ADAMS参数化建模及优化设计.docx
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1、第10章 ADAMS参数化建模及优化设计本章将通过一个具体的工程实例,介绍ADAMS/View的参数化建模以及ADAMS/View提供的3种类型的参数化分析方法:设计研究(Design study)、试验设计(Design of Experiments, DOE)和优化分析(Optimization)。其中DOE是通过ADAMS/Insight来完成,设计研究和优化分析在ADAMS/View中完成。通过本章学习,可以初步了解ADAMS参数化建模和优化的功能。10.1 ADAMS参数化建模简介 ADAAMS提提供了强强大的参参数化建建模功能能。在建建立模型型时,根根据分析析需要,确定相相关的关关
2、键变量量,并将将这些关关键变量量设置为为可以改改变的设设计变量量。在分分析时,只需要要改变这这些设计计变量值值的大小小,虚拟拟样机模模型自动动得到更更新。如如果,需需要仿真真根据事事先确定定好的参参数进行行,可以以由程序序预先设设置好一一系列可可变的参参数,AADAMMS自动动进行系系列仿真真,以便便于观察察不同参参数值下下样机性性能的变变化。 进行差差数参数数化建模模时,在在确定好好影响样样机性能能的关键键输入值值后,AADAMMS/VVieww提供了了4种参参数化的的方法:(1)参参数化点点坐标 在建建模过程程中,点点坐标用用于几何何形体、约束点点位置和和驱动的的位置。点坐标标参数化化时,
3、修修改点坐坐标值时时,与参参数化点点相关联联的对象象都得以以自动修修改。(2)使使用设计计变量 通过过使用设设计变量量,可以以方便的的修改模模型中的的以已被设置置为设计计变量的的对象。例如,我们可可以将连连杆的长长度或弹弹簧的刚刚度设置置为设计计变量。当设计计变量的的参数值值发生改改变时,与设计计变量相相关联的的对象的的属性也也得到更更新。(3)参参数化运运动方式式 通通过参数数化运动动方式,可以方方便的指指定模型型的运动动方式和和轨迹。(4)使使用参数数表达式式 使使用参数数表达式式是模型型参数化化的最基基本的一一种参数数化途径径。当以以上三种种方法不不能表达达对象间间的复杂杂关系时时,可以
4、以通过参参数表达达式来进进行参数数化。参数化的的模型可可以使用用户方便便的修改改模型而而不用考考虑模型型内部之之间的关关联变动动,而且且可以达达到对模模型优化化的目的的。参数数化机制制是ADDAMSS中重要要的机制制。10.22 ADDAMSS参数化化分析简简介参数化分分析有利利于了解解各设计计变量对对样机性性能的影影响。在在参数化化分析过过程中,根据参参数化建模时时建立的的设计变变量,采采用不同同的参数数值,进进行一系系列的仿仿真。然然后根据据返回的的分析结结果进行行参数化化分析,得出一一个或多多个参数数变化对对样机性性能的影影响。然然后再进一步步对各种种参数进进行优化化分析,得出最最优化的
5、的样机。ADAAMS/Vieew提供供的3种种类型的的参数化化分析方方法包括括:设计计研究(Dessignn sttudyy)、试试验设计计(Deesiggn oof EExpeerimmentts, DOEE)和优优化分析析(Opptimmizaatioon)。10.22.1 设计研研究(DDesiign stuudy) 在建立立好参数数化模型型后,当当取不同同的设计计变量,或者当当设计变变量值的的大小发发生改变变时,仿仿真时过程中中,样机机的性能能将会发发生变化化。而样样机的性性能怎样样变化,这是设设计研究究主要考考虑的内内容。在在设计研研究过程程中,设设计变量量按照一一定的规规则在一一定
6、的范范围内进进行取值值。根据据设计变变量值的的不同,进行一一系列仿仿真分析析。在完完成设计计分析设设计研究究后,输输出各次次仿真分分析的结结果。通通过各次次分析结结果的研研究,用用户可以以得到以以下内容容:(1)设设计变量量的变化化对样机机性能的的影响。(2)设设计变量量的最佳佳取值。(3)设设计变量量的灵敏敏度,即即样机有有关性能能对设计计变量值值的变化化的敏感感程度。10.22.2 试验设设计(DDesiign of Expperiimennts)试验设计计(Deesiggn oof EExpeerimmentts, DOEE)考虑虑在多个个设计变变量同时时发生变变化时,各设计计变量对对样
