基于ADAMS的虛擬樣機(jī)技術(shù)課程教學(xué)實(shí)踐

李 力

(中南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410012)

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基于ADAMS的虛擬樣機(jī)技術(shù)課程教學(xué)實(shí)踐

李 力

(中南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410012)

利用虛擬樣機(jī)技術(shù)ADAMS軟件的先進(jìn)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(chǎng)實(shí)踐互動(dòng)、加強(qiáng)實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)、科研成果融入教學(xué)等模式，開展《機(jī)械系統(tǒng)虛擬樣機(jī)建模與仿真》課程的教學(xué)與實(shí)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(jī)電方向的多學(xué)科融合特點(diǎn)，建立了機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)副和驅(qū)動(dòng)約束方程，完成了機(jī)械系統(tǒng)的參數(shù)化建模與設(shè)計(jì)、機(jī)-液-電多學(xué)科協(xié)同仿真應(yīng)用分析及工程機(jī)械A(chǔ)DAMS/ATV履帶車工具箱建模方法與實(shí)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(jī)；ADAMS軟件；建模；協(xié)同仿真；創(chuàng)新能力

市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日益激烈，企業(yè)需要解決產(chǎn)品的上市時(shí)間、質(zhì)量、成本等難題.隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，虛擬樣機(jī)技術(shù)為解決上述難題提供了手段與方法.近20年來(lái)，虛擬樣機(jī)技術(shù)在汽車制造業(yè)、航空航天、工程機(jī)械、農(nóng)業(yè)機(jī)械、船舶業(yè)等多領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，對(duì)提高中國(guó)基礎(chǔ)工業(yè)機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(guó)高校的教育宗旨.鑒于目前虛擬樣機(jī)技術(shù)的先進(jìn)性和成效性，中國(guó)大部分高等理工科院校的機(jī)械類專業(yè)均開設(shè)虛擬樣機(jī)技術(shù)的相應(yīng)課程，該課程已成為工科類機(jī)械、汽車、航空等專業(yè)學(xué)生用于提高機(jī)械設(shè)計(jì)和創(chuàng)新能力的一門特色課程[2].特別是，針對(duì)實(shí)際機(jī)電系統(tǒng)的復(fù)雜性與耦合性，虛擬樣機(jī)技術(shù)的相應(yīng)課程將作為工科機(jī)械制造專業(yè)機(jī)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(jī)模型

中南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院以機(jī)械制造及自動(dòng)化專業(yè)的機(jī)械電子方向本科生為培養(yǎng)對(duì)象，采用目前國(guó)際上應(yīng)用廣泛且具有權(quán)威性的機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)自動(dòng)分析軟件ADAMS(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical System)軟件為平臺(tái)，開設(shè)了基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的《機(jī)械系統(tǒng)虛擬樣機(jī)建模與仿真》課程，取得了令人滿意的成績(jī).選修了該課程的學(xué)生，在機(jī)械設(shè)計(jì)創(chuàng)新大賽、課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)中均采用虛擬樣機(jī)建模與仿真方法，所完成的機(jī)電產(chǎn)品在設(shè)計(jì)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(jì)中，采用ADAMS/View軟件所設(shè)計(jì)的跳跳蛙玩具的虛擬樣機(jī)模型見圖1.

1 基于ADAMS軟件的虛擬樣機(jī)技術(shù)

美國(guó)MDI公司開發(fā)的ADAMS軟件包括基本模塊、擴(kuò)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(kù)、約束庫(kù)、力庫(kù)，創(chuàng)建機(jī)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(tái)開發(fā).

圖2 虛擬樣機(jī)實(shí)現(xiàn)過(guò)程

機(jī)械系統(tǒng)的虛擬樣機(jī)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程包括建造、測(cè)試、驗(yàn)證、改進(jìn)及自動(dòng)化等[1]，如圖2所示.其中，建造、測(cè)試和改進(jìn)是虛擬樣機(jī)建立與仿真的基礎(chǔ).建造是將機(jī)械系統(tǒng)幾何實(shí)體模型施加約束力與驅(qū)動(dòng)，建立虛擬樣機(jī)模型；測(cè)試是建立虛擬實(shí)驗(yàn)條件與環(huán)境，再現(xiàn)機(jī)械系統(tǒng)的試驗(yàn)過(guò)程；改進(jìn)是采用參數(shù)化功能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和模型優(yōu)化，以及在機(jī)械模型基礎(chǔ)上加配控制和液壓系統(tǒng)等模型，形成機(jī)-電-液聯(lián)合模型，獲得較為接近實(shí)際的目標(biāo)產(chǎn)品.采用如圖2所示的虛擬樣機(jī)手段，產(chǎn)品的開發(fā)周期縮短，開發(fā)成本降低，設(shè)計(jì)質(zhì)量提高，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力得到提升.

