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机械系统动力学分析及ADAMS应用教程 PDF版本.pdf

发布时间：2022-06-09 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：7.02M 资料格式：pdf 举报 版权申诉
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    《机械系统动力学分析及ADAMS应用教程》.pdf
    《机械系统动力学分析及
    内容简介.pdf
    内容简介
    前言.pdf
    前 言
    第1章绪论.pdf
    第1章 绪论
    1.1 虚拟产品开发与虚拟样机技术
    1.1.1 虚拟产品开发技术
    1.1.2 虚拟样机技术
    1.2 数字化功能样机及机械系统动力学分析与仿真
    1.2.1功能虚拟样机
    1.2.2数字化功能样机
    1.2.3机械系统动力学分析与仿真
    1.2.4数字化功能样机软件系统
    1.3 机械系统动力学分析与仿真的发展方向及前沿
    第2章多体系统动力学基本理论.pdf
    第2章 多体系统动力学基本理论
    2.1 多体系统动力学研究状况
    2.1.1 多体系统动力学研究的发展
    2.1.2 多体系统动力学研究活动
    2.1.3 多体系统动力学研究现状
    1．多体系统建模理论
    2．多体系统动力学数值求解
    2.2 多刚体系统动力学建模
    2.2.1 多体系统动力学基本概念
    2.2.2 计算多体系统动力学建模与求解一般过程
    2.2.3 多刚体系统运动学
    2.2.4 多刚体系统动力学
    2.2.5 计算多刚体系统动力学自动建模
    2.3 多柔体系统动力学建模
    2.3.1 柔性体上点的位置向量、速度和加速度
    2.3.2 多柔体系统动力学方程的建立
    2.4 多体系统动力学方程的求解
    2.4.1 非线性代数方程组求解
    2.4.2 微分代数方程组求解
    2.5 多体系统动力学中的刚性（Stiff）问题
    2.5.1 微分方程刚性（Stiff）问题
    2.5.2 多体系统动力学中Stiff问题
    第3章ADAMS软件介绍.pdf
    第3章 ADAMS软件介绍
    3.1 ADAMS软件概述
    3.2 ADAMS软件基本模块
    3.2.1 用户界面模块（ADAMS/View）
    3.2.2求解器模块 (ADAMS/Solver)
    3.2.3 后处理模块（ADAMS/Postprocessor）
    3.3 ADAMS软件扩展模块
    3.3.1 液压系统模块（ADAMS/Hydraulics）
    3.3.2 振动分析模块（ADAMS/Vibration）
    3.3.3 线性化分析模块（ADAMS/Linear）
    3.3.4 高速动画模块（ADAMS/Animation）
    3.3.5 试验设计与分析模块（ADAMS/Insight）
    3.3.6 耐久性分析模块（ADAMS/Durability）
    3.3.7 数字化装配回放模块（ADAMS/DMU Replay）
    3.4 ADAMS软件接口模块
    3.4.1 柔性分析模块（ADAMS/Flex）
    3.4.2 控制模块（ADAMS/Controls）
    3.4.3 图形接口模块（ADAMS/Exchange）
    3.4.4 CATIA专业接口模块（CAT/ADAMS）
    3.4.5 Pro/E接口模块（Mechanical/Pro）
    3.5 ADAMS软件专用领域模块
    3.5.1 轿车模块（ADAMS/Car）
    3.5.2悬架设计软件包（Suspension Design）
    3.5.3概念化悬架模块（CSM）
    3.5.4驾驶员模块（ADAMS/Driver）
