1、最新版机械系毕业论文论文1摘 要计算机性能的飞速提高和虚拟样机仿真技术的迅速发展及CADCAECAM在汽车产品设计开发中的广泛采用，为变速箱技术的深入研究提供了必要的条件。ADAMS（Automatic Dynamic Analysis of Mechanical System）软件，是由美国机械动力公司（Mechanical Dynamics Inc.）开发的最优秀的机械系统动态仿真软件，是世界上最具权威性的，使用范围最广的机械系统动力学仿真分析软件。本文基于ADAMS软件，对变速箱动力学虚拟样机模型进行了仿真分析。从而能为用户提供从产品概念设计、方案论证、详细设计到产品方案修改、优化、实验
2、规划甚至故障诊断各阶段、全方位、高精度的仿真计算分析结果，从而达到缩短产品开发周期、减低开发成本、提高产品质量及竞争力的目的。首先对某型变速箱的工作原理、类型、发展及现状等进行了阐述；简要介绍了多体系统动力学的理论基础，对大型多体系统动力学仿真软件ADAMS进行了详细介绍。并在对ADAMS软件熟悉的基础上对变速箱动力学虚拟样机模型进行了仿真分析。关键词：变速箱 ADAMS 虚拟样机 仿真分析第1章 绪论1.1 变速箱简介变速箱是各类机械传动系统中常用的传动装置，因其结构紧凑，传动效率高，传递扭矩大，且传动比准确，在各类机械中得到了广泛的应用。 1.1.1 变速箱工作原理变速器是汽车传动系中最主
3、要的部件之一。 机械式变速箱主要应用了齿轮传动的降速原理。简单的说，变速箱内有多组传动比不同的齿轮副，而汽车行驶时的换档行为，也就是通过操纵机构使变速箱内不同的齿轮副工作。如在低速时，让传动比大的齿轮副工作，而在高速时，让传动比小的齿轮副工作。变速器的功用是： （1） 在较大范围内改变汽车行驶速度的大小和汽车驱动轮上扭矩的大小 由于汽车行驶条件不同，要求汽车行驶速度和驱动扭矩能在很大范围内变化。例如在高速路上车速应能达到100km）和维滕堡（Wittenburg）创造性地把图论引入多刚体系统动力学，使这个学科分支跨入新阶段。另外，美国的凯恩和苏联的波波夫等人先后提出了各自的方法来解决这些复杂系
4、统的动力学问题。多刚体系统动力学中有下述几种研究方法：(1)图论方法；(2)凯恩方法；(3)旋量方法；(4)最大数量坐标法；(5)变分方法。方法虽各不相同，但它们的共同点是采用程式化的方法，利用计算机解决复杂力学系统的分析与综合问题，这给多刚体系统动力学理论带来了很多优点3：适用对象广泛。由于多刚体系统动力学是由计算机按程式化方法自动建模和分析，并且只要输入少量信息就可以对多种结构及多种联接方式的系统进行计算，因此其通用性强，同一程序可对各类复杂系统进行分析；可计算大位移运动。多刚体系统动力学的公式推导是建立在有限位移基础上的，因此既可做力学系统微幅振动的分析，又可做系统大位移运动分析，这更符
5、合系统的实际运动状况，并且给研究非线性问题带来很大方便，能够使计算结果更精确；模型精度高。多刚体系统动力学的数学模型可由计算机自动生成，不必考虑推导公式的难易程度。所以不但适用于较简单的平面模型，而且更适用于复杂的三维空间模型。2.1.2 多体系统动力学在汽车动力学分析中的应用多体动力学应用于汽车设计，并借以计算机仿真实现，是一项前沿技术。随着其理论研究的逐步深入，计算方法的日渐成熟以及计算机技术的迅猛发展，这门科学开始走向实用。汽车本身是一个复杂的多体系统，外界载荷的作用更加复杂，加上人-车-环境的相互作用，给汽车系统动力学研究带来了很大困难。过去的许多情况下，不得不把模型简化（如单自由度，
