羅錦華 章程 趙成宏

（中國船舶重工集團公司七一二研究所，武漢 430064）

1 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，尤其是計算機技術(shù)、CAD/CAM/CAE技術(shù)以及多體系統(tǒng)動力學(xué)理論的日臻成熟，以系統(tǒng)建模和仿真技術(shù)為核心的虛擬樣機技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用，為解決實際工程分析提供了一個理想平臺。通過仿真、分析，評估系統(tǒng)的性能，可為物理樣機的參數(shù)設(shè)計和制造提供依據(jù)。其中應(yīng)用廣泛、具有代表性的軟件系統(tǒng)有：機械系統(tǒng)動力學(xué)自動分析軟件ADAMS( Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems )、動力學(xué)分析和設(shè)計系統(tǒng)軟件 DADS ( Dynamic Analysis and Design System )、新一代多體動力學(xué)分析軟件Recur Dyn(Recursive Dynamic)等。這些軟件集成了最新的多體系統(tǒng)動力學(xué)理論成果、各種方便的建模工具、高效的求解器、功能強大的后處理模塊以及可視化界面等，用它們來建立機械系統(tǒng)的仿真模型，用戶可以將注意力放在改進模型設(shè)計上，而不必關(guān)心建立方程、求解方程這些在過去要耗費大量精力的工作，從而大大提高了機械系統(tǒng)仿真的效率。盡管這些動力學(xué)軟件都具有一定的三維建模功能，但對于復(fù)雜機械系統(tǒng)或零部件幾何外形不規(guī)則的情況，就顯得力不從心，所以一般用專業(yè)的 CAD建模軟件和專業(yè)動力學(xué)仿真軟件進行聯(lián)合仿真。目前國內(nèi)這方面常見的是用美國PTC公司的Pro/E軟件與美國MDI公司的ADAMS軟件結(jié)合來開發(fā)復(fù)雜機械系統(tǒng)的虛擬樣機。

2 Pro/E和ADAMS軟件介紹

Pro/E軟件是美國參數(shù)技術(shù)公司(Parametric Technology Corporation，簡稱PTC)的重要產(chǎn)品。在目前的三維造型軟件領(lǐng)域中占有著重要地位，并作為當(dāng)今世界機械 CAD/CAE/CAM 領(lǐng)域的新標準而得到業(yè)界的認可和推廣。軟件包Pro/Engineer是該系統(tǒng)的基本部分，其主要功能包括參數(shù)化定義、實體零件及組裝造型，三維上色實體或線框造型等。

ADAMS (Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems)軟件是美國 MDI公司(Mechanical Dynamics Inc.)開發(fā)的目前最權(quán)威的機械系統(tǒng)運動學(xué)與動力學(xué)仿真計算的商用軟件。它使用交互式圖形環(huán)境和零件庫、約束庫、力庫，創(chuàng)建完全參數(shù)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(xué)理論中的拉格郎日方程，建立系統(tǒng)動力學(xué)方程，對虛擬機械系統(tǒng)進行靜力學(xué)、運動學(xué)和動力學(xué)分析，輸出位移、速度、加速度和反作用力曲線，通過在計算機上創(chuàng)建虛擬樣機來模擬復(fù)雜機械系統(tǒng)的整個運動過程，從而達到改進設(shè)計質(zhì)量、節(jié)約成本、節(jié)省時間的目的。其核心 模 塊 包 括 ADAMS/View 和ADAMS/Solver。

3 Pro/E和ADAMS的聯(lián)合仿真

在利用Pro/E和ADAMS進行聯(lián)合設(shè)計時，一般先在Pro/E中實現(xiàn)三維特征建模，利用Pro/E生成零件實體，然后裝配成運動部件并進行干涉檢查，再將整個模型傳送給ADAMS，在ADAMS中完成仿真參數(shù)的設(shè)定，產(chǎn)生參數(shù)化的機構(gòu)模型，并進行動力學(xué)仿真。一般情況下的聯(lián)合仿真設(shè)計流程如圖1所示。

由于選用的 CAD軟件和動力學(xué)仿真軟件是兩個不同公司的產(chǎn)品，這就存在模型傳遞過程中圖形數(shù)據(jù)交換的問題，Pro/E與 ADAMS間進行圖形數(shù)據(jù)傳遞的方法主要有兩種：一是通過標準圖形格式轉(zhuǎn)換，即將Pro/E創(chuàng)建的模型存儲為中性文件格式，然后通過ADAMS的圖形接口模塊ADAMS/Exchange導(dǎo)入仿真環(huán)境；二是使用Pro/E和ADAMS的專用數(shù)據(jù)接口模塊Mechanism/Pro。

