跟我一起学Adams虚拟样机: 基础篇(二) 动力学仿真基操,以曲柄滑块压力机为例

这篇博文是Adams虚拟样机系列的第二篇。上篇内容 基础篇(一) 运动学仿真基操,以一个简单的曲柄摇杆机构为例 中,我们通过一个曲柄摇杆机构,学习了用Adams建立虚拟样机,进行运动学仿真,以及对仿真结果做后处理的基本流程。

但运动学仿真并不是Adams的特长。实际上,包括Catia、SolidWorks、Creo在内的大部分三维建模软件都能直接完成运动学仿真的工作,还不需要额外进行建模,比使用Adams更方便。而Adams的特长在动力学分析领域,而本节我们就将以一个曲柄滑块机构为例,介绍用Adams进行动力学仿真的基本操作。

其中将涉及:Adams View工作环境的设置、连杆的绘制、滑块的绘制、不规则构件的绘制、构件位姿的调整、特征的重命名、转动副的创建、移动副的创建、弹簧的创建、驱动力的施加、仿真器的设置、运动参数的测量、反作用力的测量、仿真数据的处理和输出、仿真视频的输出等。

曲柄滑块压力机动力学仿真


本教程基于 Adams 2020 下载地址及安装教程

目录

  • 1. 启动 Adams 并设置工作环境
    • 1.1. 启动 Adams View
    • 1.2. 新建模型
    • 1.3. 设置工作环境
      • 1.3.1. 设置单位
      • 1.3.2. 设置工作网格
      • 1.3.3. 设置图标大小
      • 1.3.4. 打开光标位置显示
  • 2. 创建虚拟样机模型
    • 2.1. 创建构件模型
      • 2.1.1. 创建曲柄
        • 2.1.1.1. 创建曲柄模型
          • 2.1.1.1.1. 创建曲柄第一截AB
          • 2.1.1.1.2. 创建曲柄第二截AD
        • 2.1.1.2. 曲柄的重命名
      • 2.1.2. 创建连杆
        • 2.1.2.1. 创建连杆模型
        • 2.1.2.2. 调整连杆位姿
      • 2.1.3. 创建滑块
        • 2.1.3.1. 创建参考标记点
          • 2.1.3.1.1. 创建标记点
          • 2.1.3.1.1. 修改标记点位置
        • 2.1.3.2. 创建滑块模型
    • 2.2. 创建运动副
      • 2.2.1. 创建转动副
      • 2.2.2. 创建移动副
    • 2.3. 创建弹簧
    • 2.4. 创建驱动力
  • 3. 仿真与测试
    • 3.1. 渲染模型
    • 3.2. 仿真模型
    • 3.3. 播放仿真动画
    • 3.4. 测量模型
      • 3.4.1. 曲柄转角的测量
        • 3.4.1.1. 放置标记点
        • 3.4.1.2. 创建角度测量
      • 3.4.2. 弹簧力的测量
    • 3.5. 显示关闭的测量曲线
  • 4. 测试结果的后处理
    • 4.1. 测量曲线的编辑
      • 4.1.1. 曲线数据源的选择
      • 4.1.2. 曲线线型的修改
    • 4.2. 结果输出
      • 4.2.1. 将测量曲线输出为数据文件形式
      • 4.2.2. 输出仿真动画
  • 参考文献

1. 启动 Adams 并设置工作环境

1.1. 启动 Adams View

双击打开 Adams View 2020

[Welcome to Adams 窗口]
点击 New Model 左侧图标新建模型

  • New Model 新建模型
  • Existing Model 打开现有模型 (*.bin,包含所有工程信息,包括设置和仿真结果)
  • Exit 退出