2 課程教學(xué)模式的構(gòu)建

《機(jī)械系統(tǒng)虛擬樣機(jī)建模與仿真》課程的授課對(duì)象主要是機(jī)械制造及自動(dòng)化專業(yè)機(jī)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(jī)械系統(tǒng)虛擬樣機(jī)的建模理論為基礎(chǔ)，從簡(jiǎn)單機(jī)構(gòu)至復(fù)雜機(jī)構(gòu)，從單一機(jī)械系統(tǒng)至機(jī)電液聯(lián)合系統(tǒng)一一進(jìn)行建模與仿真.

為了使機(jī)制專業(yè)機(jī)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(jī)械系統(tǒng)的虛擬樣機(jī)模型，掌握其仿真、分析和優(yōu)化，提高機(jī)械電子工程方向本科生的機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)能力.同時(shí)，為避免該課程的教學(xué)內(nèi)容枯燥無(wú)味，筆者對(duì)其教學(xué)模式進(jìn)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(jī)械原理》、《機(jī)械零件》、《液壓傳動(dòng)與控制》和《控制系統(tǒng)數(shù)字仿真》.在學(xué)習(xí)本課程時(shí)，學(xué)生已對(duì)機(jī)械系統(tǒng)有了一定的了解，對(duì)液壓系統(tǒng)與控制系統(tǒng)有了一定的認(rèn)知.筆者以機(jī)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(jī)械系統(tǒng)建模，虛擬樣機(jī)仿真與分析，機(jī)械系統(tǒng)參數(shù)化設(shè)計(jì)與優(yōu)化，機(jī)械-電控系統(tǒng)和機(jī)械-液壓系統(tǒng)的協(xié)同仿真.

2.2 加強(qiáng)課堂講授與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐互動(dòng)環(huán)節(jié)

基于ADAMS軟件的建模和仿真的現(xiàn)場(chǎng)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(shí)踐，每節(jié)課1個(gè)案例，學(xué)生邊聽邊操作.在案例的具體操作過(guò)程中，學(xué)生可以掌握ADAMS 軟件的基本命令、基本模塊、建模過(guò)程、仿真過(guò)程、利用后處理分析機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)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(qiáng)實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)

本課程教學(xué)過(guò)程中，要求學(xué)生完成一項(xiàng)科研小項(xiàng)目，該項(xiàng)目?jī)?nèi)容完成情況占期末考試成績(jī)的20%.要求運(yùn)用ADAMS軟件解決機(jī)械系統(tǒng)分析、建模、仿真及分析、優(yōu)化等問(wèn)題，達(dá)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(wèn)題的能力，增強(qiáng)創(chuàng)新意識(shí).

2.4 融入科研成果于教學(xué)環(huán)節(jié)

將教師的科研項(xiàng)目成果引入課堂教學(xué)中，以科研項(xiàng)目中的虛擬樣機(jī)為實(shí)例，向?qū)W生講授怎樣分析科研項(xiàng)目中虛擬樣機(jī)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(jī)的問(wèn)題，同時(shí)感受ADAMS軟件在機(jī)械電子一體化的科研中的重要作用.

2.5 增設(shè)現(xiàn)場(chǎng)考試環(huán)節(jié)

為了充分體現(xiàn)學(xué)生對(duì)本課程的學(xué)習(xí)與實(shí)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(shí)驗(yàn)室現(xiàn)場(chǎng)完成機(jī)械系統(tǒng)虛擬樣機(jī)建模與仿真考試方式，提交電子考試卷與機(jī)械系統(tǒng)虛擬樣機(jī)模型，現(xiàn)場(chǎng)考試環(huán)節(jié)占期末考試成績(jī)的70%.

3 課程教學(xué)實(shí)踐案例分析

3.1 機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)副和驅(qū)動(dòng)約束方程建立

圖3 平面轉(zhuǎn)動(dòng)鉸運(yùn)動(dòng)學(xué)約束方程示意

建立機(jī)械系統(tǒng)常用的運(yùn)動(dòng)副(如轉(zhuǎn)動(dòng)鉸、滑移鉸、平面相對(duì)圓柱鉸、柱銷-滑移副、凸輪從動(dòng)副、齒輪副、齒輪與齒條等)的約束方程和驅(qū)動(dòng)(如轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)、滑移驅(qū)動(dòng)和滑動(dòng)驅(qū)動(dòng))的約束方程，讓學(xué)生掌握各種運(yùn)動(dòng)副和驅(qū)動(dòng)的建模原理，以便在復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)建模時(shí)正確理解運(yùn)動(dòng)副和驅(qū)動(dòng)，對(duì)其進(jìn)行符合實(shí)際的簡(jiǎn)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(dòng)鉸的運(yùn)動(dòng)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(jī)械系統(tǒng)參數(shù)化建模與設(shè)計(jì)

圖4 “門鎖”夾緊機(jī)構(gòu)虛擬樣機(jī)參數(shù)化設(shè)計(jì)

