李 力

(中南大學(xué)機電工程學(xué)院，湖南 長沙 410012)

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基于ADAMS的虛擬樣機技術(shù)課程教學(xué)實踐

李 力

(中南大學(xué)機電工程學(xué)院，湖南 長沙 410012)

利用虛擬樣機技術(shù)ADAMS軟件的先進性與成效性，以培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力為教學(xué)目的，采用課堂講授與現(xiàn)場實踐互動、加強實踐性教學(xué)環(huán)節(jié)、科研成果融入教學(xué)等模式，開展《機械系統(tǒng)虛擬樣機建模與仿真》課程的教學(xué)與實踐.在學(xué)習(xí)基本ADAMS/View軟件建模與仿真的基礎(chǔ)上，突顯了機電方向的多學(xué)科融合特點，建立了機械系統(tǒng)運動副和驅(qū)動約束方程，完成了機械系統(tǒng)的參數(shù)化建模與設(shè)計、機-液-電多學(xué)科協(xié)同仿真應(yīng)用分析及工程機械A(chǔ)DAMS/ATV履帶車工具箱建模方法與實踐，以期探索提高高校學(xué)生創(chuàng)新能力的新模式.

虛擬樣機；ADAMS軟件；建模；協(xié)同仿真；創(chuàng)新能力

市場競爭日益激烈，企業(yè)需要解決產(chǎn)品的上市時間、質(zhì)量、成本等難題.隨著現(xiàn)代計算機技術(shù)的高速發(fā)展，虛擬樣機技術(shù)為解決上述難題提供了手段與方法.近20年來，虛擬樣機技術(shù)在汽車制造業(yè)、航空航天、工程機械、農(nóng)業(yè)機械、船舶業(yè)等多領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，對提高中國基礎(chǔ)工業(yè)機械產(chǎn)品設(shè)計與制造水平起到了重要作用，成效顯著.[1]

培養(yǎng)高素質(zhì)創(chuàng)新型人才是中國高校的教育宗旨.鑒于目前虛擬樣機技術(shù)的先進性和成效性，中國大部分高等理工科院校的機械類專業(yè)均開設(shè)虛擬樣機技術(shù)的相應(yīng)課程，該課程已成為工科類機械、汽車、航空等專業(yè)學(xué)生用于提高機械設(shè)計和創(chuàng)新能力的一門特色課程[2].特別是，針對實際機電系統(tǒng)的復(fù)雜性與耦合性，虛擬樣機技術(shù)的相應(yīng)課程將作為工科機械制造專業(yè)機械電子工程方向的必修或選修課程.

圖1 跳跳蛙玩具的虛擬樣機模型

中南大學(xué)機電工程學(xué)院以機械制造及自動化專業(yè)的機械電子方向本科生為培養(yǎng)對象，采用目前國際上應(yīng)用廣泛且具有權(quán)威性的機械系統(tǒng)動力學(xué)自動分析軟件ADAMS(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical System)軟件為平臺，開設(shè)了基于虛擬樣機技術(shù)的《機械系統(tǒng)虛擬樣機建模與仿真》課程，取得了令人滿意的成績.選修了該課程的學(xué)生，在機械設(shè)計創(chuàng)新大賽、課程設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計中均采用虛擬樣機建模與仿真方法，所完成的機電產(chǎn)品在設(shè)計水平和創(chuàng)新性方面得到很大的提升，教學(xué)效果明顯.中南大學(xué)學(xué)生在專業(yè)課程設(shè)計中，采用ADAMS/View軟件所設(shè)計的跳跳蛙玩具的虛擬樣機模型見圖1.

1 基于ADAMS軟件的虛擬樣機技術(shù)

美國MDI公司開發(fā)的ADAMS軟件包括基本模塊、擴展模塊、接口模塊、專業(yè)領(lǐng)域模塊及工具箱[3]，具有交互式圖形建模與仿真環(huán)境，能提供零件庫、約束庫、力庫，創(chuàng)建機械系統(tǒng)的參數(shù)化模型.該軟件具有開放式的程序結(jié)構(gòu)和多種接口，可作為用戶的二次平臺開發(fā).