    3.5.5动力传动系统模块（ADAMS/Driveline）
    3.5.6轮胎模块（ADAMS/Tire）
    3.5.7柔性环轮胎模块（FTire Module）
    3.5.8柔性体生成器模块（ADAMS/FBG）
    3.5.9经验动力学模型（EDM）
    3.5.10发动机设计模块（ADAMS/Engine）
    3.5.11配气机构模块（ADAMS/Engine Valvetrain）
    3.5.12正时链模块（ADAMS/Engine Chain）
    3.5.13 附件驱动模块（Accessory Drive Module）
    3.5.14 铁路车辆模块（ADAMS/Rail）
    3.5.15 FORD汽车公司专用汽车模块（ADAMS/Pre，现名Chassis）
    3.6 ADAMS软件工具箱
    3.6.1 软件开发工具包（ADAMS/SDK）
    3.6.2 虚拟试验工具箱（Virtual Test Lab）
    3.6.3 虚拟试验模态分析工具箱（Virtual Experiment Modal Analysis）
    3.6.4 钢板弹簧工具箱（Leafspring Toolkit）
    3.6.5 飞机起落架工具箱（ADAMS/Landing Gear）
    3.6.6 履带/轮胎式车辆工具箱（Tracked/Wheeled Vehicle）
    3.6.7 齿轮传动工具箱（ADAMS/Gear Tool）
    第4章ADAMS软件算法基本理论.pdf
    第4章 ADAMS软件基本算法
    4.1 ADAMS建模基础
    4.1.1 参考标架
    4.1.2 坐标系的选择
    4．2 ADAMS运动学分析
    4.2.1 ADAMS运动学方程
    4.2.2 ADAMS运动学方程的求解算法
    4．3 ADAMS动力学分析
    4.3.1 ADAMS动力学方程
    4.3.2 初始条件分析
    4.3.3 ADAMS动力学方程的求解
    4．4 ADAMS静力学及线性化分析
    4.4.1 静力学分析
    4.4.2 线性化分析
    4．5 ADAMS求解器算法介绍
    4.5.1 ADAMS数值算法简介
    4.5.2 动力学求解算法介绍
    4.5.3 动力学求解算法特性比较
    4.5.4 刚性问题求解算法选择
    第5章ADAMSView.pdf
    第5章 ADAMS/View
    5．1 ADAMS/View简介
    5.1.1 建模和仿真的步骤
    5.1.2 创建模型
    5.1.3测试并验证模型
    5.1.4优化模型
    5.1.5用户化和宏功能
    5.1.6启动ADAMS/View
    5.1.7 定义建模环境
    5.2几何建模工具
    5.2.1建模工具调用的两种方式
    5.2.2基本几何形状的绘制
    5.2.3简单形体的建模
    5.2.4复杂形体的建模
    5.2.5几何形体的修改
    5.2.6 Body特性的修改
    5.3约束建模
    5.3.1 约束简介
    5.3.2 创建约束
    5.3.3 定义驱动
    5.3.4 约束建模时需要注意的几点
    5.4施加外力
    5.4.1 基本概念
    5.4.2作用力
    5.4.3 柔性连接
    5.5仿真分析
    5.5.1 设置仿真分析输出
    5.5.2模型检查
    5.5.3样机调试
    5.5.4 样机仿真分析和试验
    5.5.5 仿真过程中参数的设置
    5.5.6仿真结果的保存和删除
    5.6 ADAMS/View应用实例
    5.6.1 几何建摸
    5.6.2 添加约束
    5.6.3 添加运动和力
    5.6.4 仿真分析
    第6章ADAMS模型语言及仿真控制语言.pdf
    第6章 ADAMS模型语言及仿真控制语言