6、双自由度模型），以便使用古典力学方法人工求解，对于汽车振动系统中大多数非线性原件（如轮胎，变刚度悬架，橡胶衬套等）也只能采用简易算法进行局部线性模拟，从而导致车辆的许多重要特性无法得到较精确的定量分析。现在，理论方法与计算手段的突破，力学模型由线性模型发展到非线性模型，模型的自由度由两自由度发展到数十个甚至数百个自由度。模拟计算由稳态响应特性模拟发展到瞬态响应特性和转弯制动模拟研究。由车辆环境构成的开环控制系统也被具有驾驶员神经网络模型的闭环控制系统取代。研究分析的范围包括：运动分析、静态（准静态）分析、动态分析、灵敏度分析等。总之对于复杂的汽车系统来说，多体动力学方法是一种高效率，高精度的分
7、析方法。2.2 虚拟样机技术机械工程中的虚拟样机技术又称为机械系统动态仿真技术，是国际上20世纪80年代随着计算机技术的发展而迅速发展起来的一项计算机辅助工程（CAE）技术。工程师在计算机上建立样机模型，对模型进行各种动态性能分析，然后改进样机设计方案，用数字化形式代替传统的实物样机实验。运用虚拟样机技术，可以大大简化机械产品的设计开发过程，大幅度缩短产品开发周期，大量减少产品开发费用和成本，明显提高产品质量，提高产品的系统级性能，获得最优化和创新的设计产品4。2.3 机械系统动力学仿真分析软件ADAMS2.3.1 ADAMS 软件简介机械系统分析软件ADAMS（Automatic Dynam
8、ic Analysis of Mechanical System）软件，是由美国机械动力公司（Mechanical Dynamics Inc.）开发的最优秀的机械系统动态仿真软件，是目前世界上最具权威性的，使用范围最广的机械系统动力学仿真分析软件5。ADAMS软件是美国学者蔡斯（Chace）等人利用多刚体动力学理论，选取系统内每个刚体的质心在惯性参考系中的三个直角坐标和反映刚体方位的欧拉角为广义坐标编制的计算程序。ADAMS软件中应用了吉尔（Gear）等解决刚性积分问题的算法，并采用稀疏矩阵技术提高了计算效率。ADAMS 软件采用模拟样机技术，将多体动力学的建模方法与大位移、非线性分析求解功能
9、相结合，并提供与其它 CAE 软件如控制分析软件 Matrix，有限元分析软件 NASTRAN 等的集成模块扩展设计手段。用户利用ADAMS软件可以建立和测试虚拟样机，实现在计算机上仿真分析复杂机械系统的运动性能6。目前ADAMS软件在汽车、航天等领域得到广泛的应用。ADAMS使用交互式图形环境和部件库、约束库、力库，用堆积木式的方法建立三维机械系统参数化模型，并通过对其运动性能的仿真分析和比较来研究“虚拟样机”可供选择的设计方案。ADAMS仿真可用于估计机械系统性能、运动范围、碰撞检测、峰值载荷以及计算有限元的载荷输入。利用 ADAMS 软件，用户可以快速、方便地创建完全参数化的机械系统几何
10、模型。该模型可以是在 ADAMS 软件中直接建造的简化几何模型，也可以是从其它CAD 软件中传过来的造型逼真的几何模型；然后，在几何模型上施加力力矩和运动激励；最后执行一组与实际状况十分接近的运动仿真测试，得到实际机械系统工作过程的运动仿真。2.3.2 ADAMS 软件的特点ADAMS一方面是机械系统动态仿真的应用软件，用户可以运用该软件非常方便地对虚拟样机进行静力学、运动学、动力学分析。另一方面，又是机械系统动态仿真分析的二次开发工具平台7，具体地说,ADAMS软件具有如下特点：（1）ADAMS 具有先进的数值分析技术和强有力的求解器，其动力学数值积分有极强的适应性，积分步长和输出步长无关，
