基于Pro/E和ADAMS的动力学联合仿真研究

罗锦华 章程 赵成宏

（中国船舶重工集团公司七一二研究所，武汉 430064）

1 引言

随着科学技术的发展，尤其是计算机技术、CAD/CAM/CAE技术以及多体系统动力学理论的日臻成熟，以系统建模和仿真技术为核心的虚拟样机技术得到了广泛的应用，为解决实际工程分析提供了一个理想平台。通过仿真、分析，评估系统的性能，可为物理样机的参数设计和制造提供依据。其中应用广泛、具有代表性的软件系统有：机械系统动力学自动分析软件ADAMS( Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems )、动力学分析和设计系统软件 DADS ( Dynamic Analysis and Design System )、新一代多体动力学分析软件Recur Dyn(Recursive Dynamic)等。这些软件集成了最新的多体系统动力学理论成果、各种方便的建模工具、高效的求解器、功能强大的后处理模块以及可视化界面等，用它们来建立机械系统的仿真模型，用户可以将注意力放在改进模型设计上，而不必关心建立方程、求解方程这些在过去要耗费大量精力的工作，从而大大提高了机械系统仿真的效率。尽管这些动力学软件都具有一定的三维建模功能，但对于复杂机械系统或零部件几何外形不规则的情况，就显得力不从心，所以一般用专业的 CAD建模软件和专业动力学仿真软件进行联合仿真。目前国内这方面常见的是用美国PTC公司的Pro/E软件与美国MDI公司的ADAMS软件结合来开发复杂机械系统的虚拟样机。

2 Pro/E和ADAMS软件介绍

Pro/E软件是美国参数技术公司(Parametric Technology Corporation，简称PTC)的重要产品。在目前的三维造型软件领域中占有着重要地位，并作为当今世界机械 CAD/CAE/CAM 领域的新标准而得到业界的认可和推广。软件包Pro/Engineer是该系统的基本部分，其主要功能包括参数化定义、实体零件及组装造型，三维上色实体或线框造型等。

ADAMS (Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems)软件是美国 MDI公司(Mechanical Dynamics Inc.)开发的目前最权威的机械系统运动学与动力学仿真计算的商用软件。它使用交互式图形环境和零件库、约束库、力库，创建完全参数化的机械系统几何模型，其求解器采用多刚体系统动力学理论中的拉格郎日方程，建立系统动力学方程，对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析，输出位移、速度、加速度和反作用力曲线，通过在计算机上创建虚拟样机来模拟复杂机械系统的整个运动过程，从而达到改进设计质量、节约成本、节省时间的目的。其核心 模 块 包 括 ADAMS/View 和ADAMS/Solver。

3 Pro/E和ADAMS的联合仿真

在利用Pro/E和ADAMS进行联合设计时，一般先在Pro/E中实现三维特征建模，利用Pro/E生成零件实体，然后装配成运动部件并进行干涉检查，再将整个模型传送给ADAMS，在ADAMS中完成仿真参数的设定，产生参数化的机构模型，并进行动力学仿真。一般情况下的联合仿真设计流程如图1所示。

由于选用的 CAD软件和动力学仿真软件是两个不同公司的产品，这就存在模型传递过程中图形数据交换的问题，Pro/E与 ADAMS间进行图形数据传递的方法主要有两种：一是通过标准图形格式转换，即将Pro/E创建的模型存储为中性文件格式，然后通过ADAMS的图形接口模块ADAMS/Exchange导入仿真环境；二是使用Pro/E和ADAMS的专用数据接口模块Mechanism/Pro。

Pro/E与 ADAMS共同支持的中性文件格式主要有：IGES、STE、DXF/DEG、SLA、Render等，但由于在传递过程中图形元素丢失过多，比如不可避免地产生丢面破面的问题以及点线数据的丢失现象，所以一般不提倡采用。

Mechanism/Pro是MDI公司为ADAMS开发的针对Pro/E软件的专用接口模块，是连接Pro/E与ADAMS之间的桥梁，二者采用无缝连接的方式，安装便捷。安装好后，打开装配模型体，它作为一个悬挂菜单出现，用户不必退出熟悉的Pro/E环境，就可以将装配的总成根据其运动关系定义刚体和施加约束，并且可以利用 ADAMS的求解器进行动力学仿真分析。使用Mechanism/Pro模块对机械系统模型进行数据传送时，一般遵循以下步骤：

图1 联合仿真设计流程图

1) 在 Pro/E环境中创建装配模型：利用Pro/E强大的三维建模功能创建模型，建立机械系统各零件并进行装配。

2) 定义刚体：根据设计意图，将装配模型中没有相对运动的零件定义为一个刚体，同时指定一个刚体为大地，作为大地的刚体应该是在对模型进行动力学仿真分析时一直固定不动的刚体，它是其它刚体运动的参考基准。

3) 在接口软件 Mechanism/Pro下对装配机构进行ADAMS软件可以识别的运动副的创建。

4) 通过接口软件 Mechanism/Pro对机构施加驱动和载荷。

5) 把定义好的机构通过接口导入到ADAMS，然后对其进行动力学仿真分析。

4.活塞连杆机构联合仿真分析

4.1 Pro/E三维建模

活塞连杆机构主要由活塞、汽缸、连杆及曲柄轴等组成，在Pro/E中建立活塞连杆机构的各零部件，装配后得到活塞连杆机构实体模型，见图2所示。

图2 活塞连杆机构零件及装配件Pro/E三维模型

4.2 机构模型数据的传送

在 Pro/E环境中，利用Mechanism/Pro模块定义好刚体，增加运动约束与驱动，并施加载荷，最后将Pro/E中的活塞连杆机构装配件模型传送到ADAMS中进行动力学仿真分析。将活塞顶面的中心点 piston_top设置为测量点，用以记录活塞的位移、速度和加速度，同时测量汽缸与曲柄轴的连接处铰链 joint_1上所作用的力。导入到ADAMS的模型及测量点如图3所示：

图3 活塞连杆机构的虚拟样机模型

测量点piston_top的位移、速度和加速度以及joint_1处所受的力随时间的变化曲线分别见图4～图7所示。

4 结束语

Pro/E和 ADAMS作为三维建模领域和动力学仿真分析领域的优势产品，二者的联合仿真广泛应用于机械设计、产品开发、工程校验等过程中。本文对在二者间进行数据传输的相关技术进行了说明，并通过实例说明了这种方法是行之有效的，不仅提高了数据转换的可靠性，还提高工作效率和分析精度，对从事这方面工作的人员具有一定参考意义。

图4 活塞位移曲线

图5 活塞速度曲线

图6 活塞加速度曲线

图7 曲柄轴与汽缸转动铰链处的受力曲线

[1]陈立平.机械系统动力学分析及ADAMS应用教程[M].北京：清华大学出版社，2005.

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