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基于 ADAMS 软件进行动态仿真分析的一般方法和过程

摘要：
本文通过对相关资料的总结归纳，介绍了虚拟样机的发展现况、 ADAMS 软件、特点以 及利用其进行动态仿真的一般方法和过程。并结合多功能开沟机液压系统进行了建模与仿 真分析。
关键词 ：仿真 ADAMS 优化 虚拟样机

1、前言
随着近代科学技术的发展，工程设计的理论、方法和手段都发生了很大的变化。从计 算机辅助工程(CAE)的广泛应用，到并行工程 (CE)思想的提出与推行，从根本上改变了传 统的设计方法，极大地促进了制造业的发展和革命。但与此同时，人们已清楚地认识到： 即使系统中的每个零部件都是经过优化的，也不能保证整个系统的性能是良好的，即系统 级的优化绝不是系统中各部件优化的简单叠加。于是，由 CAX/DFX 等技术发展而来，以系 统建模、仿真技术为核心的虚拟样机技术 (Virtual Prototyping)得到了迅速发展，并正 成为各国纷纷研究的新的热点。
虚拟样机技术(Virtual Prototyping Technology)是当前设计制造领域的一项新技术， 其应用涉及到汽车制造、工程机械、航空航天、造船、航海、机械电子、通用机械等众多 领域。它利用计算机软件建立机械系统的三维实体模型和运动学及动力学模型，分析和评 估机械系统的性能，从而为机械产品的设计和制造提供依据。虚拟样机技术可使产品设计 人员在各种虚拟环境中真实地模拟产品整体的运动及受力情况，快速分析多种设计方案， 进行物理样机而言难以进行或根本无法进行的试验，直到获得系统的最佳设计方案为止。 虚拟样机技术的应用贯穿着整个设计过程中，它可以用在概念设计和方案论证中，设计者 可以把自己的经验与想象结合在虚拟样机里，让想象力和创造力得到充分地发挥。用虚拟 样机替代物理样机，不但可以缩短开发周期而且设计效率也得到了很大的提高。本文以 ADAMS 为平台，简单说明一下进行虚拟样机的动态仿真分析的一般方法和过程。
2、 ADAMS 软件简介及特点
ADAMS(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical System) 软件，是由美国机械动 力公司 (Mechanical Dynamics Inc，现已经并入美国 MSC 公司)开发的最优秀的机械系统 动态仿真软件，是目前世界上最具权威性的，使用范围最广的机械系统动力学分析软件， 在全球占有率最高。 ADAMS 软件可以广泛应用于航空航天、汽车工程、铁路车辆及装备、 工业机械、工程机械等领域。国外的一些著名大学也开设了介绍 ADAMS 软件的课程，而将 三维 CAD 软件、 有限元软件和虚拟样机软件作为机械专业学生必须了解的工具软件。 ADAMS 一方面是机械系统动态仿真软件的应用软件，用户可以运用该软件非常方便地对虚拟样机 进行静力学、运动学和动力学分析；另一方面，又是机械系统动态仿真分析开发工具，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机械系统动态仿真分 析的二次开发工具平台。ADAMS 与先进的 CAD 软件(UG、Pro/ENGINEER) 以及 CAE 软件(ANSYS) 可以通过计算机图形交换格式文件相互交换以保持数据的一致性。 ADAMS 软件支持并行工 程环境，节省大量的时间和经费。利用 ADAMS 软件建立参数化模型可以进行设计研究，试 验设计和优化分析，为系统参数化提供了一种高效开发工具。
应用 ADAMS 进行动态仿真设计的过程如图 1 所示。