7、机性性能的影影响。试试验设计计包括设设计矩阵阵的建立立和试验验结果的的统计分分析等。最初,所设计计的试验验设计(DOEE)用在在物理实实验上面面,但,对于虚虚拟试验验的效果果也很好好。但传统上上的DOOE是费费时费力力的。使使用ADDAMSS的DOOE可以以增加获获得结果果的可信信度,并并且在得得到结果果的速度度上比试试错法试试验或者者一次测测试一个个因子的的试验更更快,,而且且同时更能能有助于于用户更更好地理理解和优优化机械械系统地地性能。对于简单单的设计计问题,可以将将经验知知识,试试错法或或者施加加强力的的方法混混合使用用来探究究和优化化机械系系统的性性能。但但当设计计方案增增加时,这些
8、方方法也就就不能得得出快速速地、系系统化公公式化的的答案。一次改改变一个个因素(也称设设计参数数,Faactoors)不能给给出因素素之间相相互影响响的信息息,而进进行多次次仿真同同时测试试多个不不同的因因素会得得到大量量的输出出数据让让用户评评估。为为了减少少耗时的的工作,,ADAAMS/Inssighht提供供给你一个个定制计计划和分分析工具具来进行行一系列列的试验验,。并且ADDAMSS/Innsigght帮帮助帮你你确定相相关的数数据进行行分析,并自动动完成整整个试验验设计过过程。总的说来来,ADDAMSS中的DDOE是是安排试试验和分分析试验验结果的的一整套套步骤和和统计工工具,试试
9、验的目目的就是是测量出出物理模模型虚拟拟样机模模型的性性能,制制造过程程的产量量,或者者成品的的质量。DOE一一般有以以下五个个基本步步骤:(1)确确定试验验目的。例如,想确定定那个变变量对系系统影响响最大。(2)为为系统选选择你想想考察的的因素集集,并设设计某种种方法来来测量系系统的响响应。(3)确确定每个个因素的的值,在在试验中中将因素素改变来来考察对对试验的的影响。(4)进进行试验验,并将将每次运运行的系系统性能能记录下下来。(5)分分析在运运行总的的性能的的改变时,,确定哪些些因素对对系统的的影响最最大。对设计试试验的过过程的设设置称为为建立矩矩阵试验验(设计计矩阵)。设计计矩阵的的列
10、表示示因素,行表示示每次运运行,矩矩阵中每每个元素素表示对对应因素素的水平平级(即即可能取取值因子子,Leevells),是离散散的值。设计矩矩阵给每每个因素素指定在在每次运运行时的的水平级级数,,只有根根据水平平级才能能确定因因素在运运算时的的具体值值。创建设计计矩阵通通常有五五种方法法,这五五种的目目的和特特点各有有所区别别:l Periimetter Stuudy:测试分分析模型型的健壮壮性;。l DOE Scrreenningg (22-leevell):确确定影响响系统行行为的某某因素和和某些因因素的组组合;确确定每个个因素对对输出会会产生多多大的影影响。l DOE Ressponn
11、se Surrfacce(RRSM):对试试验结果果进行多多项式拟拟合。l Sweeep SStuddy:在在一定范范围内改改变各自自的输入入。l Montte CCarllo:确确定实际际的变化化对设计计功能上上的影响响。创建好设设计矩阵阵后,用用户需要要确定试试验设计计的类型型。在AADAMMS/IInsiightt中有六六种内置置设计类类型来创创建设计计矩阵,也可以以导入自自己创建建的设计计矩阵。可以自自由选择择设计矩矩阵,为为系统创创建最有有效率的的试验。当使用内内置的设设计类型型时,AADAMMS/IInsiightt根据选选择的设设计类型型的说明明生成相相应的设设计矩阵阵。这六六种
12、设计计类型是是Fulll FFacttoriial、Plaackeett-Burrmann 、FFracctioonall Faactooriaal、BBox-Behhnkeen CCenttrall、 CCompposiite Facced(CCFF)、DD-Opptimmal。(1)FFulll Faactooriaal是所所有设计计类型中中综合程程度最高高的,使使用到了了因素水水平的所所有可能能的组合合。(2)PPlacckettt-BBurmman设设计类型型适用于于在大量量的因素素中筛选选最有影影响的因因素。该该设计所所需要的的传统设设计类型型运行的的次数最最少,但但不允许许用户估估
13、计这些些因素之之间的相相互的影影响。(3)FFracctioonall Frracttoriial和和Plaakettt-BBurmman使使用的是是Fulll FFacttoriial专专门的子子集,因因而也被被看作减减化的FFacttoriial。它普遍遍用于筛筛选重要要变量并并主要用用于两水水平的因因素,能能够估计计其对系系统的影影响。(4)BBox-Behhnkeen设计计类型使使用设计计空间中中平面上上的点。这样该该设计就就适用于于模型类类型为二二次的RRSM试试验。BBox-Behhnkeen对每每个因素素需要三三个水平平。(5)CCCF(Cennterr Coompoositte
