虛擬樣機(jī)技術(shù)與應(yīng)用

虛擬樣機(jī)技術(shù)與應(yīng)用第一頁，共48頁。第五章虛擬樣機(jī)技術(shù)與應(yīng)用第二頁，共48頁。概述虛擬樣機(jī)技術(shù)的形成、發(fā)展和應(yīng)用一階直線倒立擺的虛擬樣機(jī)問題與探究—“球棒”系統(tǒng)的虛擬樣機(jī)研究第三頁，共48頁。概述虛擬樣機(jī)中的關(guān)鍵技術(shù)虛擬樣機(jī)技術(shù)中的幾個(gè)概念虛擬樣機(jī)中的相關(guān)技術(shù)第四頁，共48頁。工程案例1：火星車概述勇氣號虛擬樣機(jī)

勇氣號物理樣機(jī)

第五頁，共48頁。概述工程案例1：基于虛擬樣機(jī)的汽車試驗(yàn)

第六頁，共48頁。概述工程案例3：銑刀片的應(yīng)力場分析

第七頁，共48頁。概述利用軟件建立機(jī)械系統(tǒng)的三維實(shí)體模型和動力學(xué)模型，分析和評估系統(tǒng)的性能，從而為物理樣機(jī)的設(shè)計(jì)和制造提供依據(jù)。虛擬樣機(jī)技術(shù)是一種基于虛擬的數(shù)字化設(shè)計(jì)方法，是各領(lǐng)域CAX/DFX技術(shù)的發(fā)展和延伸。進(jìn)一步融合先進(jìn)的建模與仿真技術(shù)、現(xiàn)代信息技術(shù)、先進(jìn)設(shè)計(jì)制造技術(shù)和現(xiàn)代管理技術(shù)，將這些技術(shù)應(yīng)用于復(fù)雜產(chǎn)品全生命周期、全系統(tǒng)，并對它們進(jìn)行綜合管理。虛擬樣機(jī)技術(shù)強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)的觀點(diǎn)、涉及產(chǎn)品全生命周期、支持對產(chǎn)品的全方位測試、分析與評估，強(qiáng)調(diào)不同領(lǐng)域的虛擬化的協(xié)同設(shè)計(jì)。第八頁，共48頁。概述虛擬樣機(jī)中的關(guān)鍵技術(shù)虛擬樣機(jī)技術(shù)的實(shí)施是一個(gè)漸進(jìn)的過程，其中涉及到許多相關(guān)技術(shù)，如總體技術(shù)、多領(lǐng)域協(xié)同建模/仿真/評估技術(shù)、數(shù)據(jù)/過程管理技術(shù)、支撐框架技術(shù)等等。下面主要提及三個(gè)關(guān)鍵技術(shù)

虛擬樣機(jī)管理技術(shù)協(xié)同仿真技術(shù)多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)（MDO）第九頁，共48頁。虛擬樣機(jī)管理技術(shù)虛擬樣機(jī)開發(fā)過程中涉及到大量的人員、工具、數(shù)據(jù)/模型、項(xiàng)目/流程，對這些元素進(jìn)行合理的組織和管理，使其構(gòu)成一個(gè)高效的系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)開發(fā)過程中的信息集成和過程集成，是優(yōu)質(zhì)成功的進(jìn)行虛擬樣機(jī)開發(fā)的必要條件。第十頁，共48頁。協(xié)同仿真技術(shù)協(xié)同仿真技術(shù)將面向不同學(xué)科的仿真工具結(jié)合起來構(gòu)成統(tǒng)一的仿真系統(tǒng)，可以充分發(fā)揮仿真工具各自的優(yōu)勢，同時(shí)還可以加強(qiáng)不同領(lǐng)域開發(fā)人員之間的協(xié)調(diào)與合作。目前HLA規(guī)范已經(jīng)成為協(xié)同仿真的重要國際標(biāo)準(zhǔn)?；贖LA的協(xié)同仿真技術(shù)也將會成為虛擬樣機(jī)技術(shù)的研究熱點(diǎn)之一。

第十一頁，共48頁。多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)（MDO）復(fù)雜產(chǎn)品的設(shè)計(jì)優(yōu)化問題可能包括多個(gè)優(yōu)化目標(biāo)和分屬不同學(xué)科的約束條件?，F(xiàn)代的MDO技術(shù)為解決學(xué)科間的沖突，尋求系統(tǒng)的全局最優(yōu)解提供了可行的技術(shù)途徑。目前MDO技術(shù)在國外已經(jīng)有了許多成功的案例，并出現(xiàn)了相關(guān)的商用軟件，典型的如Engineous公司的iSIGHT。國內(nèi)關(guān)于MDO技術(shù)的研究和應(yīng)用也已經(jīng)展開。