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图 1

ADAMS 软件具有以下特点：
1 、利用交互式图形环境和零件库、约束库、力库建立机械系统三维参数化模型。
2 、分析类型包括运动学、静力学和准静力学分析，以及线性和非线性动力学分析， 包括刚体和柔性体分析。
3 、具有先进的数值分析技术和强有力的求解器。使求解快速、准确。
4、具有组装、分析和动态显示不同模型或同一个模型在某一个过程变化的能力，提 供多种“虚拟样机”方案。
5 、具有一个强大函数库供用户自定义力和运动发生器。
6 、具有开放式结构，允许用户集成自己的子程序。
7、 自动输出位移、 速度、 加速度和反作用力曲线， 仿真结果显示为动画和曲线图形。
8、可预测系统的性能、运动范围、碰撞、包装、峰值载荷以及计算有限元的输入载 荷。
9、支持同大多数 CAD、 FEA 和控制设计软件包之间的双向通信。
3、应用 ADAMS 进行虚拟样机设计的一般方法与过程
3.1 初始化软件
设置 ADAMS/View 的工作路径以及工作环境。在新建了项目和新安装了 ADAMS 后，最 好建立一个工作路径，以方便保存。工作环境的设置包括坐标系、工作栅格、单位、重力 加速度、图标属性、字体等等。这些要根据模型要求以及个人习惯来设定。
3.2 建模
在 ADAMS 中创建刚性构件有两种方法，一种是利用 ADAMS/View 提供的建模工具直接 创建刚性构件，；另一种是通过 ADAMS 与其他 CAD 软件的数据接口，直接导入 CAD 几何模 型，通过适当的编辑可以转换成 ADAMS 中的刚性构件。对于比较简单的几何模型，可以直 接在 ADAMS/View 中建立，而对于比较复杂的几何模型，则需要在其他 CAD 软件中建立起 装配模型，再导入 ADAMS/View 中进行一些简单的编辑就可以进行仿真了，其中主要是修 改导入模型的材料质量属性。
要模拟系统的真实运动情况，就需要根据实际情况抽象出相应的运动副，并在构件之 间定义运动副。如果希望系统能运动起来，还需要在运动副上添加驱动和载荷，以及在构

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件之间施加载荷。
3.3 验证模型
在仿真计算之前，可以对系统的构成、系统的自由度、未定义质量的构件和过约束等 情况进行查询，即便是在建立模型的过程中，也可以进行查询，以保证模型的准确性。验 证这一过程伴随了建模与仿真的全生命周期，其任务是根据特定的建模目的，考察模型在 其任务空间内是否准确地代表了实际系统，主要包括两方面的含义：一是核实概念模型是 否正确地描述了原型系统；二是进一步检验模型输入 /输出行为是否充分接近原型系统的 输入/输出行为。 当然， 模型验证的目的并不是为了模型系统与原型系统的行为完全一致， 而是为了达到特定的方针目的，使模型系统能够一定程度上尽可能复现原型系统的行为。
在仿真的过程中，会遇到各种各样问题，致使仿真失败。其原因是：一方面是由于样 机模型错误造成的。在模型的组装、添加约束时所造成的干涉、过约束等原因会导致仿真 结果的不收敛，因此，不能完成仿真；另一方面由于仿真参数设置的问题。仿真参数的选 择会影响仿真结果，不同的参数甚至会导致结果相差很大。仿真参数具有指导意义，但并 完全适用仿真模型。当遇到复杂模型时，有时即使按照标准来选择仿真参数也不能得到满 意的结果。究其原因：仿真本身就带有一定相似性，与实际运动还是有一定差距；影响样 机仿真的因数是多因素的，简单的几个参数不能完全确定样机的运动状态，只能从大体上 来反映实际运动。当仿真结果不是很理想时，就要考虑是否需要调整一下参数。
3.4 完善模型
如果通过了验证，并进行了机械系统初步的仿真分析，就可以继续完善细化模型，在 己经建好的模型中增加更加复杂的因素。例如，增加两个物体之间的摩擦力、将刚性体改 变为柔性体、添加力函数、定义控制、将刚性约束副替换为弹性连接等，以更好的与实际 情况相吻合。总之，在建模过程中，要不断的反复验证修改模型，以使模型更能真实的模 拟实际机械系统，为我们后来的分析优化提供可靠基础支持。
3.5 迭代
经过对虚拟机仿真数据的研究，可能会发现虚拟样机还有很多缺点，需要进一步改变 设计，这样又要进行一次建模和计算分析的过程，这是一个繁琐的过程。 ADAMS 提供了对 模型进行参数化设计和分析的功能。我们在设计一个虚拟样机时，可以使一些关键的设计 参数在一定的范围内进行变化， 在仿真过程中进行不同参数值的迭代， 并得到不同的数据， 通过对这些数据的研究，来确定最优化的参数。要进行参数化设计，就要定义设计变量， 并参数化模型。
3.6 优化
接下来就可以进行参数化分析了。 ADAMS/View 提供的参数化分析功能可以分析设计变 量变化对模型性能的影响。在参数化分析过程中， ADAMS/View 改变设计参数的值，自动地 进行一系列模拟仿真分析，返回得到的分析结果。通过考察分析结果，用户可以研究一个 或多个参数变化对模型性能的影响，获得最危险的操作工况和最优化的样机。要进行参数 化分析，需要定义目标函数和约束方程。 ADAMS/View 提供了三种参数分析方法：
(1)设计研究
设计研究是当设计变量中只有一个变量在其变化范围内取不同的值，目标函数的变化 情况，此时目标函数只是一个设计变量的函数，其他设计变量不产生变化。通过仿真计算
目标函数就会得到一组相应的曲线，通过对比我们就知道以下内容：
①计变量的变化对样机性能的影响。
②设计变量的最佳取值。
③设计变量的灵敏度，即样机有关性能对设计变量的变化的敏感程度。
(2)实验设计
设计研究只有一个设计变量产生变化，而实验研究是研究多个设计变量产生变化，且 将多个设计变量的取值成组，研究在设计变量取不同值的可能组合时目标函数的取值情况。