    6.1ADAMS的主要文件介绍
    6.2ADAMS/Solver模型语言（ADAMS DATA Language）adm
    6.2.1 ADAMS/Solver模型语言分类及其语法介绍
    6.2.2模型文件的开头与结尾
    6.2.3惯性单元
    6.2.4几何单元
    6.2.5约束单元
    6.2.6力元
    6.2.7系统模型单元
    6.2.8轮胎单元
    6.2.9数据单元
    6.2.10分析参数单元
    6.2.11输出单元
    6.3ADAMS/Solver命令及仿真控制文件acf
    6.3.1 ADAMS/Solver命令结构及分类
    6.3.2创建ADAMS/Solver仿真控制文件
    第7章ADAMSPostProcessor.pdf
    第7章 ADAMS/PostProcessor使用方法
    7.1 ADAMS/PostProcessor简介
    7.1.1 ADAMS/PostProcessor的用途
    7.1.2 ADAMS/PostProcessor 的启动与退出
    7.1.3 ADAMS/PostProcessor窗口介绍
    7.2 ADAMS/PostProcessor基本操作
    7.2.1 创建任务和添加数据
    7.2.2 工具栏的使用
    7.2.3 窗口模式的设置
    7.2.4 ADAMS/PostProcessor的页面管理
    7.3 ADAMS/PostProcessor输出仿真结果的动画
    7.3.1 动画类型
    7.3.2加载动画
    7.3.3 动画演示
    7.3.4 时域动画的控制
    7.3.5 频域动画的控制
    7.3.6 记录动画
    7.4 ADAMS/PostProcessor绘制仿真结果的曲线图
    7.4.1 由仿真结果绘制曲线图的类型
    7.4.2曲线图的建立
    7.4.3曲线图上的数学计算
    7.5 曲线图的处理
    7.5.1 曲线数据滤波
    7.5.2 快速傅立叶变换
    7.5.3 生成伯德图
    7.6 ADAMS/PostProcessor的应用实例
    7.6.1动力学模型的建立和仿真分析
    7.6.2 采用ADAMS/PostProcessor建立和设置曲线图
    7.6.3 采用ADAMS/PostProcessor对曲线图进行操作
    第8章View函数及Solver函数.pdf
    第8章ADAMS/View函数及ADAMS/Solver函数
    8.1 ADAMS/View函数及ADAMS/Solver函数的类型及建立
    8.1.1 建立表达式模式下的函数
    8.1.2 建立运行模式下的函数
    8.2 ADAMS/View设计函数
    8.2.1 数学函数
    8.2.2 位置/方向函数
    8.2.3 建模函数
    8.2.4 矩阵/数组函数
    8.2.5 字符串函数
    8.2.6 数据库函数
    8.2.7 GUI函数组
    8.2.8 系统函数组
    8.3 ADAMS/View运行函数及ADAMS/Solver函数
    8.3.1 位移函数
    8.3.2 速度函数
    8.3.3 加速度函数
    8.3.4 接触函数
    8.3.5 样条差值函数
    8.3.6 约束力函数
    8.3.7 合力函数
    8.3.8 数学函数
    8.3.9 数据单元
    8.4 函数应用实例
    8.4.1 定义不同形式的驱动约束
    8.4.2定义和调用系统状态变量
    8.4.3 度量或请求的定义和调用
    第9章ADAMS用户子程序.pdf
    第9章ADAMS用户子程序
    9.1 ADAMS用户子程序简介
    9.1.1用户子程序的种类
    9.1.2 子程序的使用
    9．2 常用ADAMS用户子程序简介
    9.2.1 使用GFOSUB用户子程序实例