1.2. 新建模型

[Create New Model 窗口]
Model Name 栏中输入模型名称 example_3_press
Working Directory 栏中输入工作路径 E:_KEEP FOOLISH\Adams\Example\Temp (也可点击右侧文件夹在资源管理器中选择,后续工程文件、临时文件和输出的文件都将默认保存在工作路径下)
OK,完成模型创建
跟我一起学Adams虚拟样机: 基础篇(二) 动力学仿真基操,以曲柄滑块压力机为例_第1张图片

  • Model Name 模型名称 :第一个字符必须是字母,其他地方可以有数字、符号等;
  • Gravity 重力: 默认Y轴负方向
  • Units 单位: 默认MMKS
  • Working Directory 工作路径:不能有中文、空格
    (如果某一栏呈黄色,代表输入的内容不合法)

1.3. 设置工作环境

1.3.1. 设置单位

[主菜单]
点击 Settings
点击 Units

[Units Settings 窗口]
点击 MMKS 按钮
OK

  • MMKS:mm, kg, N, s, deg, Hz(一般选这个)
  • MKS:m, kg, N, s, deg, Hz
  • CGS:cm, g, dyne(达因, =10e-5N), s, deg, hz
  • IPS:inch, pound mass, pound force, s, deg, hz

1.3.2. 设置工作网格

[主菜单]
点击 Settings
点击 Working Grid

[Working Grid Settings 窗口]
修改合适的尺寸 (X方向 500mm,Y方向 400mm) 、间隔大小 (X、Y方向均为 20mm) 和栅格方向
OK (Apply 按钮也能执行相同的命令,但对话框不会关闭)

1.3.3. 设置图标大小

[主菜单]
点击 Settings
点击 Icons

[Icon Settings 窗口]
New Size 栏中修改图标 (坐标系、运动副等的标识图标) 大小为 40
OK

1.3.4. 打开光标位置显示

[主菜单]
点击 View
点击 Coordinate Window (也可使用快捷键F4),即在右下方出现实时显示光标位置的坐标窗口

2. 创建虚拟样机模型

曲柄滑块压力机模型如图所示,驱动力始终与曲柄AD保持垂直。弹簧刚度系数K=5N/mm,阻尼系数C=0。
跟我一起学Adams虚拟样机: 基础篇(二) 动力学仿真基操,以曲柄滑块压力机为例_第2张图片

2.1. 创建构件模型

2.1.1. 创建曲柄

2.1.1.1. 创建曲柄模型

对于曲柄这种异形杆件,我们的策略是把它分成几截规则杆件(即AB和AD),分别创建。

2.1.1.1.1. 创建曲柄第一截AB

[功能区]
选择 Bodies 选项卡
点击Solids中的 RigidBody: Link 图标

[左侧 Geometry: Link 栏]
选择 New Part
勾选需要控制的所有量
Length 栏输入杆长数值100,在 Width 栏输入宽度数值20,在 Depth 栏输入厚度数值10

[工作区]
单击杆件的一端,即 (0,0,0) 位置
水平右移光标,当出现连杆的几何形体后单击,完成曲柄第一截的创建

2.1.1.1.2. 创建曲柄第二截AD

[功能区]
选择 Bodies 选项卡
点击Solids中的 RigidBody: Link 图标

[左侧 Geometry: Link 栏]
选择 Add to Part
勾选需要控制的所有量
Length 栏输入杆长数值200,在 Width 栏输入宽度数值20,在 Depth 栏输入厚度数值10

[工作区]
单击曲柄第一截 PART_2
单击杆件的一端,即 (0,0,0) 位置
竖直上移光标,当出现连杆的几何形体后单击,完成曲柄的创建

2.1.1.2. 曲柄的重命名

[工作区]
右击曲柄
点击或鼠标滑向 part:PART_2 (也可在 Browse 栏中右击)
点击 Rename

[Rename 窗口]
New Name 栏中输入新名称 CRANK
OK

2.1.2. 创建连杆

2.1.2.1. 创建连杆模型

[功能区]
选择 Bodies 选项卡
点击 Solids 中的 RigidBody: Link 图标

[左侧 Geometry: Link 栏]
选择 New Part
勾选需要控制的所有量
Length 栏输入杆长数值200,在 Width 栏输入宽度数值20,在 Depth 栏输入厚度数值10