圖2 虛擬樣機實現(xiàn)過程

機械系統(tǒng)的虛擬樣機技術(shù)的實現(xiàn)過程包括建造、測試、驗證、改進及自動化等[1]，如圖2所示.其中，建造、測試和改進是虛擬樣機建立與仿真的基礎(chǔ).建造是將機械系統(tǒng)幾何實體模型施加約束力與驅(qū)動，建立虛擬樣機模型；測試是建立虛擬實驗條件與環(huán)境，再現(xiàn)機械系統(tǒng)的試驗過程；改進是采用參數(shù)化功能進行實驗設(shè)計和模型優(yōu)化，以及在機械模型基礎(chǔ)上加配控制和液壓系統(tǒng)等模型，形成機-電-液聯(lián)合模型，獲得較為接近實際的目標(biāo)產(chǎn)品.采用如圖2所示的虛擬樣機手段，產(chǎn)品的開發(fā)周期縮短，開發(fā)成本降低，設(shè)計質(zhì)量提高，市場競爭能力得到提升.

2 課程教學(xué)模式的構(gòu)建

《機械系統(tǒng)虛擬樣機建模與仿真》課程的授課對象主要是機械制造及自動化專業(yè)機械電子工程方向的本科生.利用ADAMS軟件與多學(xué)科軟件的融合性，以機械系統(tǒng)虛擬樣機的建模理論為基礎(chǔ)，從簡單機構(gòu)至復(fù)雜機構(gòu)，從單一機械系統(tǒng)至機電液聯(lián)合系統(tǒng)一一進行建模與仿真.

為了使機制專業(yè)機械電子工程方向的本科生熟悉掌握ADAMS軟件基本功能與基本模塊操作方法，采用ADAMS軟件熟練建立機械系統(tǒng)的虛擬樣機模型，掌握其仿真、分析和優(yōu)化，提高機械電子工程方向本科生的機械產(chǎn)品設(shè)計能力.同時，為避免該課程的教學(xué)內(nèi)容枯燥無味，筆者對其教學(xué)模式進行了優(yōu)化.

2.1 精選適合本專業(yè)學(xué)生的教學(xué)內(nèi)容

本課程的前期課程為《機械原理》、《機械零件》、《液壓傳動與控制》和《控制系統(tǒng)數(shù)字仿真》.在學(xué)習(xí)本課程時，學(xué)生已對機械系統(tǒng)有了一定的了解，對液壓系統(tǒng)與控制系統(tǒng)有了一定的認(rèn)知.筆者以機械系統(tǒng)為主要授課內(nèi)容，結(jié)合液壓系統(tǒng)及電控系統(tǒng)，將教學(xué)內(nèi)容設(shè)置為4大部分：機械系統(tǒng)建模，虛擬樣機仿真與分析，機械系統(tǒng)參數(shù)化設(shè)計與優(yōu)化，機械-電控系統(tǒng)和機械-液壓系統(tǒng)的協(xié)同仿真.

2.2 加強課堂講授與現(xiàn)場實踐互動環(huán)節(jié)

基于ADAMS軟件的建模和仿真的現(xiàn)場教學(xué)方式，要求學(xué)生自帶已安裝好的ADAMS軟件的筆記本跟隨教師一起實踐，每節(jié)課1個案例，學(xué)生邊聽邊操作.在案例的具體操作過程中，學(xué)生可以掌握ADAMS 軟件的基本命令、基本模塊、建模過程、仿真過程、利用后處理分析機械系統(tǒng)的運動學(xué)與動力學(xué)參數(shù)等.課后布置練習(xí)作業(yè)，便于學(xué)生鞏固課堂教學(xué)內(nèi)容和ADAMS操作方法.

2.3 增強實踐性教學(xué)環(huán)節(jié)

本課程教學(xué)過程中，要求學(xué)生完成一項科研小項目，該項目內(nèi)容完成情況占期末考試成績的20%.要求運用ADAMS軟件解決機械系統(tǒng)分析、建模、仿真及分析、優(yōu)化等問題，達到教學(xué)與科研一體化的教學(xué)目的，培養(yǎng)學(xué)生分析與解決問題的能力，增強創(chuàng)新意識.

