓回路框圖,然后通過液壓油缸將其連接到機械系統(tǒng)模型中,最后選取最適當的,功能最強的積分器仿真分析整個系統(tǒng)的性能.用戶同時使用ADAMS/Hydraulics和ADAMS/Controls,可以提供閥體的反饋控制輸入.并且由于液壓系統(tǒng)與機械系統(tǒng)之間的相互作用在計算機內被有機地集成為一體,因此可以方便地進行系統(tǒng)的裝配和仿真試驗. 用戶應用ADAMS/Hydraulics模塊

46、,可以建造機械系統(tǒng)與液壓回路之間相互作用的模型,并在計算機中設置系統(tǒng)的運行特性,進行各種靜態(tài),模態(tài),瞬態(tài)和動態(tài)分析.例如:可以進行液壓系統(tǒng)峰值壓力和運行壓力的分析,液壓系統(tǒng)滯后特性的分析,液壓系統(tǒng)控制的分析,功率消耗的分析,液壓元件和管路尺寸的分析等.由于ADAMS/Hydraulics采用了與ADAMS/View相同的參數化功能和函數庫,因此用戶在液壓元件設計中同樣可以運用設計研究(DS),試驗設計(DOE)以及優(yōu)化(OPTIMIZE)等技術. 3.3.2 振動分析模塊(ADAMS/Vibration) ADAMS/Vibration是進行頻域分析的工具,可用來檢測ADAMS模型的受迫振動(

47、例如;檢測汽車虛擬樣機在顛簸不平的道路工況下行駛時的動態(tài)響應),所有輸入輸出都將在頻域內以振動形式描述,該模塊可作為ADAMS運動仿真模型從時域向頻域轉換的橋梁. 通過運用ADAMS/Vibration可以實現各種子系統(tǒng)的裝配,并進行線性振動分析,然后 利用功能強大的后處理模塊ADAMS/PostProcessor進一步作出因果分析與設計目標設置分析. 采用ADAMS/Vibration模塊,可以在模型的不同的測試點,進行受迫響應的頻域分析.頻域分析中可以包含液壓,控制及用戶系統(tǒng)等結果信息;能夠快速準確將ADAMS線性化模型轉入Vibration模塊中;能夠為振動分析開辟輸入,輸出通道,能定義

48、頻域輸入函數,產生用戶定義的力頻譜;能求解所關注的頻帶范圍的系統(tǒng)模型,評價頻響函數的幅值大小及相位特征;能夠動畫演示受迫響應及各模態(tài)響應;能把系統(tǒng)模型中有關受迫振動響應的信息列表;為進一步分析能把ADAMS模型中的狀態(tài)矩陣輸出到MATLAB及MATRIX中;運用設計研究,DOE及振動分析結果和參數化的振動輸入數指優(yōu)化系統(tǒng)綜合性能. 運用ADAMS/Vibration能使工作變得快速簡單,運用虛擬檢測振動設備方便地替代實際振動研究中復雜的檢測過程,從而避免了實際檢測只能在設計的后期進行且費用高昂等弊病,縮短設計時間,降低設計成本.ADAMS/Vibration輸出的數據還可被用來研究預測汽車,火

49、車,飛機等機動車輛的噪音對駕駛員及乘客的振動沖擊,體現了以人為本的現代設計趨勢. 3.3.3 線性化分析模塊(ADAMS/Linear) ADAMS/Linear是ADAMS的一個集成可選模塊,可以在進行系統(tǒng)仿真時將系統(tǒng)非線性的運動學或動力學方程進行線性化處理,以便快速計算系統(tǒng)的固有頻率(特征值),特征向量和狀態(tài)空間矩陣,使用戶能更快而較全面地了解系統(tǒng)的固有特性. ADAMS/Linear主要功能特點包括:利用該模塊可以給工程師帶來許多幫助:可以在大位移的時域范圍和小位移的頻率范圍間提供一座"橋梁",方便地考慮系統(tǒng)中零部件的彈性特性;利用它生成的狀態(tài)空間矩陣可以對帶有控制元

50、件的機構進行實時控制仿真;利用求得的特征值和特征向量可以對系統(tǒng)進行穩(wěn)定性研究. 3.3.4 高速動畫模塊(ADAMS/Animation) ADAMS/Animation是ADAMS的一個集成可選模塊,使用戶能借助于增強透視,半透明,彩色編輯及背景透視等方法精細加工所形成的動畫,增強動力學仿真分析結果動畫顯示的真實感.用戶既可以選擇不同的光源,并交互地移動,對準和改變光源強度,還可以將多臺攝像機置于不同的位置,角度同時觀察仿真過程,從而得到更完善的運動圖像.該模塊還提供干涉檢測工具,可以動態(tài)顯示仿真過程中運動部件之間的接觸干涉,幫助用戶觀察整個機械系統(tǒng)的干涉情況;同時還可以動態(tài)測試所選的兩個運