11、用户可以成功地进行高频输出。（2）分析类型包括运动学、静力学、准静力学、动力学分析。其静平衡法包括多种级别积分，因此当一种积分方法失效后，软件就自动开始进行第二次积分。解算器可以处理病态矩阵。（3）具有二维和三维建模能力。（4）具有五十多种联结副、力和运动发生器组成的库。（5）具有组装、分析和动态显示不同模型或同一模型的某一变化过程。（6）具有开发式结构，允许用户集成自己的子程序。（7）具有一个强大的函数库，供用户自定义力和运动发生器。（8）有限元载荷的输出接口，ADAMS 运动时，刚体和柔性体模型的载荷都可直接输出 ANSYS、NASTRAN 或 ABAQUS 兼容的格式。（9）表面接触功能
12、可自动检测接触是否发生并作出响应。（10）通过采用全局定位图识别过约束系统，功能更强，精度更高。2.3.3 ADAMS 软件模块简介ADAMS 软件由核心模块、扩展模块、专业模块、接口模块、工具箱模块等组成，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。其核心模块的具体介绍：ADAMSView（用户界面模块）提供了一个直接面向用户的基本操作对话环境和虚拟样机分析的前处理功能，其中包括样机的建模和各种建模工具，样机模型数据的输入与编辑，与求解器和后处理等程序的自动连接，虚拟样机分析参数的设置，各种数据的输入和输出，同
13、其他应用程序的接口等。完成样机分析的准备工作以后，ADAMSView 程序可以自动调用 ADAMSSolver 模块，求解样机模型的静力学，运动学或动力学问题，完成仿真分析以后再自动的返回 ADAMSView 操作界面。ADAMSSolver（求解器模块）是求解机械系统运动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、运动学和动力学的求解结果。ADAMS Solver有各种建.模和求解选项，以便精确有效地解决各种工程应用问题。它可以对刚体和弹性体进行仿真研究。为了进行有限元分析和控制系统研究，除了满足用户输出位移、速度、加速度和力等的要求外，还可以输出用户自己定义的数
14、据。可以通过运动副、运动激励、高副接触、用户定义的子程序等添加不同的约束，同时可以求解运动副之间的作用力和反作用力，或施加单点外力。ADAMSSolver支持变步长和定步长积分，并提供大量的求解参数选项供用户进一步调试解算器，以改进求解的效率和精度;也支持使用子程序，定制用户自己的解算程序。完成样机分析的准备工作以后，ADAMSView程序可以自动地调用ADAMS Solver模块，求解样机模型的静力学、运动学或动力学问题，完成仿真分析以后再自动地返回ADAMS View操作界面。因此，一般用户可以将ADAMSSolver的操作视为一个“黑匣子”，只需熟悉ADAMS View的操作，即可完成建
15、模和整个分析过程。ADAMSPostProcessor（后处理模块）模块具有相当强的后处理功能，通过调用后处理模块ADAMSPostProcessor, ADAMS可以来完成仿真分析结果的后处理。它可以回放仿真结果，也可以绘制各种分析曲线；可以输入试验数据绘制试验曲线，并同仿真结果进行比较；主要特点如下：快速高质量的动画显示，便于从可视化角度深入理解设计方案的有效性。使用树状搜索结构，层次清晰，可快速检索对象。丰富的数据作图、数据处理及文件输出功能。多视窗动画与曲线结果同步显示，并可录制成电影文件(*.avi格式)。完备的曲线数据统计功能:如均值、均方根、极值、斜率等。在Plot图标中，可生成
16、位图。强化了曲线编辑工具栏功能，可以方便快捷的对曲线进行编辑。在日期、分析名称、页数等方面增加了图表动画功能。可进行几何属性的细节的动态演示。2.3.4 ADAMS分析软件的计算方法ADAMSSolver提供了功能强大的求解器，可以对所建模型进行运动学、静力学、动力学分析。为了了解ADAMS软件的理论基础和求解方法，简要介绍其求解功能6。2.3.4.1 广义坐标选择 ADAMS采用了两种直角坐标系：总体坐标系和局部坐标系。他们之间通过关联矩阵相互转换。总体坐标系是固定坐标系，他不随任何机构的运动而运动，是用来确定构件的位移、速度、加速度等的参考系。局部坐标系固定在构件上，随构件一起运动。构件在