    9.2.2 常用用户定义子程序简介
    9.3 功能子程序
    9.3.1 功能子程序概述
    9.3.2 功能子程序SYSARY和SYSFNC
    第10章ADAMS参数化建模及优化设计.pdf
    第10章 ADAMS参数化建模及优化设计
    10.1 ADAMS参数化建模简介
    10.2 ADAMS参数化分析简介
    10.2.1 设计研究(Design study)
    10.2.2 试验设计(Design of Experiments)
    10.2.3 优化分析(Optimization)
    10.3参数化建模应用实例
    10.3.1 双摆臂独立前悬架拓扑结构
    10.3.2 系统环境设置
    10.3.3 双摆臂独立前悬架参数化建模
    10.4优化设计实例分析
    10.4.1参数化分析的准备
    10.4.2设计研究
    10.4.3试验设计
    10.4.4优化分析
    10.4.3.3 三种曲线的比较
    第11章ADAMS二次开发及实例.pdf
    第11章 ADAMS二次开发及实例
    11.1 定制用户界面
    11.1.1 定制菜单
    11.1.2 定制对话框
    11.2 宏命令的使用
    11.2.1 创建宏命令
    11.2.2 在宏命令中使用参数
    11.3 循环命令和条件命令
    11.3.1 循环命令
    11.3.2 条件命令
    11.4 ADAMS二次开发实例
    11.4.1 本实例的问题描述
    11.4.2 二次开发文件的组织及ADAMS环境的初始化
    11.4.3 菜单文件及菜单的初始化
    11.4.4 对话框文件和命令文件在建模（前处理）中的应用
    11.4.5 对话框文件和命令文件在分析计算部分的应用
    11.4.6 对话框文件和命令文件在后处理部分的应用
    第12章ADAMS应用实例.pdf
    第12章 ADAMS应用实例
    12.1等速万向节专用仿真分析系统应用实例
    12.1.1 等速万向节结构简介
    12.1.2 等速万向节动力学模型的建立
    12.1.3 等速万向节动力学仿真分析系统简介
    12.1.4 基于本专用系统的万向节虚拟试验及结果
    12.2 ADAMS在汽车悬架及整车系统仿真的应用
    12.2.1整车拓扑结构分析
    12.2.2悬架、转向子系统仿真及其模型验证
    12.2.3整车动力学仿真及其模型验证
    1．整车系统模型的验证
    2．整车动力学仿真
    （1）转向回正试验仿真分析
    （2）转向轻便性试验仿真分析
    （3）蛇行试验仿真分析
    （4）角正弦扫描试验仿真分析
    （5）连续正弦(On-Center)试验仿真分析
    （6）单移线试验仿真分析
    （7）平顺性仿真试验分析
    （8）转弯制动试验仿真分析
    参考文献.pdf
    内容简介 本书介绍了虚拟产品开发与虚拟样机技术的特点、内容及其应用，机械系统动力学分析 与仿真在数字化功能样机中的重要作用以及多体系统动力学的基本理论，包括多刚体系统动 力学建模、多柔体系统动力学建模、多体系统动力学方程求解及多体系统动力学中的刚性 （Stiff）问题，并结合 ADAMS 软件进一步介绍了 ADAMS 软件的基本算法，包括 ADAMS 建模中的概念、运动学分析算法、动力学分析算法、静力学分析及线性化分析算法以及 ADAMS 软件积分器介绍。根据作者使用 ADAMS 的经验和体会，结合实际的例子对机械系 统动力学分析的建模、分析、优化以及专用仿真系统的二次开发等进行了较详细的阐述。 本书可作为高校“机械系统动力学分析”课程教材，对从事机械系统数字化功能样机的 建模、求解、专业化仿真系统二次开发的工程技术人员具有重要的实用价值，可作为机电工 程类本科、研究生教学用书。