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用户指定每一个变量的取值范围或为每一个变量指定一系列离散值， ADAMS/View 执行仿真 并给出每次仿真的测量结果。使用实验研究方法，可以确定哪个设计变量或设计变量的组 合对模型目标量的影响最大。
(3)优化分析
优化分析是 ADAMS/View 提供的一种复杂的高级分析工具。 在优化分析过程中， 用户可 以设定设计变量的变化范围，并施加一定的限制条件以保证最优化设计处于合理的取值范 围内。通常，优化问题可以归结为：在满足设计条件和在指定的变量变化范围内，通过自 动地选择设计变量，由分析程序求目标函数的最大值或最小值。与实验设计相比，优化分 析更侧重于获得最佳目标值。
3.7 完成仿真
通过以上一系列的仿真分析，可以实现对虚拟样机的相关参数的优化，并获得有关虚 拟样机的详细数据，为机械系统的设计提供可靠的依据。
4、利用 ADAMS 进行液压系统的动态仿真分析的实例
功能开沟机是一种典型的变负载、多工况的机电液一体化产品。其液压系统的动态特 性会直接影响整个设备的性能 %利用虚拟样机技术的集成化特点。可将各分系统集成为一 个大系统进行联合仿真。从而解决机械与液压系统之间的相互影响问题 #并可在可视化的 环境下观察仿真结果。
4.1 建立系统的可视化模型
多功能开沟机模型包括机械系统模型和液压系统模型，在 ADAMS/view 下建立机械模型 主要是机械实体的创建和约束副的选择，如液压缸机械模型是在一个圆柱体和一个圆柱腔 体之间创建一个移动副，模型的材质、密度、质量等均可根据实际情况设定。
所建立的液压挖掘机三维模型图：

4.2 液压回路的构成
液压传动是在原来已有模型基础上添加液压传动回路，并通过液压传动回路中执行元 件(液压缸和液压马达)，将液压系统的作用力传递到模型。液压回路由液压元件连接构 成，建立液压传动系统的过程就是选择相应的液压元件并创建液压元件的过程。
液压传动系统一般由下面 5 部分组成：
工作介质。工作介质是液压回路中循环流动的液体，是能量的传递者。

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(1) 动力元件。动力元件是液压系统的动力来源，一般是指液压泵，它将原动机的机 械能转换成液压能，给系统提供动力。
(2) 控制元件。控制元件是指方向控制阀、压力控制阀和流量控制阀等，控制工作介 质的流动方向、压力和流量，以保证执行元件和工作机构按要求工作。
(3) 执行元件。执行元件将液压能转换为机械能，通常是指液压缸和液压马达。通过 执行元件，将液压回路和其他构件联系起来，将执行元件的动力传递给构件，从而驱动构 件之间的相对运动。
(4) 辅助元件。其他一些必需的元件，如油箱、管件和接头等。