Pro/E與 ADAMS共同支持的中性文件格式主要有：IGES、STE、DXF/DEG、SLA、Render等，但由于在傳遞過程中圖形元素丟失過多，比如不可避免地產(chǎn)生丟面破面的問題以及點線數(shù)據(jù)的丟失現(xiàn)象，所以一般不提倡采用。

Mechanism/Pro是MDI公司為ADAMS開發(fā)的針對Pro/E軟件的專用接口模塊，是連接Pro/E與ADAMS之間的橋梁，二者采用無縫連接的方式，安裝便捷。安裝好后，打開裝配模型體，它作為一個懸掛菜單出現(xiàn)，用戶不必退出熟悉的Pro/E環(huán)境，就可以將裝配的總成根據(jù)其運動關(guān)系定義剛體和施加約束，并且可以利用 ADAMS的求解器進行動力學(xué)仿真分析。使用Mechanism/Pro模塊對機械系統(tǒng)模型進行數(shù)據(jù)傳送時，一般遵循以下步驟：

圖1 聯(lián)合仿真設(shè)計流程圖

1) 在 Pro/E環(huán)境中創(chuàng)建裝配模型：利用Pro/E強大的三維建模功能創(chuàng)建模型，建立機械系統(tǒng)各零件并進行裝配。

2) 定義剛體：根據(jù)設(shè)計意圖，將裝配模型中沒有相對運動的零件定義為一個剛體，同時指定一個剛體為大地，作為大地的剛體應(yīng)該是在對模型進行動力學(xué)仿真分析時一直固定不動的剛體，它是其它剛體運動的參考基準。

3) 在接口軟件 Mechanism/Pro下對裝配機構(gòu)進行ADAMS軟件可以識別的運動副的創(chuàng)建。

4) 通過接口軟件 Mechanism/Pro對機構(gòu)施加驅(qū)動和載荷。

5) 把定義好的機構(gòu)通過接口導(dǎo)入到ADAMS，然后對其進行動力學(xué)仿真分析。

4.活塞連桿機構(gòu)聯(lián)合仿真分析

4.1 Pro/E三維建模

活塞連桿機構(gòu)主要由活塞、汽缸、連桿及曲柄軸等組成，在Pro/E中建立活塞連桿機構(gòu)的各零部件，裝配后得到活塞連桿機構(gòu)實體模型，見圖2所示。

圖2 活塞連桿機構(gòu)零件及裝配件Pro/E三維模型

4.2 機構(gòu)模型數(shù)據(jù)的傳送

在 Pro/E環(huán)境中，利用Mechanism/Pro模塊定義好剛體，增加運動約束與驅(qū)動，并施加載荷，最后將Pro/E中的活塞連桿機構(gòu)裝配件模型傳送到ADAMS中進行動力學(xué)仿真分析。將活塞頂面的中心點 piston_top設(shè)置為測量點，用以記錄活塞的位移、速度和加速度，同時測量汽缸與曲柄軸的連接處鉸鏈 joint_1上所作用的力。導(dǎo)入到ADAMS的模型及測量點如圖3所示：

圖3 活塞連桿機構(gòu)的虛擬樣機模型

測量點piston_top的位移、速度和加速度以及joint_1處所受的力隨時間的變化曲線分別見圖4～圖7所示。

4 結(jié)束語

Pro/E和 ADAMS作為三維建模領(lǐng)域和動力學(xué)仿真分析領(lǐng)域的優(yōu)勢產(chǎn)品，二者的聯(lián)合仿真廣泛應(yīng)用于機械設(shè)計、產(chǎn)品開發(fā)、工程校驗等過程中。本文對在二者間進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)南嚓P(guān)技術(shù)進行了說明，并通過實例說明了這種方法是行之有效的，不僅提高了數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的可靠性，還提高工作效率和分析精度，對從事這方面工作的人員具有一定參考意義。

圖4 活塞位移曲線

圖5 活塞速度曲線

圖6 活塞加速度曲線

圖7 曲柄軸與汽缸轉(zhuǎn)動鉸鏈處的受力曲線

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