[工作区]
单击杆件的一端,即 CRANK: MARKER_2 位置
竖直下移光标,当出现连杆的几何形体后单击,完成连杆的创建
按照 2.1.1.2. 曲柄的重命名 中的步骤,将连杆重命名为 LINK

2.1.2.2. 调整连杆位姿

[工作区]
点击选中连杆

[上方工具栏]
点击 Position 位置变换按钮

[左侧 Rotate 栏]
点击中间空白按钮

[工作区]
点击位姿调整的旋转中心点 (连杆上端,CRANK: MARKER_2)

[左侧 Rotate 栏]
Angle 文本框中输入旋转角度30 (单位: °)
点击顺时针方向按钮,连杆即绕上端顺时针转动30°

2.1.3. 创建滑块

创建滑块时,定义滑块位置的点位于滑块左下后顶点,即三个坐标均为最小的位置。因此,已知滑块中心点时,我们思路是根据滑块的尺寸,即80x40x40,计算出这个定义点的位置,即 中心点坐标-(40,20,20),在此处建立一个标记点,作为创建滑块的位置定义点。

2.1.3.1. 创建参考标记点
2.1.3.1.1. 创建标记点

[功能区]
选择 Bodies 选项卡
点击Constructions中的 Marker 图标

[左侧 Geometry: Marker 栏]
选择 Add to Ground

[工作区]
点击滑块中心点,即连杆下端点 LINK: MARKER_6,创建标记点 MARKER_7

2.1.3.1.1. 修改标记点位置

[左侧 Browse 栏]
双击 ground: MARKER_7

[Marker Modify 窗口]
修改 Location 栏中各坐标值为 原值-40、原值-20 和 原值-20,即 -40.0, -193.2050807569, -20.0
OK,即调整MARKER_7到正确位置

2.1.3.2. 创建滑块模型

[功能区]
选择 Bodies 选项卡
点击 Solids 中的 RigidBody: Box 图标

[左侧 Geometry: Box 栏]
选择 New Part
勾选需要控制的所有量
Length 栏输入 x 方向宽度数值 80,在 Height 栏输入 y 方向高度数值 40,在 Depth 栏输入 z 方向厚度数值 40

[工作区]
单击刚刚建立的标记点 MARKER_7 ,完成滑块的创建
按照 2.1.1.2. 曲柄的重命名 中的步骤,将滑块重命名为 SLIDER

2.2. 创建运动副

2.2.1. 创建转动副

[功能区]
选择 Connectors 选项卡

1 2 3
[左侧 Revolute Joint 栏]
点击 Joints 中的 Create a Revolute joint 图标
选择 2 Bodies - 1 Location (选择两个物体和一个连接位置)
选择 Normal To Grid (转轴垂直于栅格平面)
[工作区]
点击选择摇杆 CRANK 点击选择摇杆 CRANK 点击选择连杆 LINK
点击工作区空白处选择 ground 点击选择连杆 LINK 点击选择滑块 SLIDER
点击选择 MARKER_1 点击选择 MARKER_2 点击选择 MARKER_6
完成创建摇杆和机架之间的转动副A 完成创建摇杆和连杆之间的转动副B 完成创建连杆和滑块之间的转动副C

按照 2.1.1.1.2. 曲柄的重命名 中的步骤,重命名约束为 JOINT_A / JOINT_B / JOINT_C1

2.2.2. 创建移动副

[功能区]
选择 Connectors 选项卡
点击 Joints 中的 Create a Translational joint 图标

[左侧 Translational Joint 栏]
选择 2 Bodies - 1 Locations (选择两个物体和一个连接位置)
选择 Pick Geometry Feature (约束方向自选)