第十二頁，共48頁。概述虛擬樣機(jī)技術(shù)中的幾個(gè)概念虛擬樣機(jī)技術(shù)是一種數(shù)字仿真技術(shù)，它能有效降低研發(fā)成本。虛擬樣機(jī)技術(shù)是從分析解決產(chǎn)品整體性能及其相關(guān)問題的角度出發(fā)，解決傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)與制造過程弊端的高新技術(shù)。虛擬樣機(jī)技術(shù)的應(yīng)用是產(chǎn)品設(shè)計(jì)的重要組成部分。第十三頁，共48頁。概述虛擬樣機(jī)中的相關(guān)技術(shù)幾何形體的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)軟件和技術(shù)。有限元分析(FEA)軟件和技術(shù)。模擬各種各樣作用力的軟件編程技術(shù)。利用實(shí)驗(yàn)裝置的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行某些構(gòu)件的建模控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析軟件和技術(shù)優(yōu)化分析軟件和技術(shù)第十四頁，共48頁。虛擬樣機(jī)技術(shù)的形成、發(fā)展和應(yīng)用虛擬樣機(jī)技術(shù)的形成與發(fā)展虛擬樣機(jī)技術(shù)的工程應(yīng)用ADAMS工具軟件簡介第十五頁，共48頁。虛擬樣機(jī)技術(shù)的形成、發(fā)展和應(yīng)用虛擬樣機(jī)技術(shù)的形成與發(fā)展虛擬樣機(jī)技術(shù)的形成：源于對多體系統(tǒng)動力學(xué)的研究第十六頁，共48頁。虛擬樣機(jī)技術(shù)的形成、發(fā)展和應(yīng)用虛擬樣機(jī)技術(shù)的形成與發(fā)展虛擬樣機(jī)技術(shù)的發(fā)展過程虛擬樣機(jī)技術(shù)是許多技術(shù)的綜合。核心部分是多體系統(tǒng)運(yùn)動學(xué)與動力學(xué)建模理論及其技術(shù)實(shí)現(xiàn)。數(shù)值算法及時(shí)地提供了求解這種問題的有效的快速算法。計(jì)算機(jī)可視化技術(shù)及動畫技術(shù)的發(fā)展為這項(xiàng)技術(shù)提供了友好的用戶界面。CAD/FEA技術(shù)的發(fā)展為虛擬樣機(jī)技術(shù)的應(yīng)用提供了技術(shù)環(huán)境。虛擬樣機(jī)技術(shù)已成為一項(xiàng)相對獨(dú)立的產(chǎn)業(yè)技術(shù)，它改變了傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想．對制造業(yè)產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。第十七頁，共48頁。虛擬樣機(jī)技術(shù)的形成、發(fā)展和應(yīng)用虛擬樣機(jī)技術(shù)的工程應(yīng)用虛擬樣機(jī)技術(shù)在工程中的應(yīng)用是通過界面友好、功能強(qiáng)大、性能穩(wěn)定的商品化虛擬樣機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)的。美國機(jī)械動力學(xué)公司(MechanicalDynamicsInc.)的ADAMS，比利時(shí)LMS公司的DADS以及德國航天局的SIMPACK。其中美國機(jī)械動力學(xué)公司的ADAMS占據(jù)了市場的50%以上。目前虛擬樣機(jī)技術(shù)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用到：汽車制造業(yè)、工程機(jī)械、航天航空業(yè)、國防工業(yè)及通用機(jī)械制造業(yè)等領(lǐng)域。所涉及的產(chǎn)品從龐大的卡車到照相機(jī)的快門，上天的火箭到輪船的錨鏈。在各個(gè)領(lǐng)域里，針對各種產(chǎn)品，虛擬樣機(jī)技術(shù)都為用戶節(jié)省了開支、時(shí)間并提供了滿意的設(shè)計(jì)方案。第十八頁，共48頁。虛擬樣機(jī)技術(shù)的形成、發(fā)展和應(yīng)用虛擬樣機(jī)技術(shù)的工程應(yīng)用實(shí)例一：工程機(jī)械領(lǐng)域的應(yīng)用。第十九頁，共48頁。虛擬樣機(jī)技術(shù)的形成、發(fā)展和應(yīng)用實(shí)例二：產(chǎn)品研發(fā)中的應(yīng)用保齡球的外形研發(fā)

第二十頁，共48頁。虛擬樣機(jī)技術(shù)的形成、發(fā)展和應(yīng)用實(shí)例三：產(chǎn)品的動力學(xué)分析第二十一頁，共48頁。虛擬樣機(jī)技術(shù)的形成、發(fā)展和應(yīng)用實(shí)例四：車輛肇事仿真第二十二頁，共48頁。虛擬樣機(jī)技術(shù)的形成、發(fā)展和應(yīng)用實(shí)例五：機(jī)械系統(tǒng)的參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)洗衣機(jī)的振動模擬第二十三頁，共48頁。虛擬樣機(jī)技術(shù)的形成、發(fā)展和應(yīng)用實(shí)例六：飛行器設(shè)計(jì)飛行模擬