    前 言 20 世纪 50 年代以来，计算机技术的迅速发展已经为工程设计、分析和优化技术带来全 面的变革。计算机硬件、计算技术、应用数学、力学、计算机图形学、软件等技术的不断地 结合、融合推动着设计理念、理论、方法、技术乃至工具的进步，设计理论研究、新技术技 术应用空前繁荣。 上世纪九十年代以前以 C3P（CAD/CAE/CAM/PDM）为代表的计算机辅助设计工具 CAX 在工业界得到广泛普及，产生了巨大的经济效益和社会效益，“数字化”作为显著时代 技术特征初露端倪。C3P 首次用计算机取代人完成产品开发过程中机械、繁琐、重复的绘图、 计算和例程管理类工作，大大提高了产品开发效率，但由于学科的融合度较低，各类设计工 具更多地表现为单一学科技术的软件化，其相互集成亦是以软件接口实现所谓的数据集成， 因此，以 C3P 为代表的计算机辅助设计工具对更高层次的设计活动如综合分析、系统优化 设计乃至创新设计缺乏有效的可操作的支持。针对这些不足，上世纪九十年代中期以来，计 算机辅助设计更多地强调了基于多体系统（Multi-body System）复杂机械产品的系统动态设 计、基于多学科协同（Multidisciplinary collaborative）集成框架的优化设计、基于本构融合 的多领域统一建模（Multi-domain physical modeling）可重用机、电、液、控数字化功能样 机分析的研究与开发，并逐步形成相关技术和平台工具；在设计管理方面，产品数据管理 （PDM）向产品全生命周期拓延，已形成产品全生命周期管理技术（PLM）。可以说，多学 科、多领域的融合渗透是 21 世纪计算机辅助产品开发技术发展的主线，M3P 已成为当前技 术研究、开发和应用的时代特征。 多学科融合在推动计算机辅助产品开发技术变革使学科、领域、专业的界限逐步弱化， 对技术的研究、开发和应用人员提出新的要求，无论是研究、开发者还是应用工程师都需要 站在全局的高度把握机电产品的多学科、多领域性，学习、研究和掌握全新的设计理念、方 法和技术。华中科技大学国家 CAD 支撑软件工程技术研究中心，自上世纪 80 年代以来在 优化设计、智能设计、动态设计及 CAD 支撑技术方面进行了深入的基础研究，在相关共性 技术、关键技术取得一批成果，其中许多成果在国内工业界得到广泛推广，产生了良好的社 会效益。近年来，该中心在 M3P 方面结合工业应用开展了大量的共性、关键技术和应用研 究。 本书的主要编创者陈立平、张云清、任为群、覃刚在本领域具备多年研究开发积累和工 程应用经验。编创组针对国内多体动力学、数字化功能样机技术的日益增长的需求，结合技 术教学和工程应用现状，以国际上具有代表性的复杂机械系统动力学建模及仿真平台 ADAMS 为例，对机械数字化功能样机的建模理论、方法、求解、通用平台架构、专业化二 次开发、典型工业应用实例等方面进行了全面、具体、生动地阐述，对相关技术研究、系统 开发和工程应用人员具有重要实用价值，同时亦可作为机电工程本科、研究生教学用书。华 中科技大学 CAD 中心周凡利、王波、项俊、杨勇、陈萌等研究生参与了本书的编写工作， 在此一并表示衷心感谢。 书中不妥之处和错误，敬请读者指正。 华中科技大学 CAD 中心 陈立平 2004-3-5
    第 1 章 绪论 本章首先介绍虚拟产品开发与虚拟样机技术的特点、内容及其应用；在此基础上提出 数字化样机的概念，并由此引入机械系统动力学分析与仿真，概述了机械系统动力学分析 与仿真在数字化功能样机中的重要作用；最后阐述了机械系统动力学分析与仿真的发展方 向及前沿。通过本章的学习可以对虚拟样机技术及机械系统动力学分析仿真技术的内容及 发展有较深入的了解，便于以后对具体内容的学习掌握。 1.1 虚拟产品开发与虚拟样机技术 1990 年 10 月 29 日，美国波音公司正式启动波音 777 飞机研制计划，采用一种全新的 设计与制造方式，4 年半之后，于 1994 年 6 月 12 日直接进行了第 1 架波音 777 的首次试 飞。波音 777 飞机的研制采用了全数字化的无纸设计技术，整机外型、结构件和整机飞机 系统 100%采用三维数字化定义，100%应用数字化预装配，整个设计制造过程无需模型和 样机，一次成功，首次实现了整机数字化设计、数字化制造和数字化协调。对比以往的飞 机研制，波音 777 成本降低了 25%，出错返工率减少了 75%，制造周期缩短了 50%。