17、空间内运动时其运动的线物理量(如线位移、线速度、线加速度等)和角物理量(如角速度、角位移、角加速度)都可由局部坐标系相对于总体坐标系移动转动时的相应物理量确定；而约束方程表达式均由相连接的两构件的局部坐标系的坐标描述。对于动力学方程来说，其求解速度在很大程度上取决于广义坐标的选择。ADAMS用刚体i的质心笛卡尔坐标和反映刚体方位的欧拉角(或广义欧拉角)作为广义坐标，即q = x, y, z, , , , q =，即每个刚体用六个广义坐标描述。2.3.4.2 动力学方程的建立ADAMS 程序采用拉格朗日乘子法建立系统运动方程完整约束方程 (q, t)=0非完整约束方程 (q, ,t)=0 (2-
18、1)其中：q系统广义坐标列阵； ，u 广义速度列阵； 描述完整约束的代数方程列阵； T 系统动能； Q广义力列阵；对应于完整约束的拉氏乘子列阵； 对应于非完整约束的拉氏乘子列阵。2.3.4.3 动力学方程的求解 将式(2-1)写成一般的形式: (2-2)其中, q-广义坐标系； u-广义速度列阵；-约束反力及作用力列阵；-系统动力学微分方程及用户定义的微分方程；-描述约束的代数方程列阵。如定义系统的状态矢量，式(2-2)可写成单一矩阵方程: (2-3)2.3.4.4 动力学分析ADAMS软件进行动力学分析时采用两种算法：1、提供三种功能强大的变阶、变步长积分求解程序：GSTIFF积分器、DST
19、IFF积分器和BDF积分器来求解稀疏耦合的非线性微分代数方程，重复预估、校正、误差控制过程，直到求解时间达到规定的模拟时间。这种方法适于模拟刚性系统(特征值变化范围大的系统)。2、提供ABAM (Adams-Bashforth and Adams-Moulton)积分求解程序，采用坐标分离算法，将微分代数方程缩减成用独立广义坐标表示的纯微分方程，然后用ABAM程序进行数值积分。来求解独立坐标的微分方程，这种方法适于模拟特征值经历突变的系统或高频系统。下面简要介绍一下微分代数方程的求解算法:用Gear预估校正算法可以有效地求解式(2-2)所示的微分代数方程。首先，根据当前时刻的系统状态矢量值，用
20、Taylor级数预估下一个时刻系统的状态矢量值: (2-4)其中,时间步长。这种预估算法得到的新时刻的系统状态矢量值通常不准确，方程(2-2)右边项不等于零，可由Gear k+1阶积分求解程序（或其它向后差分积分程序）来校正。如果预估算法得到的新时刻的系统状态矢量值满足方程(2-2)，则可不必进行校正。右边项不等于零，可由Gear K+1阶积分求解程序（或其他向后差分积分程序）来校正。如果预估算法得到的新时刻的系统状态矢量值满足方程(2-2)，则可不必进行校正。 (2-5) 其中， -在时的近似值；， -Gear积分程序的系数值。整理式(2-5)得: (2-6)将式(2-2)在时刻展开,得:
21、(2-7)ADAMS采用修正的Newton-Raphson程序求解上面的非线性方程,其迭代校正公式为: (2-8)其中,表示第次迭代。 （2-9）由式(2-6)知: (2-10)由式(2-7)知: (2-11)将式(2-10)和式(2-11)代入式(2-8),得:式(2-11)左边的系数矩阵称为系统的Jacobi矩阵,其中:-系统刚度矩阵； -系统阻尼矩阵； -系统质量矩阵。通过分解系统Jacobi矩阵（为了提高计算效率，ADAMS采用符号方法分解矩阵）求解，计算出，重复上述迭代校正步骤，直到满足收敛条件。最后是积分误差控制步骤，如果预估值与校正值的差值小于规定的积分误差值，接受该解，进行下一