4.3 液压系统可视化模型的建立与仿真
在所建立的液压挖掘机模型的基础上创建一个液压回路，用其提供的动力来驱动模型， 使模型产生相应的动作。下面将在模型中的 Cylinder 和 Cylinder_rod 两个构件之间通过 滑移副 Translation_Cylinder 创建液压缸，液压缸的作用点是 Cylinder 构件上的 I_Maker
和 Cylinder_rod 构件上的 J_Maker 。其详细步骤如下所示：
1) 打开坐标窗口和液压模块的工具栏。单击菜单[View]→ [Coordinate Window],打开 坐标窗口。
2) 加载 ADAMS/Hydraulics 模块。单击菜单[Tools]→ [Plugin Manager],在弹出的插 件管理窗口中选择 ADAMS/Hydraulics，单击 OK 按钮后就可以加载 ADAMS/Hydraulics 模块。
3) 设置液压工作环境。单击菜单[Hydraulics]→ [Defaults] → [Set]后，弹出设置工 作环境的对话框，使用默认值即可。
4) 设置工作栅格和视图角。单击菜单 [Settings] → [Working Grid],在弹出的工作栅 格设置对话框中，将工作栅格的 X 和 Y 的尺寸分别设置为 0.6 和 0.4，间距均为 0.01，之 后单击主工具栏上前视图按钮，调整模型的视图方向，可以根据具体情况，放大或缩小模 型。
5) 创建工作介质。单击菜单[Hydraulics]→ [Create] → [Fluid],弹出创建工作介质的 对话框，在 Fluid Name 输入框中输入 Fluid，在 Location 输入框中单击鼠标右键，在弹 出的菜单中选择[Pick Location],然后在图形区单击点(0.36， 0.16， 0.0)，其他保持默 认值，单击 OK 按钮后，就可以创建工作介质,在图形区同时显示工作介质的图标，如果图 标过小，可以放大模型。
6)创建体积容器。 单击菜单[Hydraulics]→ [Create] → [Volume] → [Tank],弹出创建体 积容器对话框，如图 2-2 所示，在 Tank name 输入框中输入 tank，在 Location 输入框中 用鼠标右键拾取点 (0.41，0.17，0.0)，在 Tank Pressure 输入框中输入 100，在 Fluid Name 输入框中输入已经创建的工作介质的名称 fluid。

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图 2-2 创建体积容器 tank

7)创建压力泵。单击菜单[Hydraulics]→ [Create] → [Pump/Motor] → [Pressure Source] 后，弹出创建压力泵对话框，如图 2-3 所示，在 Pressure Source Name 输入框中输入 Pressure _Source，在 Location 输入框中用鼠标右键在图形区拾取点 (0.41，0.11，0.0) ， 将 Initial Pressure 和 Pressure Function 均设置成 1.2E4，在 Fluid Name 输入框中输 入 fluid。

图 2-3 创建压力泵 pressure_source

8)创建三位四通换向阀。单击菜单[Hydraulics]→ [Create] → [Valve] → [Directional Control Valve4w3],弹出创建三位四通换向阀的对话框，如图 2-4 所示，在 Directional Control Valve4w3 Name 输入框中输入 Valve4w3，在 Location 输入框中用鼠标右键在图 形区拾取点(0.38， 0.14， 0.0)，在 Control Input Function 输入框中输入
step(time,0.0,0.0,0.2,1.0)+step(time,0.8,0.0,1.2,-2.0)+step(Time,1.8,0.0,2.0,1.0)，
在 A=f(X)页的 PA Xlap 输入框中输入 5.0E-2，在 PB Xlap 输入框中输入 5.0E-2，在 AT Xlap 输入框中输入-5.0E-2，在 BT Xlap 输入框中输入-5.0E-2,在 Q=f(A,dp)页的 Nom Pressure Drop 输入框中输入 2000.0，在 PA、PB、AT 和 BT 输入框中输入 2.0E-3, 在 Fluid Name 输入框中输入 fluid。

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图 2-4 创建三位四通换向阀 valve4w3

9)创建稳压阀。单击菜单 [Hydraulics] → [Create] → [Valve] → [Counter Balance Valve4p],弹出创建三位四通换向阀的对话框， 如图 2-5 所示， 在 Counter Balance Valve4p Name 输入框中输入 Valve4p，在 Location 输入框中用鼠标右键在图形区拾取点(0.33 ， 0.14， 0.0)，在 General 页的 BA Pressure Area Ratio 输入框中输入 1.0，在 XA Pressure Area Ratio 输入框中输入 3.0，在 Q=f(pA)页的 A Closing Pressure 输入框中输入 11000.0， 在 A1 Pressure 输入框中输入 11600.0，在 A1 Flowrate 输入框中输入 1.2E-003，在 A2 Pressure 输入框中输入 12100.0，在 A2 Flowrate 输入框中输入 2.4E-003，在 BXT Ref Pressure 输入框中输入 100，在 Fluid Name 输入框中输入 fluid。