2.4 融入科研成果于教學(xué)環(huán)節(jié)

將教師的科研項目成果引入課堂教學(xué)中，以科研項目中的虛擬樣機為實例，向?qū)W生講授怎樣分析科研項目中虛擬樣機的技術(shù)要求、工況、基本原理等科研基本要素，讓學(xué)生了解采用ADAMS軟件如何解決科研中虛擬樣機的問題，同時感受ADAMS軟件在機械電子一體化的科研中的重要作用.

2.5 增設(shè)現(xiàn)場考試環(huán)節(jié)

為了充分體現(xiàn)學(xué)生對本課程的學(xué)習(xí)與實踐狀況，避免軟件類課程考試變成開卷考試形式，采用在ADAMS軟件實驗室現(xiàn)場完成機械系統(tǒng)虛擬樣機建模與仿真考試方式，提交電子考試卷與機械系統(tǒng)虛擬樣機模型，現(xiàn)場考試環(huán)節(jié)占期末考試成績的70%.

3 課程教學(xué)實踐案例分析

3.1 機械系統(tǒng)運動副和驅(qū)動約束方程建立

圖3 平面轉(zhuǎn)動鉸運動學(xué)約束方程示意

建立機械系統(tǒng)常用的運動副(如轉(zhuǎn)動鉸、滑移鉸、平面相對圓柱鉸、柱銷-滑移副、凸輪從動副、齒輪副、齒輪與齒條等)的約束方程和驅(qū)動(如轉(zhuǎn)動驅(qū)動、滑移驅(qū)動和滑動驅(qū)動)的約束方程，讓學(xué)生掌握各種運動副和驅(qū)動的建模原理，以便在復(fù)雜機械系統(tǒng)建模時正確理解運動副和驅(qū)動，對其進行符合實際的簡化或組合.例如，剛體Bα和Bβ在公共基xoy內(nèi)構(gòu)成平面轉(zhuǎn)動鉸的運動學(xué)約束方程(圖3)、自由度，以及與ADAMS軟件的關(guān)系[4].

3.2 機械系統(tǒng)參數(shù)化建模與設(shè)計

圖4 “門鎖”夾緊機構(gòu)虛擬樣機參數(shù)化設(shè)計

在產(chǎn)品設(shè)計過程中，需要不斷修改產(chǎn)品虛擬樣機的相關(guān)參數(shù)，達到優(yōu)化產(chǎn)品性能的目的.例如，利用ADAMS軟件參數(shù)化的設(shè)計研究、試驗設(shè)計和優(yōu)化分析的功能，開展產(chǎn)品參數(shù)的敏感度分析、多個變量同時發(fā)生變化時對虛擬樣機性能影響，以及優(yōu)化設(shè)計參數(shù)，自動更新虛擬樣機模型，使產(chǎn)品性能達到最佳，形成最優(yōu)的虛擬樣機.采用ADAMS軟件自帶的“門鎖”圖4.

3.3 多學(xué)科協(xié)同仿真應(yīng)用分析

圖5 冶金出鋁車虛擬樣機模型

機電一體化行業(yè)強調(diào)，利用ADAMS軟件所提供的機械系統(tǒng)與控制系統(tǒng)的接口功能，開展機電系統(tǒng)的協(xié)同仿真，可以獲得優(yōu)化的機電一體化系統(tǒng)整體性能.(ⅰ)將機械系統(tǒng)CAD模型導(dǎo)入ADAMS/View軟件中，形成虛擬樣機模型；(ⅱ)利用ADAMS軟件提供的線性控制模塊和濾波模塊，實現(xiàn)前置濾波、PID控制和其他連續(xù)時間單元的模擬仿真；(ⅲ)利用ADAMS/Control模塊支持Matlab、AMESim等軟件分析功能，將機械系統(tǒng)與控制系統(tǒng)有機地連接起來，實現(xiàn)在復(fù)雜控制算法下對機電系統(tǒng)的協(xié)同仿真，使機械電子工程專業(yè)的本科生學(xué)會一種全新的機電一體化設(shè)計方法.