51、動部件在仿真過程中距離的變化. 該模塊主要功能是:采用基于Motif/Windows的界面,標準下拉式菜單和彈出式對話窗,易學易用;與ADAMS/View模塊無縫集成,在ADAMS/View中只需點一下鼠標就可轉換到ADAMS/Animation;其使用的前提條件是必須要有ADAMS/View模塊和ADAMS/Solver模塊. 3.3.5 試驗設計與分析模塊(ADAMS/Insight) ADAMS/Insight是基于網頁技術的新模塊.利用該模塊,工程師可以方便地將仿真試驗結果置于Intranet或Extranet網頁上,這樣,企業(yè)不同部門的人員(設計工程師,試驗工程師,計劃/采購/管理/

52、銷售部門人員)都可以共享分析成果,加速決策進程,最大限度地減少決策的風險. 應用ADAMS/Insight,工程師可以規(guī)劃和完成一系列仿真試驗,從而精確地預測所設計的復雜機械系統(tǒng)在各種工作條件下的性能,并提供了對試驗結果進行各種專業(yè)化統(tǒng)計分析的工具.ADAMS/Insight是選裝模塊,既可以在ADAMS/View,ADAMS/Car, ADAMS/Pre環(huán)境中運行,也可脫離ADAMS環(huán)境單獨運行.工程師在擁有這些工具后,就可以對任何一種仿真進行試驗方案設計,精確地預測設計的性能,得到高品質的設計方案. ADAMS/Insight采用的試驗設計方法包括全參數法,部分參數法,對角線法,Box-B

53、ehnkn法,Placket-Bruman法和D-Optimal法等.當采用其他軟件設計機械系統(tǒng)時,工程師可以直接輸入或通過文件輸入系統(tǒng)矩陣對設計方案進行試驗設計;可以通過掃描識別影響系統(tǒng)性能的靈敏參數或參數組合;可以采用響應面法(Response Surface Methods)通過對試驗數據進行數學回歸分析,以更好地理解產品的性能和系統(tǒng)內部各個零部件之間的相互作用;試驗結果采用工程單位制,可以方便地輸入其他試驗結果進行工程分析;通過網頁技術可以將仿真試驗結果通過網頁進行交流,便于企業(yè)各個部門評價和調整機械系統(tǒng)的性能. 另外,ADAMS/Insight能幫助工程師更好地了解產品的性能,能有效

54、地區(qū)分關鍵參數和非關鍵參數;能根據客戶的不同要求提出各種設計方案,可以清晰地觀察對產品性能的影響;在產品制造之前,可綜合考慮各種制造因素的影響(例如:公差,裝配誤差,加工精度等),大大地提高產品的實用性;能加深對產品技術要求的理解,強化在企業(yè)各個部門之間的合作.應用ADAMS/Insight,工程師可以將許多不同的設計要求有機地集成為一體,提出最佳的設計方案,并保證試驗分析結果具有足夠的工程精度. 3.3.6 耐久性分析模塊(ADAMS/Durability) 耐久性試驗是產品開發(fā)的一個關鍵步驟.耐久性試驗能夠解答"機構何時報廢或零部件何時失效"這個問題,它對產品零部件性能

55、,整機性能都具有重要影響.MDI公司已經與MTS公司及nCode公司合作,共同開發(fā)ADAMS/Durability,使之成為耐久性試驗的完全解決方案. ADAMS/Durability按工業(yè)標準的耐久性文件格式對時間歷程數據接口進行了一次全新的擴展.目前,該模塊支持兩種時間歷程文件格式:nSoft和MTS的RPC3.ADAMS/Durability可以把上述文件格式的數據直接輸入到ADAMS仿真模塊中去,或把ADAMS的仿真分析結果輸出到這種文件格式中來. ADAMS/Durability集成了VTL(Virtual Test Lab)技術.VTL工具箱是由MTS與MDI公司設計及創(chuàng)建的標準機