在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要不斷修改產(chǎn)品虛擬樣機(jī)的相關(guān)參數(shù)，達(dá)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(jì)研究、試驗(yàn)設(shè)計(jì)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(gè)變量同時(shí)發(fā)生變化時(shí)對(duì)虛擬樣機(jī)性能影響，以及優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)，自動(dòng)更新虛擬樣機(jī)模型，使產(chǎn)品性能達(dá)到最佳，形成最優(yōu)的虛擬樣機(jī).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(jī)模型

機(jī)電一體化行業(yè)強(qiáng)調(diào)，利用ADAMS軟件所提供的機(jī)械系統(tǒng)與控制系統(tǒng)的接口功能，開展機(jī)電系統(tǒng)的協(xié)同仿真，可以獲得優(yōu)化的機(jī)電一體化系統(tǒng)整體性能.(ⅰ)將機(jī)械系統(tǒng)CAD模型導(dǎo)入ADAMS/View軟件中，形成虛擬樣機(jī)模型；(ⅱ)利用ADAMS軟件提供的線性控制模塊和濾波模塊，實(shí)現(xiàn)前置濾波、PID控制和其他連續(xù)時(shí)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(jī)械系統(tǒng)與控制系統(tǒng)有機(jī)地連接起來(lái)，實(shí)現(xiàn)在復(fù)雜控制算法下對(duì)機(jī)電系統(tǒng)的協(xié)同仿真，使機(jī)械電子工程專業(yè)的本科生學(xué)會(huì)一種全新的機(jī)電一體化設(shè)計(jì)方法.

(1)機(jī)械系統(tǒng)與CAD軟件結(jié)合.在冶金行業(yè)中，中國(guó)首臺(tái)用于電解鋁生產(chǎn)的出鋁車虛擬樣機(jī)模型[5]如圖5所示.出鋁車的中部缺口設(shè)計(jì)使得車體在結(jié)構(gòu)上存在嚴(yán)重不對(duì)稱，而在運(yùn)輸過(guò)程中出鋁包的平穩(wěn)性要求很高；為此，利用虛擬樣機(jī)技術(shù)ADAMS/View軟件，對(duì)出鋁車在行駛過(guò)程中操控性與平順性進(jìn)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(jī)，對(duì)出鋁車在直線與轉(zhuǎn)彎行走時(shí)的動(dòng)力學(xué)進(jìn)行仿真，獲得鋁車的直線行走和轉(zhuǎn)彎的動(dòng)力學(xué)特性.通過(guò)此案例的分析，將CAD軟件模型導(dǎo)入ADAMS軟件，并進(jìn)行仿真分析，獲得了機(jī)械系統(tǒng)的特性曲線.

(2)機(jī)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(dòng)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(jī)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(jī)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(tái)對(duì)出鋁車在液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)下的直線行走和轉(zhuǎn)彎進(jìn)行仿真，獲得出鋁車的機(jī)械與液壓系統(tǒng)的整體性能.通過(guò)此案例分析與學(xué)習(xí)，學(xué)生學(xué)會(huì)將液壓系統(tǒng)軟件AMESim模型導(dǎo)入ADAMS軟件，協(xié)同仿真機(jī)械系統(tǒng)與液壓系統(tǒng).

圖6 冶金出鋁車機(jī)-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(jī)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(jī)械產(chǎn)品，是中國(guó)機(jī)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(jī)械車輛.采用ADAMS/ ATV履帶車工具箱，建立了中國(guó)第1臺(tái)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(jī)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(jī)，對(duì)海底采礦車在海泥上行走進(jìn)行仿真，獲得其運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)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(jī)械的關(guān)鍵問(wèn)題.

圖8 全地形履帶車虛擬樣機(jī)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(jī)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(jī)模型[8](圖8).為了使全地形車在越障過(guò)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(jī)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(tái)對(duì)全地形車與控制系統(tǒng)的越障進(jìn)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(jī)械與控制系統(tǒng)聯(lián)合且協(xié)同仿真.

4 結(jié)語(yǔ)

《機(jī)械系統(tǒng)虛擬樣機(jī)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(jī)械制造及自動(dòng)化專業(yè)機(jī)機(jī)械電子工程方向的多學(xué)科特點(diǎn)，利用虛擬樣機(jī)技術(shù)ADAMS軟件的先進(jìn)性，構(gòu)建了融合理論和實(shí)踐教學(xué)于一體化的教學(xué)模式，突出了互動(dòng)性教學(xué)、增加實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)、現(xiàn)場(chǎng)考試等方式，將科研與工程實(shí)踐應(yīng)用教學(xué)于全過(guò)程.

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(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(yáng)人，中南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院教授，主要從事海洋技術(shù)、車輛技術(shù)與機(jī)電一體化等研究.

G642

A

10.3969/j.issn.1007-2985.2015.04.018