(1)機械系統(tǒng)與CAD軟件結(jié)合.在冶金行業(yè)中，中國首臺用于電解鋁生產(chǎn)的出鋁車虛擬樣機模型[5]如圖5所示.出鋁車的中部缺口設(shè)計使得車體在結(jié)構(gòu)上存在嚴(yán)重不對稱，而在運輸過程中出鋁包的平穩(wěn)性要求很高；為此，利用虛擬樣機技術(shù)ADAMS/View軟件，對出鋁車在行駛過程中操控性與平順性進行分析.利用ADAMS/View軟件與CAD軟件的接口，將出鋁車PRO圖形導(dǎo)入ADAMS/View軟件，并建立輪胎和地面模型和出鋁車的虛擬樣機，對出鋁車在直線與轉(zhuǎn)彎行走時的動力學(xué)進行仿真，獲得鋁車的直線行走和轉(zhuǎn)彎的動力學(xué)特性.通過此案例的分析，將CAD軟件模型導(dǎo)入ADAMS軟件，并進行仿真分析，獲得了機械系統(tǒng)的特性曲線.

(2)機械系統(tǒng)與液壓系統(tǒng)協(xié)同仿真.利用AMESim仿真軟件建立出鋁車行走驅(qū)動與懸掛系統(tǒng)的液壓系統(tǒng)，確定液壓系統(tǒng)的參數(shù)為出鋁車虛擬樣機的輸入?yún)?shù)，利用ADAMS/Control模塊導(dǎo)出AMESim軟件的接口模塊，將出鋁車虛擬樣機導(dǎo)入其液壓系統(tǒng)模型中，建立出鋁車與其液壓系統(tǒng)的協(xié)同仿真模型[5](圖6).利用ADAMS和AMESim軟件平臺對出鋁車在液壓系統(tǒng)驅(qū)動下的直線行走和轉(zhuǎn)彎進行仿真，獲得出鋁車的機械與液壓系統(tǒng)的整體性能.通過此案例分析與學(xué)習(xí)，學(xué)生學(xué)會將液壓系統(tǒng)軟件AMESim模型導(dǎo)入ADAMS軟件，協(xié)同仿真機械系統(tǒng)與液壓系統(tǒng).

圖6 冶金出鋁車機-液系統(tǒng)協(xié)同仿真模型

圖7 履帶式海底采礦車虛擬樣機模型

(3)ADAMS/ATV履帶車工具箱建模.履帶式車輛主要應(yīng)用于工程機械產(chǎn)品，是中國機械行業(yè)的主要產(chǎn)品之一.利用ADAMS軟件的ATV履帶車工具箱，開發(fā)履帶式工程機械車輛.采用ADAMS/ ATV履帶車工具箱，建立了中國第1臺1 000 m海洋礦產(chǎn)資源采礦系統(tǒng)的履帶式海底采礦車虛擬樣機模型[6](圖7).鑒于海底底質(zhì)稀軟的環(huán)境特性，海底采礦車采用履帶式.利用ADAMS/ ATV履帶車工具箱建立海底采礦車虛擬樣機，對海底采礦車在海泥上行走進行仿真，獲得其運動學(xué)和動力學(xué)特性.該案例使得學(xué)生掌握了ADAMS/ ATV履帶車工具箱的使用和解決履帶式工程機械的關(guān)鍵問題.