第二十四頁，共48頁。虛擬樣機(jī)技術(shù)的形成、發(fā)展和應(yīng)用ADAMS工具軟件簡介第二十五頁，共48頁。ADAMS工具軟件簡介ADAMS軟件的特點(diǎn)利用交互式圖形環(huán)境和零件、約束、力庫建立機(jī)械系統(tǒng)三維參數(shù)化模型。分析類型包括運(yùn)動學(xué)、靜力學(xué)和準(zhǔn)靜力學(xué)分析，以及線性和非線性動力學(xué)分析，包含剛體和柔性體分析。具有先進(jìn)的數(shù)值分析技術(shù)和強(qiáng)有力的求解器，使求解快速、準(zhǔn)確。具有組裝、分析和動態(tài)顯示不同模型或同一個(gè)模型在某一個(gè)過程變化的能力，提供多種“虛擬樣機(jī)”方案。具有一個(gè)強(qiáng)大的函數(shù)庫供用戶自定義力和運(yùn)動發(fā)生器。具有開放式結(jié)構(gòu)，允許用戶集成自己的子程序。自動輸出位移、速度、加速度和反作用力，仿真結(jié)果顯示為動畫和曲線圖形?？深A(yù)測機(jī)械系統(tǒng)的性能、運(yùn)動范圍、碰撞、包裝、峰值載荷和計(jì)算有限元的輸入載荷支持同大多數(shù)CAD、FEA和控制設(shè)計(jì)軟件包之間的雙向通訊。第二十六頁，共48頁。ADAMS工具軟件簡介ADAMS軟件的應(yīng)用第二十七頁，共48頁。ADAMS工具軟件簡介ADAMS的工具模塊第二十八頁，共48頁。一階直線倒立擺的虛擬樣機(jī)

問題提出虛擬樣機(jī)制作虛擬樣機(jī)的動態(tài)仿真實(shí)驗(yàn)第二十九頁，共48頁。問題提出倒立擺系統(tǒng)仿真與實(shí)物控制實(shí)驗(yàn)是控制領(lǐng)域中用來檢驗(yàn)?zāi)撤N控制理論或方法的典型方案。它對一類不穩(wěn)定系統(tǒng)的控制以及對于深入理解反饋控制理論具有重要的意義。對倒立擺的研究最初始于二十世紀(jì)50年代，麻省理工學(xué)院（MIT）的控制論專家根據(jù)火箭發(fā)射助推器原理設(shè)計(jì)出一級倒立擺實(shí)驗(yàn)設(shè)備，而后世界各國都將一階倒立擺控制作為驗(yàn)證某種控制理論或方法的典型方案。第三十頁，共48頁。問題提出倒立擺系統(tǒng)的控制方法在軍工、航天、機(jī)器人等領(lǐng)域和一般工業(yè)過程中都有著廣泛的用途第三十一頁，共48頁。虛擬樣機(jī)制作一階倒立擺的形態(tài)為了制作出一階倒立擺系統(tǒng)的虛擬樣機(jī)，首先需要對倒立擺的各項(xiàng)技術(shù)功能結(jié)構(gòu)進(jìn)行分解，并將這些結(jié)構(gòu)歸納為一定的單一形體第三十二頁，共48頁。虛擬樣機(jī)制作進(jìn)一步分析，將倒立擺本體的伺服電機(jī)，底座，護(hù)板，擺桿和小車幾個(gè)部分賦予幾何形態(tài)，并按照對稱與均衡的規(guī)律進(jìn)行了組合第三十三頁，共48頁。虛擬樣機(jī)制作單元設(shè)計(jì)第三十四頁，共48頁。虛擬樣機(jī)制作系統(tǒng)總裝第三十五頁，共48頁。虛擬樣機(jī)制作虛擬樣機(jī)的動態(tài)仿真實(shí)驗(yàn)經(jīng)過以上過程，我們就建立了一階倒立擺系統(tǒng)的虛擬樣機(jī)模型，接下來我們將該虛擬樣機(jī)模型導(dǎo)入ADAMS中進(jìn)行機(jī)械動力學(xué)仿真第三十六頁，共48頁。問題與探究—“球棒”系統(tǒng)的虛擬樣機(jī)研究