[工作区]
点击滑块 SLIDER
点击工作区空白处选择 ground
点击 MARKER_6
竖直上移光标,当出现向上的箭头时单击,完成创建移动副 (注意通过坐标/旋转视图检查一下箭头是否竖直向上)
按照 2.1.1.1.2. 曲柄的重命名 中的步骤,重命名约束为 JOINT_C2

2.3. 创建弹簧

[功能区]
选择 Forces 选项卡
点击 Flexible Connections 中的 Create a Translational Spring-Damper 图标

[左侧 Spring 栏]
勾选需要控制的量
K 栏中输入刚度 5,在 C 栏中输入阻尼 0

[工作区]
右击滑块 SLIDER 的中心

[Select 窗口]
选择 SLIDER.cm 作为弹簧的一端
OK

[工作区]
点击 (0,-300,0) 作为弹簧的另一端,完成弹簧的创建

2.4. 创建驱动力

[功能区]
选择 Forces 选项卡
点击 Applied Force 中的 Create a Force (Single-Component) 图标

[左侧 Force 栏]
勾选 Force 左侧方框
Force 栏中输入作用力大小 140

[工作区]
点击原动件,即曲柄 CRANK
点击力的作用点,即曲柄的上端点 MARKER_4
水平右移光标,直到光标后面出现一个箭头单击,驱动力即被施加到曲柄上

3. 仿真与测试

3.1. 渲染模型

[右下角设置栏]
点击 Wireframe / shaded toggle 按钮,由线框显示切换为着色显示

[上方工具栏]
点击 Set the View to Isometric 按钮,将视角切换为轴测图

3.2. 仿真模型

[功能区]
选择 Simulation 选项卡
点击 Simulate 中的 Run an Interactive Simulation

[Simulation Control 对话框]
设置 End Time (结束时间) 为 0.05
设置 Steps (总步数) 为 500
点击 Start Simulation 按钮,开始仿真
点击 Reset to Input Configuration 可恢复初始构型

3.3. 播放仿真动画

[功能区]
选择 Results 选项卡
点击 Review 中的 Displays the Animation Control dialog 图标

[Animation Controls 窗口]
动画播放按钮全家给您拜年

3.4. 测量模型

3.4.1. 曲柄转角的测量

3.4.1.1. 放置标记点

[功能区]
选择 Bodies 选项卡
点击 Construction 中的 Marker 图标

[左侧 Geometry: Marker 栏]
选择 Add to Ground (仿真过程中这个标记点就会固定在大地上)
点击 MARKER_4 处,创建 MARKER_24 (为什么已经有 MARKER_4 还要原地新建一个: MARKER_4 是固结在 CRANK 上的,仿真时会随着曲柄运动)

3.4.1.2. 创建角度测量

[功能区]
选择 Design Exploration 选项卡
点击 Measures 中的 Create a new Angle Measure 图标
点击 Advanced

[Angle Measure 窗口]
更改 Measure Name 即测量名称为 MEA_ANGLE_1

1 2 3
右击 First Marker 右击 Middle Marker 右击 Last Marker
点击或鼠标滑向Marker
点击Pick
[工作区]
拾取一条边上的标记点 CRANK: MARKER_4 拾取角上的标记点 CRANK: MARKER_1 右击曲柄顶端
/ / 在弹出的 Select 窗口中选择 ground: MARKER_24
/ / 点击 Select 窗口的 OK

OK,完成曲柄角度测量的创建

3.4.2. 弹簧力的测量

[工作区]
右击弹簧 SPRING_1
点击或鼠标滑向 Spring: SPRING_1
点击 Measure

[Assembly Measure 窗口]
更改 Measure Name 即测量名称为 SPRING_1_MEA_FORCE
Characteristic 栏中选择 force
OK,完成弹簧力测量的创建