圖8 全地形履帶車虛擬樣機模型

圖9 全地形履帶車與控制系統(tǒng)協(xié)同仿真模型

(4)機械系統(tǒng)與控制系統(tǒng)協(xié)同仿真.利用ADAMS/ATV履帶車工具箱建立全地形履帶車虛擬樣機模型[8](圖8).為了使全地形車在越障過程中能按預(yù)定路徑直線行走，利用Matlab軟件開發(fā)控制算法，確定控制系統(tǒng)的輸出參數(shù)為全地形履帶車，利用ADAMS/Control模塊導(dǎo)出與ADAMS/ATV軟件的接口模塊，將全地形履帶車虛擬樣機導(dǎo)入其控制系統(tǒng)模型中，建立全地形履帶車與其控制系統(tǒng)的協(xié)同仿真模型[9](圖9).利用ADAMS/ATV和Matlab軟件平臺對全地形車與控制系統(tǒng)的越障進行仿真，獲得全地形履帶車在控制算法下的越障性能[7].此案例采用Matlab軟件與ADAMS/ATV軟件協(xié)同仿真的方法，將機械與控制系統(tǒng)聯(lián)合且協(xié)同仿真.

4 結(jié)語

《機械系統(tǒng)虛擬樣機建模與仿真》課程以培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力為教學(xué)目的，結(jié)合高校機械制造及自動化專業(yè)機機械電子工程方向的多學(xué)科特點，利用虛擬樣機技術(shù)ADAMS軟件的先進性，構(gòu)建了融合理論和實踐教學(xué)于一體化的教學(xué)模式，突出了互動性教學(xué)、增加實踐性教學(xué)環(huán)節(jié)、現(xiàn)場考試等方式，將科研與工程實踐應(yīng)用教學(xué)于全過程.

[1] 陳立平，張云清，任衛(wèi)群.機械系統(tǒng)動力學(xué)分析及ADAMS應(yīng)用教程[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005.

[2] 楊 鶯,王 剛.虛擬樣機技術(shù)應(yīng)引入高校工科類課程教學(xué)[J].寧波職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報,2004,8(5):78-79.

[3] 鄭建榮.ADAMS虛擬樣機技術(shù)入門與提高[M].北京：機械工業(yè)出版社，2001.

[4] 洪嘉振，劉錦陽.機械系統(tǒng)計算動力學(xué)與建模[M].北京:高等教育出版社,2011.

[5] 李 力，溫榮耀，陳 銘，等.新型出鋁車機電液協(xié)同仿真與有限元分析[J].中南大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版,2014,45(7):2 201-2 208.

[6] LI Li，ZHONG Jue.Research of China’s Pilot-Miner in the Mining System of Poly-Metallic Nodule[C].Proceedings of the Sixth International Society of Offshore and Polar Engineers,Ocean Mining Symposium,2005：124-131.

[7] LI Li,LIU Shaojun,WU Changbin,et al.Simulation of Motion Performance for a Cobalt Crust Miner on Seamounts[C].Proceedings of the Seventh International Society of Offshore and Polar Engineers,Ocean Mining Symposium,2007:153-157.

[8] 李 力，張 正，陳 銘，等.基于Lyapunov理論的海底采礦車點鎮(zhèn)定控制[J].中南大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2014,45(8):2 624-2 628.

(責(zé)任編輯 陳炳權(quán))

Course Teaching and Practice of “Virtual Prototype Technology” Based on ADAMS

LI Li

(College of Mechanical and Electrical Engineering,Central South University,Changsha 410083,China)

Based on the advancement and effectiveness of the virtual prototype technology in ADAMS software,the teaching and practice of the course "Modeling and Simulation of Virtual Prototype of Mechanical System" mainly focus on the creation of students' innovation ability，combination of lecture and practice，enhancement of practical teaching，and introduction of research achievement into teaching.Based on modeling and simulation in ADAMS/View,the design of this course highlights the multi-disciplinary features of electromechanical engineering,and aims at teaching students to build the kinematic pair and constraint equations,to build and design the parameterization model,to simulate the machine which combines mechanical /hydraulic/electrical system,and to build the tracked vehicle model using ADAMS/ ATV.Through this course design,a new teaching method to improve the innovation ability of students in the university is explored.

virtual prototype;ADAMS software;modeling;co-simulation;innovation ability

1007-2985(2015)04-0075-05

李 力(1963—)，女，湖南益陽人，中南大學(xué)機電工程學(xué)院教授，主要從事海洋技術(shù)、車輛技術(shù)與機電一體化等研究.

G642

A

10.3969/j.issn.1007-2985.2015.04.018