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图 2-5 创建稳压阀 valve4p

10)创建单向控制阀。 单击菜单[Hydraulics]→ [Create] → [Valve] → [ Check Valve2], 弹出创建单向控制阀对话框， 如图 2-6 所示,在 Check Valve2 Name 输入框中输入Valve2 ， 在 Location 输入框中用鼠标右键在图形区拾取点(0.33， 0.11， 0.0)，在 Q=f(dp)页中的 AB Closing Pressure Drop 输入框中输入 200.0，在 AB1 Pressure Drop 输入框中输入 400.0， 在 AB1 Flowrate 输入框中输入 3.0E-3， 在 AB2 Pressure Drop 输入框中输入 600 ， 在 AB2 Pressure Drop 输入框中输入 6.0E-3，在 Response 页的 Pressure Step 输入框中
输入 200，在 Fluid Name 输入框中输入 fluid。

图 2-6 创建单向控制阀 valve2 11)创建液压缸。单击菜单[Hydraulics]→ [Create] → [Cylinder] → [Cylinder2],弹出

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创建液压缸对话框， 如图 2-7 所示,Cylinder2Name 输入框中输入 Cylinder2， 在 Location 输入框中用鼠标右键在图形区拾取点(0.28， 0.15， 0.0)，在 I Marker 和 J Marker 输入 框中输入 I_Marker 和 J_Marker,在 General 页的 Max Length 输入框中输入 2.4，在 Min Length 输入框中输入 1.45，在 Piston Diameter 输入框中输入 0.1，在 B Rod Diameter 输入框中输入 5.0E-2,在 B Chamber Initial Pressure 输入框中输入 100.0，在 A Chamber Initial Pressure 输入框中输入 8500.0，在 Flexbility 页的 Wall Thickness 输入框中 输入 1.0E-2,在 Losses 页的 Coulomb Friction Force输入框中输入 0.2，在 Piston Seal Friction Coefficient 输入框中输入 1.0E-4，在 Seal Shear Stiffness 输入框中输入 1000， 在 Damping Coefficient 输入框中输入 1，在 Fluid Name 输入框中输入 fluid。

图 2-7 创建液压缸 cylinder2

12)创建三通接头。单击菜单[Hydraulics]→ [Create] → [Volume] → [Junction3],弹出 三通接头对话框，如图 2-8 所示 ,在 junction3 Name 输入框中输入 junction3_ 1, 在 Location 输入框中用鼠标右键在图形区拾取点(0.35， 0.14， 0.0)，在 Initial Pressure 输入框中输入 8500.0，在 Fluid Name 输入框中输入 fluid。用同样的方法创建另外两个 三通接头，位置为(0.3， 0.14， 0.0)和(0.33， 0.16， 0.0) ,三通接头的体积已经在设

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置工作环境对话框中设置过。

图 2-8 创建三通接头对话框

13)调整元件的方向。为便于元件之间的相互连接，需要调整构件之间的方向，单击 菜单[Hydraulics]→ [Toolbox]打开液压模块的工作栏。分别调整工具栏中的相应按钮， 再在图形区选择相应的元件， 就可以分别逆时针旋转、顺时针、 左右翻转或上下翻转元件。
14)连接各元件。一次单击个元件的端口，将各元件连成一个回路。

15)仿真计算。将仿真时间设为 2s，步数设为 200 步，开始仿真。 16)结果后处理。单击 F8 键进入后处理模块，将 Source 设置为 Objects, Filter 选
择 Force, Object 选 择 Cylinder2, Characteristic 选 择 Cylinder_force 或 Cylinder_velocity 项，单击Add Curves 按钮，绘制液压缸 A 腔和 B 腔的流量和压力曲线， 如下图所示：

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改变负载为 600kg 后液压缸 A 腔和 B 腔的流量和压力曲线：

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改变负载为 1200kg 后液压缸 A 腔和 B 腔的流量和压力曲线：

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4.4 小结
通过对液压传动系统的分析，深入理解液压传动模块 ADAMS/Hydraulics 可以建立起 驱动源来自液压动力的复杂机械系统，并利用 ADAMS/Hydraulics 模拟出液压传动回路中 液压控制元件的控制方案与整个系统之间的动力关系。
5、总结
以上只是对系统进行动态仿真分析的一般方法，对于复杂的系统以及希望对优化有更 多要求的，可以进一步进行研究，比如用函数参数化模型、宏操作、优化方法的选择等。 本文对基于 ADAMS 软件进行动态仿真分析的一般方法和过程进行了简单的解释叙述，为使 用 ADAMS 软件的设计者提供一个框架上的参考， 由于篇幅的限制，不涉及软件的具体操作， 具体操作可以查阅相关的书籍。相信通过在实践中不断的积累，就可以熟练掌握 ADAMS。
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