钱广顺：挖掘机的虚拟样机技术探究
3 ADAMS软件的简介
3.1 ADAMS软件概述
机械系统动力学自动分析软件ADAMS[8]，是美国MDI公司开发的集建模、求解、可视化技术于一体的虚拟样机分析软件，是世界上目前使用范围最广、最负盛名的机械系统仿真分析软件。该软件90年代开始在我国的机械制造、汽车交通、航空航天、铁道、兵器、石油化工等领域得到应用，为各领域中的产品设计、科学研究做出了贡献。工程中利用ADAMS交互式图形环境和零件约束、力库等，进行仿真分析和比较，研究“虚拟样机”可供选择的多种设计方案。ADAMS自动输出位移、速度、加速度和作用力，其仿真结果可显示为逼真的动画或X-Y曲线图形，ADAMS仿真可用于预测机械系统的性能、运动范围、碰撞检测、峰值载荷以及计算有限元的输入载荷，支持ADAMS同大多数CAD、FEA及控制设计软件包之间的双向通讯。ADAMS的核心软件包括交互式图形环境ADAMS/View和仿真求解器ADAMS/Solver，二者之间形成了无缝连接。用户可以利用ADAMS的工作站或PC机上建造、试验“虚拟样机[9]”，在此基础上与其它模块集成就可以满足多方面的仿真要求。
3.2 ADAMS软件模块
ADAMS软件由基本模块、扩展模块、接口模块、专业领域模块及工具箱5类模块组成，如表所示。用户不仅可以采用通用模块对一般的机械系统进行仿真，而且可以采用专用模块针对特定工业应用领域的问题进行快速有效的建模与仿真分析。
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表3.1 ADAMS软件模板 Fig.3.1 ADAMS Software templates 用户界面模块 基本模块 求解器模块 后处理模块 液压系统模块 振动分析模块 线性化分析模块 扩展模块 高速动画模块 试验设计与分析模块 耐久性分析模块 数字化装配回放模块 柔性分析模块 控制模块 接口模块 图形接口模块 CATIA专业接口模块 Pro/E接口模块 轿车模块 悬架设计软件包 概念化悬架模块 驾驶员模块 动力传动系统模块 轮胎模块 柔性环轮胎模块 专业领域模块 柔性体生成器模块 经验动力学模型 发动机设计模块 配气机构模块 正时链模块 附件驱动模块 铁路车辆模块 FORD汽车公司专用汽车模块 软件开发工具包 虚拟试验工具箱 虚拟试验模态分析工具箱 工具箱 钢板弹簧工具箱 飞机起落架工具箱 履带/轮胎式车辆工具箱 齿轮传动工具箱 ADAMS/View ADAMS/Solver ADAMS/PostProcessor ADAMS/Hydraulics ADAMS/Vibration ADAMS/Linear ADAMS/Animation ADAMS/Insight ADAMS/Durability ADAMS/DMU Replay ADAMS/Flex ADAMS/Controls ADAMS/Exchange CAT/ADAMS Mechanical/Pro ADAMS/Car Suspension Design CSM ADAMS/Driver ADAMS/Driveline ADAMS/Tire FTire Module ADAMS/FBG EDM ADAMS/Engine ADAMS/Engine Valvetrain ADAMS/Engine Chain Accessory Drive Module ADAMS/Rail ADAMS/Pre(现改名为Chassis) ADAMS/SDK Virtual Test Lab Virtual Experiment Modal Analysis Leafspring Toolkit ADAMS/Landing Gear Tracked/Wheeled Vehicle ADAMS/Gear Tool
3.2.1 ADAMS软件简介：
ADAMS软件由基本模块、扩展模块、接口模块、专业领域模块及工具箱5类模块
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组成。用户不仅可以采用通用模块对一般的机械系统进行仿真，而且可以采用专用模块针对特定工业应用领域的问题进行快速有效的建模与仿真分析。一些常用模块介绍如下：
ADAMS/View
ADAMS/View(用户界面模块)是以用户为中心的交互式图形环境，它将简单的图标、菜单、鼠标点取操作与交互式图形建模、仿真计算、动画显示等功能完美地集成在一起。其实体建模的内核采用Parasolid格式，除提供了丰富的零件几何图形库外，还提供了完整的约束和力/力矩库，支持布尔运算，建模工作快速。在ADAMS/View中，用户利用Table Editor，可以像用Excel一样方便地编辑模型数据：同时还提供了Function Builder工具包：具有设计研究(DS)，实验设计(DOE)和优化(OPTIMIZE)功能，可使用户方便地进行优化工作。
ADAMS/Solver