56、械檢測系統(tǒng),通過MTS的RPC圖形用戶界面可實施檢測,并保留檢測配置及操作問題,VTL的檢測結果將返回工業(yè)標準的RPC格式文件中,以便由標準分析應用程序使用,一旦得到實際檢測結果,便可以執(zhí)行預測分析及驗證. nCode公司的nSoft耐久性分析軟件可以進行應力壽命,局部應變壽命,裂隙擴展狀況,多軸向疲勞及熱疲勞特征,振動響應,各種焊接機構強度等分析.ADAMS/Durability把以上技術集成在一起,從而使虛擬樣機檢測系統(tǒng)耐久性成為現實. ADAMS/Durability的主要功能是,可以從nSoft的DAC及RPC3文件中提取時間記載數據,并將其內插入ADAMS仿真模塊中進行分析;可以把R

57、EQUEST數據存儲在DAC及MTS RPC3文件中,把ADAMS仿真結果及測量數據輸出到DAC及MTS RPC3文件;可以查看DAC及MTS RPC3文件的頭信息與數據;可以提取DAC及MTS RPC3文件中的數據并繪圖,以此與ADAMS仿真結果相對照. 3.3.7 數字化裝配回放模塊(ADAMS/DMU Replay) ADAMS/DMU(Digital Mockup)Replay模塊是MDI公司與Dassault Systems合作,針對CATIA的用戶推出的全新模塊,是運行在CATIA V5中的應用程序,可通過CATIA V5的界面訪問.該模塊是ADAMS與CATIA之間數據通訊的橋梁

58、.利用它可以把其他ADAMS產品(如CAT/ADAMS)中得到的分析結果導入到CATIA中進行動畫顯示. ADAMS/DMU模塊的主要功能是:能夠把ADAMS的分析結果導入到CATIA V5中;能夠調整ADAMS部件名稱與CATIA幾何體相一致以便于顯示;能夠用裝配的CATIA幾何體動畫顯示仿真結果;在運動情況下,能產生一般幾何體部件的包絡線,執(zhí)行動態(tài)干涉檢查. 3.4 ADAMS軟件接口模塊 3.4.1 柔性分析模塊(ADAMS/Flex) ADAMS/Flex是ADAMS軟件包中的一個集成可選模塊,提供了與ANSYS,MSC/NASTRAN,ABAQUS,I-DEAS等軟件的接口,可以方便

59、地考慮零部件的彈性特性,建立多體動力學模型,以提高系統(tǒng)仿真的精度.ADAMS/Flex模塊支持有限元軟件中的MNF(模態(tài)中性文件)格式.結合ADAMS/Linear模塊,可以對零部件的模態(tài)進行適當的篩選,去除對仿真結果影響極小的模態(tài),并可以人為控制各階模態(tài)的阻尼,進而大大提高仿真的速度.同時,利用ADAMS/Flex模塊,還可以方便地向有限元軟件輸出系統(tǒng)仿真后的載荷譜和位移譜信息,利用有限元軟件進行應力,應變以及疲勞壽命的評估分析和研究. 3.4.2 控制模塊(ADAMS/Controls) ADAMS/Controls是ADAMS軟件包中的一個集成可選模塊.在ADAMS/Controls中,

60、設計師既可以通過簡單的繼電器,邏輯與非門,阻尼線圈等建立簡單的控制機構,也可利用通用控制系統(tǒng)軟件(如:Matlab,MATRIX,EASY5)建立的控制系統(tǒng)框圖,建立包括控制系統(tǒng),液壓系統(tǒng),氣動系統(tǒng)和運動機械系統(tǒng)的仿真模型. 在仿真計算過程中,ADAMS采取兩種工作方式:其一,機械系統(tǒng)采用ADAMS解算器,控制系統(tǒng)采用控制軟件解算器,二者之間通過狀態(tài)方程進行聯系;其二,利用控制軟件書寫描述控制系統(tǒng)的控制框圖,然后將該控制框圖提交給ADAMS,應用ADAMS解算器進行包括控制系統(tǒng)在內的復雜機械系統(tǒng)虛擬樣機的同步仿真計算. 這樣的機械-控制系統(tǒng)的聯合仿真分析過程可以用于許多領域,例如汽車自動防抱死系統(tǒng)(ABS),主動懸架,飛機起落架助動器,衛(wèi)星姿態(tài)控制等.聯合仿真計算可以是線性的,也可以是非線性的.使用ADAMS/Controls的前提是需要ADAMS與控制系統(tǒng)軟件同時安裝在相同的工作平臺上. 3.4.3 圖形接口模塊(ADAMS/Exchange) ADAMS/Exchange是ADAMS/View的一個集成可選模塊,其功能是利用IGES,STEP,STL,DWG/DXF等產品數據交換庫的標準文件格式完成ADAMS與其他CAD/CAM/CAE軟件之間數據的雙向傳輸,從