3.5. 显示关闭的测量曲线

[主菜单]
点击 View
点击 Measures

[Database Navigator 窗口]
选中所要显示的测量名称
OK

4. 测试结果的后处理

4.1. 测量曲线的编辑

4.1.1. 曲线数据源的选择

[功能区]
选择 Result 选项卡
点击 Postprocessor 图标

[Adams PostProcessor: 下方功能区 Data 标签页]
Independent Axis 栏中,选择 Data 为横轴数据源

[Adams PostProcessor: Independent Axis Browser 窗口]
Measure 列表中选择 MEA_ANGLE_1,即曲柄的角度,作为横轴的数据源
OK

[Adams PostProcessor: 下方 Data 标签页]
选择 Source 栏为 Measures
Measure 列表框中选择 SPRING_1_MEA_FORCE,即弹簧力,作为纵轴的数据源
点击 Add Curve,即显示测量曲线

4.1.2. 曲线线型的修改

[Adams PostProcessor: 左侧导航窗格]
双击 page_1 或单击左侧加号展开列表
双击 plot_1 或单击左侧加号展开列表
点击 curve_1,即曲线

[Adams PostProcessor: 左下属性窗口]
Line Color 栏选择曲线颜色为 Black
Line Weight 栏选择线宽为 1.0
Symbol 栏选择标记点为 o
Symbol Inc 栏选择标记点间隔步数为 50

类似的,也可以修改其他图形属性:

  • analysis: 左下角analysis标识属性
  • date: 右下角日期属性
  • title: 上方标题
  • curve_1: 曲线属性,包括标签名称、颜色、线型、线宽、标记点等
  • haxis: 横坐标
  • vaxis: 纵坐标

4.2. 结果输出

4.2.1. 将测量曲线输出为数据文件形式

[Adams PostProcessor: 主菜单]
点击 File
点击或鼠标滑向 Export
点击 Numerical Data

[Adams PostProcessor: Export 窗口]
输入 File Namecrankangle_F
右击 Results Data
点击或鼠标滑向 Result_Set_Component
点击或鼠标滑向 Browse

[Adams PostProcessor: Database Navigator 窗口]
双击 plot_1 或单击左侧加号展开列表
双击 curve_1 或单击左侧加号展开列表
选择要输出的数据 x_datay_data (按住Ctrl或Shift多选)
OK

[Adams PostProcessor: Export 窗口]
OK,完成数据文件的输出

数据文件以 crankangle_F.dat 的名称被保存在之前指定的工作路径 E:_KEEP FOOLISH\Adams\Example\Temp 下,可以用记事本打开。
跟我一起学Adams虚拟样机: 基础篇(二) 动力学仿真基操,以曲柄滑块压力机为例_第3张图片

4.2.2. 输出仿真动画

[Adams PostProcessor: 右上角设置栏]
右击 Page Layout 按钮
选择 2 Views, side by side,将窗口显示切换为左右两个视窗

[Adams PostProcessor: 工作区]
单击选中右边的视窗

[Adams PostProcessor: 主菜单]
点击 View
点击 Load Animation,在右视窗中加载仿真动画

[Adams PostProcessor: 上方工具栏]
右击 view 视角按钮
点击 ISO view 选择轴测图视角
右击 Zoom 按钮
点击 Dynamic Zoom (也可使用快捷键Z),拖动缩放画面
点击 Dynamic Translate (也可使用快捷键T),拖动平移画面

[Adams PostProcessor: 下方功能区]
点击下方Record选项卡
File Name栏中输入视频文件名press
点击 Record Ready 按钮
点击 Play Animation 按钮,动画开始录制,当滑动条首次滑动到末端时即完成录制 (当未点击Record Ready按钮时,可以播放动画,但不会录制,可用于预览)
视频以 press.avi 的名称被保存在之前指定的工作路径 E:_KEEP FOOLISH\Adams\Example\Temp

参考文献

[1] 郭卫东,李守忠.虚拟样机技术与ADAMS应用实例教程[M].北京:北京航空航天大学出版社,2018:42~55.

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