波音 777 的研制成为现代产品开发新技术应用的里程碑，其采用的开发过程现在称之为虚拟产 品开发（Virtual Product Development - VPD），应用的开发技术称之为虚拟样机技术（Virtual Prototyping - VP）。 虚拟产品开发和虚拟样机技术的出现是市场激烈竞争的拉动和技术迅速发展的推动共 同作用的结果。随着世界经济的一体化发展，市场竞争日趋激烈，多品种小批量生产和大 批量定制生产逐渐成为主导的生产形式。在这种情况下，企业要求得生存与发展，就必须 调整其产品开发和生产组织模式，解决 T（最快的上市时间）、Q（最好的产品质量）、C（最 低的产品成本）、S（良好的产品服务）和 E（尽少的环境污染）难题。另一方面，世界已 经进入全球化的知识经济时代，现代信息技术特别是计算机技术得到飞速发展与广泛应用， 这为 TQCSE 难题的解决提供了机遇。在这样的背景条件下，虚拟产品开发和虚拟样机技 术应运而生。 1.1.1 虚拟产品开发技术 1．虚拟产品开发特点 早在 1993 年，世界著名 CAD/CAM 服务供应商 EDS UG 的总裁 John Mazzola 就对 VPD 作了这样的描述：“虚拟产品开发是一种设想，在这个设想中，以网络方式组织在一起的人 们将协同工作，以完成对产品的设计、分析、制造及技术支持。他们的工作将以数字化的 方式确定和分配，从而使得他们能够在任何时间、任何地点协同或独立地工作。这种开发 网络除了生产公司外，还将包括供应商、合作伙伴及客户。” 这个描述对于“虚拟产品开发”作了精确的概括，直到十年之后的现在仍然是合乎时
    机械系统动力学分析及 ADAMS 应用 宜的，它指出了虚拟产品开发具备的三个主要特点： （1）数字化方式 虚拟产品开发是产品设计制造的真实过程在虚拟环境中的映像。虚拟产品开发数字化 的特征表现在三个方面：一是产品存在的数字化，产品在开发过程中的不同阶段，直至成 品出现之前，都是以数字化方式存在，称之为产品的数字化模型；二是开发管理的数字化， 在产品开发过程中，开发过程的管理采用数字化的方式，开发网络的任务是以数字化方式 确定和分配的；三是信息交流的数字化，在产品设计制造的全生命周期中，同一阶段或不 同阶段之间，如设计单位内部或设计与制造单位之间，产品信息的交流采用数字化方式， 基于数字化模型实现无纸化设计。 （2）产品全生命周期 虚拟产品开发是从产品研究、产品规划、产品设计、产品试验、产品制造、产品销售、 产品使用到产品最终报废的产品全生命周期在计算机上构造的虚拟环境中予以实现，其目 标不仅是对产品的物质形态和制造过程进行模拟和可视化，而且对产品的性能、行为和功 能以及在产品实现的各个阶段中的实施方案进行预测、评价和优化。产品全生命周期的数 字化是由 CAD（Computer Aided Design – 计算机辅助设计）/CAE（Computer Aided Engineering – 计算机辅助工程）/CAM（Computer Aided Manufacture – 计算机辅助制造） /PDM（Product Data Manager）技术支持的，目前，CAD/CAE/CAM/PDM 技术有了进一步 的发展，称之为 VP（Virtual Prototype – 虚拟样机）/PLM（Product Life-Cycle Manager – 产 品全生命周期管理）。 （3）网络协同 虚拟产品开发是开发网络协同工作的结果，产品本身及其开发过程的复杂性，使得单 一公司或部门难以胜任全部的工作，往往是由相关的部门和公司共同组成一个开发网络， 协同开发。如上述波音 777 开发过程中，日本三菱、川崎和富士重工业株式会社承担了 20% 的结构工作。虚拟产品开发的数字化特性以及现代网络技术的发展使得网络协同成为现实， 基于网络的协同开发和并行工程成为 VPD 的重要特征。 2．虚拟产品开发使能技术 为了实现具有上述三个特点的虚拟产品开发，需要有相关的使能技术支持。虚拟产品 开发主要有以下四个方面的使能技术： （1）产品数字化建模 虚拟产品开发技术是利用计算机虚拟地实现产品全生命周期的所有活动，这就要求建 立一个全数字化的适宜于产品全生命周期的产品模型。