22、时刻的求解，否则拒绝该解，并减小积分步长，重新进行预估校正过程。微分代数方程的求解算法实际上是重复预估、校正、误差控制过程，直到求解时间达到规定的模拟时间。第3章 虚拟样机仿真模型的建立ADAMSVIEW环境下需要借助外界CAD软件建立变速箱模型，此采用ProEngineer软件对建立的变速箱模型进行结构分析。应用ProE软件建立与实物相对应的变速箱三维实体模型，在利用多体动力学仿真软件ADAMS与ProE之间接口MECHANISMPro将所建立的三维实体模型传送到ADAMSView模块中。根据各子系统工作原理在MSC.ADAMS平台上施加合理的约束，并建立各子系统虚拟样机，保证传动系统虚拟样
23、机与真实样机的工作原理相一致。建立变速箱虚拟样机流程图如图3-1所示。 图3-1 变速箱虚拟样机仿真分析流程图3.1 应用ProE软件对变速箱模型进行结构分析ProEngineer是一套由设计至生产的机械自动化软件，是新一代产品造型系统，是一个参数化、基于特征的实体造型系统，并且具有单一数据库功能。其采用参数化设计的、基于特征的实体模型化系统，工程设计人员采用具有智能特性的基于特征的功能去生成模型，如腔、壳、倒角及圆角，可以随意勾画草图，轻易改变模型。这一功能特性给工程设计者提供了在设计上从未有过的简易和灵活。ProEngineer是建立在统一基层上的数据库上，不像一些传统的 CADCAM系统
24、建立在多个数据库上。所谓单一数据库，就是工程中的资料全部来自一个库，使得每一个独立用户在为一件产品造型而工作。换言之，在整个设计过程的任何一处发生改动，亦可以前后反应在整个设计过程的相关环节上，以确保所有的零件和各个环节保持一致性和协调性。例如，一旦工程详图有改变，NC（数控）工具路径也会自动更新；组装工程图如有任何变动，也完全同样反应在整个三维模型上。这种独特的数据结构与工程设计的完整的结合，使得一件产品的设计结合起来。变速箱位于传动部分中央，由箱体、主动轴总成（包括一级锥齿轮传动）、中间轴总成（包括中间轴和各级变速齿轮的主动齿轮）、主轴总成（包括主轴和各级变速齿轮的被动齿轮）、倒挡轴总成和
25、换挡机构组成，如图3-2所示为变速箱结构装配图：1主动伞齿轮 2一挡主动齿轮 3二挡主动齿轮 4二三挡同步器体 5三挡主动齿轮6中间轴 7主轴 8三挡被动齿轮 9二挡被动齿轮 10一挡被动齿轮 11倒挡被动齿轮12五挡被动齿轮 13四挡被动齿轮 14四挡主动齿轮 15四五挡同步器体 16五挡主动齿轮 17被动螺旋伞齿轮 图3-2 变速箱结构装配图其变速箱各零件三维实体模型见图3-3所示：a) 二挡被动齿轮 b）三挡被动齿轮 c）四挡被动齿轮 d）五挡被动齿轮 e）一倒挡被动齿轮 f）上箱体 g）下箱体 ）主动锥齿轮 o）左连接齿套p）右连接齿套 q）同步器体 r）变速箱拨叉 s） 一倒挡连接齿
26、轮 t）一倒挡连接齿套 u）一倒档主动齿轮 v）中间轴 w）主轴 图3-3 变速箱各零件三维实体模型图3.2 基于ADAMS软件建立变速箱虚拟样机模型根据图3-1所示的仿真分析流程图，建立变速箱子系统各挡位相对应的虚拟样机。由于变速箱子系统具有6个挡位，一挡、二挡、三挡、四挡、五挡及其倒挡，因此本文根据变速箱的工作原理建立了与6个挡位对应的虚拟样机，这样对变速箱进行研究的时候就更具有针对性，根据不同工作情况采用不同的虚拟样机。利用ADAMSVIEW进行组装，并根据各个部件之间的运动约束关系，在刚体上添加不同的铰约束和相互的接触力作用，得到了变速箱的虚拟样机模型。针对建立好的虚拟样机在MSCAD
