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

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]
ⓐ 在 Model Name 栏中输入模型名称 example_3_press
ⓑ 在 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

• 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]
ⓒ 在 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。

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
ⓔ 在 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
ⓔ 在 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]
ⓓ 在 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
ⓔ 在 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]
ⓔ 在 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
ⓔ 在 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
ⓓ 在 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
ⓓ 在 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 栏	右击 Middle Marker 栏	右击 Last Marker 栏
ⓕ	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
ⓔ 在 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]
ⓒ 在 Independent Axis 栏中，选择 Data 为横轴数据源

[Adams PostProcessor: Independent Axis Browser 窗口]
ⓓ 在 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
ⓖ 在 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]
ⓓ 在 Line Color 栏选择曲线颜色为 Black
ⓔ 在 Line Weight 栏选择线宽为 1.0
ⓕ 在 Symbol 栏选择标记点为 o
ⓖ 在 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 Name 为 crankangle_F
ⓔ 右击 Results Data 栏
ⓕ 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_data 和 y_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。

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
ⓛ 在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 下

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.