与产品开发过程相适应，产品全生 命周期数字化模型应该包容以下内容：首先是产品几何模型，几何模型与产品结构设计相 对应，是后续一系列过程进行的基础；其次是产品分析模型，分析模型要求支持以保证和 提高产品性能为主旨的各种工程分析，如有限元分析、运动学和动力学分析以及与具体产 品类型相关联的特性分析等等；再者是产品制造模型，以支持产品的虚拟制造过程。这样， 通过一致化的全生命周期产品模型，以数字化的方式统一产品的设计、分析与制造过程。 （2）PDM/PLM 虚拟产品开发技术以数字化方式统一产品的全生命周期过程，但是产品开发过程中的 不同阶段有着不同的侧重点，同时不同阶段之间存在着频繁的资料和信息交流，这就要求 2
    第 1 章 绪 论 采用某种方式或工具以实现产品开发不同阶段的产品信息的表示、存储和操作，以及异地 设计人员的直接交流，这是靠产品数据管理（PDM）系统来实现的。目前产品数据管理系 统已经进一步发展为产品全生命周期管理（PLM）系统。 （3）网络协同技术 随着竞争的全球化、产品创新周期的缩短以及信息和知识超越地点与时间的应用等情 况的出现，企业力求提高产品开发的并行化程度，增强不同时间、不同地点的开发人员进 行协同开发的能力。虚拟产品开发技术将产品的模型定义在计算机上，利用计算机网络通 讯的技术，使处于异地的产品设计人员也可方便地进行交流，协同进行产品的开发。除了 包含设计、制造、装配、试验等专业人员外，还有可以有合作开发伙伴以及具体的用户参 加，这样便可以使产品的开发者与需求者能共同进行产品的设计。由于这一切都是在对计 算机中的产品数据模型进行操作，使得产品的开发过程中发现的问题可以通过对产品模型 的调整得到迅速的解决。 （4）业务流程重组 虚拟产品开发技术相对于传统产品开发而言，不只是一种新技术的采用，它改变了传 统产品开发过程的几乎所有环节，这就要求生产企业针对自身的实际情况，面向虚拟产品 开发进行业务流程的重组并建立相应的数字化过程模型。如建立产品开发过程模型，实现 过程模型表示、处理、调整、优化和电子化；根据实际生产环境制定相应的生产组织模型， 设定各种组织结构、活动分工、责任权限；建立资源模型来描述生产过程中的各种活动信 息，如加工设备、工作人员等，从而能在产品开发过程中实现资源的动态优化配置；制定 合适的约束规则和协调机制，产品的开发活动要受到一定的约束条件制约，从而使产品最 终能满足用户的要求，协调机制则是为了能保障产品开发过程能顺利的进行，并按照最优 的方向发展。 3．虚拟产品开发流程 虚拟产品开发最主要的特征是产品开发过程的数字化，它彻底地改变了传统的产品开 发流程；不仅如此，数字化设计还贯穿于产品全生命周期。产品全生命周期包括一系列不 同的阶段，如图 1.1 所示。数字化设计主要用于产品开发，包括产品规划、产品设计（包 括初步设计和详细设计）和产品试验这三个阶段，并且是一个循环反复的过程。同时，数 字化模型不只是限于存在于产品开发阶段，还根据不同的需要存在于后续的产品制造、产 品销售、产品使用等过程。 产品研究 产品规划 产品设计 产品试验 产品制造 产品销售 产品使用 产品报废 产品开发 产品形成 产品市场 产品处理 3
    机械系统动力学分析及 ADAMS 应用 图 1.1 产品全生命周期 比照产品全生命周期阶段图，可以对虚拟产品开发和传统产品开发的流程进行比较， 如图 1.2 所示。 图 1.2 虚拟产品开发与传统产品开发流程比较 传统产品开发，在概念设计（产品规划）之后，是一个产品设计—样机建造—测试评 估—反馈设计的循环反复过程，这其中的每一次循环，都伴随有物理样机的建造或修改， 随之而来的产品开发周期的延长和开发成本的增长。 虚拟产品开发，将传统的产品设计—样机建造—测试评估—反馈设计的循环过程采用 虚拟样机技术，以数字化方式进行，避免了物理样机的建造，不仅利于缩短产品开发周期 和降低产品开发成本，而且数字化方式采用利于协同工作的进行，数字化模型的应用使得 产品全生命周期的统一成为可能。 由如图 1.2 所示的虚拟产品开发流程可以看到，在虚拟产品开发过程中，起到核心作 用的是虚拟样机（Virtual Prototype），它统一了产品开发过程中的产品设计—样机建造—测 试评估过程。在这里要指出的是，虚拟样机（Virtual Prototype）和虚拟样机技术（Virtual Prototyping）是相近的两个概念，但有所区别，虚拟样机侧重于产品的数字化模型，指对 一个与物理样机具有功能相似性的系统或者子系统模型进行的基于计算机的仿真；而虚拟 样机技术则侧重于虚拟样机的应用，指使用虚拟样机来代替物理样机对候选设计方案的某 4