27、AMS平台上进行样机的校核验证，尽量减小虚拟样机所含的多余自由度，以保证样机的精确度。以变速箱5挡工作时虚拟样机模型为仿真对象，如图3-4： 图3-4 变速箱5挡虚拟样机 3.3 对变速箱虚拟样机模型的动力学仿真分析以5挡变速箱虚拟样机为例，利用多体动力学仿真软件提供的模型校核验证工具，对所建立变速箱子系统进行模型验证，其结果为：5挡变速箱子系统在给定速度下运行时，是按照给定的速度行驶，所建立模型没有多余约束，模型验证成功。同样，对其余5个挡位的虚拟样机子系统模型进行验证，保证所建立的虚拟样机不存在多余约束，说明模型验证成功。由于变速箱子系统结构复杂，在整个传动系统中占有重要地位，因此对建立的
28、变速箱虚拟样机进行仿真分析，其分析结果曲线如图3-5：(1) 五挡发动机输出力矩 (2) 变速箱五挡主动齿轮角速度及其角加速度对比 图3-5 变速箱五挡位动力学仿真分析 表3-1五挡位运动参数对比 运动情况挡位初速度（degs）负载力矩均值（Nm）发动机端驱动力矩均值（Nm）传动箱主动齿轮侧减速器输出轴虚拟样机传动比设计传动比传动比误差（%）角速度均值（degs）角加速度均值（degs2）角速度均值（degs）角加速度均值（degs2）五挡90001405.8398.48-8982.31.7907-2550.70.50853.52113.5280.2 由图3-5和表3-1对变速箱系统五挡位运动
29、状态比较可以得出如下结论：变速箱系统五挡位虚拟样机都可以完成初速度给定情况下的稳态动力学仿真试验，并且根据五挡位虚拟样机所得到的挡位传动比，与设计传动比之间相比误差很小，因此可以确定所建立变速箱系统五挡位虚拟样机模型是精确合理的，可以代表其传动系统物理样机并进行仿真试验，对其中的关键重要的零部件进行动力学仿真、寿命预测及结构优化方面研究。 3.4 仿真结果分析应用变速箱各子系统零件相对应的三维实体模型，利用接口技术基于ADAMS仿真平台软件建立了与实物样机相对应的虚拟样机，并对各子系统虚拟样机模型进行了样机校核验证，以保证所建立虚拟样机合理性。通过对所建立好的变速箱各挡位虚拟样机在给定初始条件
30、作用下进行动力学仿真，通过仿真分析，表明仿真结果与试验结果有良好的一致性。初步验证了变速箱虚拟样机与真实变速箱实验的一致性，可以用本文所建立的变速箱虚拟样机来代替实物样机对其进行试验，为进行磨损失效周期确定、疲劳寿命预测及动态结构优化等方面研究奠定了基础，为下一步对传动系统进行系统性能分析和虚拟试验研究打下坚实可信的基础。第4章 全文总结随着计算机技术的发展，以及模拟仿真在设计和研究过程中的优势，ADAMS已市使用范围最广的机械系统动力学仿真分析软件。为了对传动系统的进行动力学分析，为今后的研究提供一种思路，本文围绕变速箱的传动进行研究，进行了试验分析，建立了动力学模型，进行了仿真分析，主要工
31、作及其结论如下：1. 首先介绍某型变速箱的工作原理、结构及其研究现状等；2. 系统地介绍了多体系统动力学软件 ADAMS 的力学理论基础；3. 应用多体动力学仿真分析软件 ADAMS，进行建模、仿真分析，对比仿真结果和试验结果，验证了模型的可靠性，为今后对变速箱故障进行疲劳寿命及结构优化分析提供载荷数据；4. 通过虚拟样机在进行动力学仿真时的五挡位虚拟样机所得到的挡位传动比，与设计传动比之间相比，其误差很小，因此可以用本文所建立的变速箱虚拟样机来代替实物样机对其进行试验。参考文献1刘延柱，洪嘉振，杨海兴.多体系统动力学. 高等教育出版社. 1992，40502陈立平, 张云清, 任卫群等. 机械系统动力学分析及 ADAMS 应用教程. 北京: 清华大学出版社, 2005, 21243陈立平, 张云清, 任卫群等. 机械系统动力学分析及 ADAMS 应用教程. 北京: 清华大学出版社, 2005, 764张旭, 毛恩荣. 机械