問題提出基于ADAMS/MATLAB的聯(lián)合仿真技術(shù)問題探究第三十七頁，共48頁。問題與探究—“球棒”系統(tǒng)的虛擬樣機(jī)研究問題提出由剛性球和連桿臂構(gòu)成的球棒系統(tǒng),連桿在驅(qū)動力矩作用下繞軸心O點(diǎn)做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。連桿的轉(zhuǎn)角和剛性球在連桿上的位置分別用、L表示,剛性球的半徑為R。當(dāng)小球轉(zhuǎn)動時(shí)，球的移動和棒的轉(zhuǎn)動構(gòu)成復(fù)合運(yùn)動。第三十八頁，共48頁。問題與探究—“球棒”系統(tǒng)的虛擬樣機(jī)研究基于ADAMS/MATLAB的聯(lián)合仿真技術(shù)技術(shù)描述通過建立該球棒系統(tǒng)的ADAMS模型，可得到一個(gè)近似的虛擬實(shí)物模型，其可以最大限度的模擬球棒系統(tǒng)真實(shí)的運(yùn)動情況。MATLAB仿真是建立在數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上的，其動態(tài)性能都是經(jīng)過計(jì)算得來的；ADAMS建立的系統(tǒng)模型，相當(dāng)于“虛擬樣機(jī)”。ADAMS/Control可以將ADAMS的機(jī)械系統(tǒng)模型與控制系統(tǒng)應(yīng)用軟件(如MATLAB、EASY5或者M(jìn)ATRIX)連接起來，實(shí)現(xiàn)在控制系統(tǒng)軟件環(huán)境下進(jìn)行交互式仿真，還可以在ADAMS中觀察仿真結(jié)果。將兩種軟件聯(lián)合起來使用不僅可以驗(yàn)證動力學(xué)模型的準(zhǔn)確性及控制策略實(shí)用性，還可以得到更加接近實(shí)際情況的仿真結(jié)果，并進(jìn)行分析，進(jìn)一步改善控制策略的穩(wěn)定性。第三十九頁，共48頁。問題與探究—“球棒”系統(tǒng)的虛擬樣機(jī)研究仿真方法及其步驟在使用ADAMS/Control模塊以前，機(jī)械設(shè)計(jì)師和控制工程師使用不同的軟件對同一概念設(shè)計(jì)進(jìn)行重復(fù)建模，并且進(jìn)行不同的設(shè)計(jì)驗(yàn)證和實(shí)驗(yàn)，然后制造物理樣機(jī)。一旦出現(xiàn)問題，不管是機(jī)械系統(tǒng)的故障還是控制系統(tǒng)的故障兩方都要重新設(shè)計(jì)第四十頁，共48頁。問題與探究—“球棒”系統(tǒng)的虛擬樣機(jī)研究使用ADAMS/Control模塊，機(jī)械設(shè)計(jì)師和控制工程師可以共享同一個(gè)虛擬模型，進(jìn)行同樣的設(shè)計(jì)驗(yàn)證和實(shí)驗(yàn)，使機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)能夠協(xié)調(diào)一致，并且可以設(shè)計(jì)復(fù)雜模型，包括非線性模型和非剛體模型。既節(jié)約了設(shè)計(jì)時(shí)間，又增加了設(shè)計(jì)的可靠性。第四十一頁，共48頁。問題與探究—“球棒”系統(tǒng)的虛擬樣機(jī)研究ADAMS/Control控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要有以下四個(gè)步驟第四十二頁，共48頁。問題與探究—“球棒”系統(tǒng)的虛擬樣機(jī)研究球棒系統(tǒng)的聯(lián)合仿真實(shí)驗(yàn)在ADAMS中建立球棒系統(tǒng)動力學(xué)模型第四十三頁，共48頁。問題與探究—“球棒”系統(tǒng)的虛擬樣機(jī)研究定義狀態(tài)變量,生成ADAMS-MATLAB模塊第四十四頁，共48頁。問題與探究—“球棒”系統(tǒng)的虛擬樣機(jī)研究建立MATLAB控制系統(tǒng)第四十五頁，共48頁。問題與探究—“球棒”系統(tǒng)的虛擬樣機(jī)研究問題探究：試?yán)谩疤摂M樣機(jī)”模型，以及ADAMS/MATLAB動力學(xué)聯(lián)合仿真方法，分析下列問題：改變小球的材料（轉(zhuǎn)動慣量），看一下控制效果又如何？控制策略應(yīng)作如何改變？改變長桿材料（轉(zhuǎn)動慣量），看一下控制效果又如何？控制策略應(yīng)作如何改變？改變球與棒之間的動摩擦系數(shù)，看一下控制效果又如何？控制策略應(yīng)作如何改變？第四十六頁，共48頁。本章小結(jié)闡述了虛擬樣機(jī)技術(shù)的產(chǎn)生背景、工程應(yīng)用和發(fā)展方向，介紹了虛擬樣機(jī)技術(shù)基本概念、知識構(gòu)成及其應(yīng)用范圍。虛擬樣機(jī)技術(shù)是一種數(shù)字化方針方法，其應(yīng)用是產(chǎn)品設(shè)