    第 1 章 绪 论 方面或综合的特性进行仿真测试和评估的过程。 1.1.2 虚拟样机技术 虚拟样机技术是近些年在产品开发的 CAX 如 CAD、CAE、CAM 等技术和 DFX 如 DFA （Design For Assembly – 面向装配的设计）、DFM（Design For Manufacture – 面向制造的 设计）等技术基础上发展起来的，它进一步融合了现代信息技术、先进仿真技术和先进制 造技术，将这些技术应用于复杂系统全生命周期和全系统并对它们进行综合管理，从系统 的层面来分析复杂系统，支持由上至下的复杂系统开发模式，利用虚拟样机代替物理样机 对产品进行创新设计测试和评估，以缩短产品开发周期，降低产品开发成本，改进产品设 计质量，提高面向客户与市场需求的能力。 1．虚拟样机技术的内容 按照美国前 MDI 公司总裁 Robert R. Ryan 博士（MDI 公司现已被 MSC. Software 公司 收购）对虚拟样机技术的界定，虚拟样机技术是面向系统级设计的、应用于基于仿真设计 过程的技术，包含有数字化物理样机（Digital Mock-up）、功能虚拟样机（Functional Virtual Prototyping）和虚拟工厂仿真（Virtual Factory Simulation）三个方面内容。数字化物理样机 对应于产品的装配过程，用于快速评估组成产品的全部三维实体模型装配件的形态特性和 装配性能；功能虚拟样机对应于产品分析过程，用于评价已装配系统整体上的功能和操作 性能；虚拟工厂仿真对应于产品制造过程，用于评价产品的制造性能。这三者在产品数据 管理（PDM）系统或产品全生命周期管理（PLM）系统的基础上实现集成。 数字化物理样机（DMU - Digital Mock-up）解决方案不同于以 UG 和 CATIA 为代表的 结构设计软件，不是强调结构上的设计，而是更重视物理样机零部件的形态特性和系统装 配特性的数字化检视。DMU 充分利用镶嵌式的三维零件实体造型技术，以增强对大型系统 的快速显示和浏览能力，实现造型、装配、浏览、运动包迹、冲突检测等功能，并有效支 持协同设计、巡航浏览、干涉/碰撞检测等。在与产品数据管理（PDM）系统集成的情况下， DMU 能提供有效的方法以保证产品的所有零部件配合良好（fit 特性），并且显示为所设计 的形态（form 特性）。国外在这方面领导潮流的公司或产品主要有 Tecoplan、EDS/VisMock- up、Clarus 和 Division 等。 功能虚拟样机（FVP – Functional Virtual Prototyping）解决方案充分利用三维零件的实 体模型和零件有限元模型的模态表示，在虚拟实验室或虚拟试验场的试验中精确地预测产 品的操作性能，如运动/操纵性、振动/噪声、耐久性/疲劳、安全性/冲击、工效学/舒适性等 等。在这方面居领先地位的主要公司/产品有 MSC/ADAMS、LMS/DADS 等。 虚拟工厂仿真（VFS – Virtual Factory Simulation）解决方案对产品完整的制造和装配过 程进行仿真，以解决产品制造和装配过程中的公差、机器人、装配、序列等问题。在这方 面突出的公司和产品主要有 Tecnomatix/eMPower、Deneb/QUEST（现为 Delmia 公司产品）。 数字化物理样机（DMU）、功能虚拟样机（FVP）和虚拟工厂仿真（VFS）联合起来， 提供了有效的方法实现从实体物理样机向软件虚拟样机的转化，从而有效地支持了虚拟产 品开发。虚拟样机技术的内容如图 1.3 所示。 5
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