ADAMS/Solver(求解器)是ADAMS系列产品的核心模块之一，是求解机械系统运动学和动力学问题的程序。该软件自动形成机械系统模型的动力学方程，提供静力学、运动学和动力学的解算结果。ADAMS/Solver有各种建模和求解选项，以便精确有效地解决各种问题。
ADAMS/Postprocessor
ADAMS/Postprocessor(专用后处理模块)具有相当强的后处理功能，它可以回放仿真结果，也可以绘制各种分析曲线。ADAMS/Postprocessor还可以对仿真分析曲线进行一些数学和统计计算;可以输入试验数据绘制试验曲线，并同仿真结果进行比较;对分析结果曲线图进行各种编辑。
ADAMS/Animation
ADAMS/Animation(高速动画模块)是ADAMS的一个集成的可选模块，该模块使用户能借助于增强透视、半透明、彩色编辑及背景透视等方法对已经生成的动画精细加工，增强动力学仿真分析结果动画显示的真实感。
ADAMS/Hydraulics
ADAMS/Hydraulics(液压系统模块)，为了模拟包括液压回路在内的复杂机械系统的动力学性能，MDI公司开发了ADAMS/Hydraulics模块。用户使用该模块，能够精确地对由液压系统驱动的复杂机械系统(如工程机械、汽车制动转向系统、飞机起落架等)进行动力学仿真分析。用户可以在ADAMS/View中建立液压系统回路的框架，然后通过液压驱动元件如液压缸等将其连接岛机械系统模型中，最后选取适当的、功能最强的求解器分析整个系统的性能。利用ADAMS/Hydraulics模块，可以建立机械系统与液压系统之间相互作用的模型，设置系统的运动特性，进行各种静态、模态、瞬态和动态分析;结合ADAMS/Control模块，可以在同一仿真环境中建立、试验和观察包括机－电－液－控制一体化的虚拟样机模型。ADAMS软件新版本主要把ADAMS/Hydraulics作为
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ADAMS/View的一个即插即用模块重新打包，方便用户随时调用。同时用户还可以把自己定义的液压元件扩充到该模块内部元件库中去。
ADAMS/Flex
ADAMS/Flex(柔性模块)是ADAMS与Flex软件之间进行双向数据通讯的接口。可研究柔性体对机械系统性能的影响，明显提高仿真精度。Flex是合成柔性体的有效途径。ADAMS/Flex支持ANSYS,MSCINASTRAN和I-DEAS的中性文件(Neutral file)格式。通过柔性体节点增加适当的约束和力，就可以使柔性体与其它刚体共同形成一个有机的ADAMS模型。
ADAMS/Linear
ADAMS/Linear(系统模态分析模块)可将ADAMS形成的机械系统非线性运动方程线性化，计算特征值、特征向量和状态空间矩阵。
ADAMS/Car
ADAMS/Car(车辆模块)赋予工程师精确建立整套虚拟样机的能力，其中包括悬架、传动系、发动机、转向机构、ABS 系统以及其它复杂总成。用户可以在各种不同的道路条件下运行ADAMS/Car 模型，执行驾驶操作，使车辆在试验道路上正常行驶，用户可以准确模拟汽车的操纵稳定性、乘坐舒适性、安全性及其它各项性能参数。
此外，ADAMS还包括Exchange(图形接口模块)、Controls(控制模块)、Insight(试验设计与分析模块)、Vibration(振动分析模块)、Durability(耐用性分析模块)、Driver(驾驶员模块)、Tire(轮胎模块)等。 3.2.2 ADAMS建模、仿真的步骤
利用ADAMS软件进行虚拟样机仿真分析的步骤如图，根据此步骤可以完成一个复杂的机械系
统的仿真分析，各步骤简述如下： (1)建造模型：建模包含三部分工作：
①创建零件有两种途径：通过ADAMS/View的零件库来创建各种简单的运动单元(零件)；用ADAMS/Exchange引入复杂的CAD形体(会影响运行速度)。
②给模型施加约束和运动。 ③给模型施加各种作用力 (2)测试模型
定义测量，对模型进行初步仿真，通过仿真结果检验模型中各个零件、约束及力是否正确。
(3)校验模型
导入实际实验测试数据，与虚拟仿真的结果进行比较。 (4)模型的细化
经过初步仿真确定了模型的基本运动后，可以在模型中加入更复杂的单元，如在运
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动副上加入摩擦，用线性方程或一般方程定义控制系统，加入柔性连接件等等,使模型与真实系统更加近似。
(5)优化模型
对模型进行参数分析，优化设计。 (6)定制用户自己的环境
用户可以定制菜单、对话框，或利用宏使许多重复工作自动进行。
3.3 本章小结
本章主要对ADAMS软件的基本涵义以及基本模块的学习，加深对ADAMS软件的理解。并对各模块的作用的理解，便于挖掘机在其中的建模和仿真分析。
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