14、 FFaceed)设设计类型型使用的的是每个个数据轴轴上的点点(开始始点),以及设设计空间间的角点点(顶点点),和和一个以以上的中中心点。CCFF比Boox-BBehnnkenn相比较较运行的的次数更更多。CCCF适适用于二二次RSSM试验验的模型型类型。(6)DD-Opptimmal设设计类型型产生的的是将系系数不确确定性降降到最低低的模型型。这种种设计类类型由根根据最小小化规则则从大量量候选因因素中随随机抽取取的行所所组成。D-OOptiimall指明了了在试验验中运行行的总次次数,将将以前试试验中已已存在的的行提供供给新的的试验,并对每每个因素素指定不不同的水水平。这这些特性性使得DD-
15、Opptimmal在在很多情情况,特特别是在在试验费费用惊人人的情况况下,下成为最最佳选择择,特别别是在试试验费用用惊人的的情况下下。10.22.3 优化分分析(OOptiimizzatiion)优化是指指在系统统变量满满足约束束条件下下使目标标函数取取最大值值或者最最小值。目标函函数是用用数学方方程来表表示模型型的质量量、效率率、成本本、稳定定性等。使用精精确数学学模型的的时候,最优的的函数值值对应着着最佳的的设计。目标函函数中的的设计变变量对需需要解决决的问题题来说应应该是未未知量,并且设设计变量量的改变变将会引引起目标标函数的的变化。在优化化分析过过程中,可以设设定设计计变量的的变化范范
16、围,施施加一定定的限制制以保证证最优化化设计处处于合理理的取值值范围。另外对于于优化来来说,还还有一个个重要的的概念是是约束。有了约约束才使使目标函函数的解解为有限限个,有有了约束束才能排排除不满满足条件件的设计计方案。通常,优优化分析析问题可可以归结结为:在在满足各各种设计计条件和和在指定定的变量量变化范范围内,通过自自动地选选择设计计变量,由分析析程序求求取目标标函数的的最大值值或最小小值。虽然Innsigght也也有优化化的功能能,但两两者还是是有区别别,并且且互相补补充。试试验设计计主要研研究哪些些因素的的影响比比较大,并且还还调查这这些因素素之间的的关系;而优化化分析着着重于获获得最
17、佳佳目标值值。试验验设计可可以对多多个因素素进行试试验分析析,确定定哪个因因素或者者哪些因因素的影影响较大大,然后后,可以以利用优优化分析析的功能能对这些些影响较较大的因因素进行行优化,这样可可以达到到有效提提供优化化分析算算法的运运算速度度和可靠靠性。10.33参数化化建模应应用实例例由于多体体动力学学仿真系系统是复复杂的系系统,仿仿真模型型中各个个部件之之间存在在着复杂杂的关系系,因此此在仿真真建模的的时候需需要提供供一个良良好的创创建模型型、修改改模型机机制,在在对某个个模型数数据进行行改变时时,与之之相关联联的数据据也随之之改动,并最终终达到优优化模型型的目的的。ADDAMSS为多体体
18、动力学学仿真建建模提供供了这样样一个机机制参数化化建模机机制,它它为用户户设计、优化模模型提供供极大的的方便。在10.1节中中,对参参数化建建模做了了简要的的介绍,本节将将主要以以双摆臂臂独立前前悬架运运动学模模型为例例,着重重介绍参参数化点点坐标的的方式的参数化化建模。10.33.1 双摆臂臂独立前前悬架拓拓扑结构构双摆臂独独立前悬悬架系统统主要部部件有上上摆臂(UCAA,Uppperr Coontrrol Armm)、下下摆臂(LCAA,Loowerr Coontrrol Armm)、转转向节(Knuucklle)、横向拉拉杆(TTie Rodd)、测测试台(Tesst PPlanne)、
19、地面(Grooundd,由于于车身固固定在地地面上,因此车车身和地地面为一一体),它们之之间由铰铰链联接接,并提提供给其其一个位位移驱动动,使其其能绕轴轴上下转转动。其其联接关关系图如如下:图 100.3-1-11 模型型拓扑结结构10.33.2 系统环环境设置置(1)设设置工作作平面。这里设设置XOOZ为工工作平面面。设置置方式如如下,进进入菜单单setttinngs、worrkinng ggridd、,见图110.33-2。在弹出出对话框框中选择择Glooab XZ(图100.3-33)在主主工具箱箱,点击击视图设设置(图图10.3-44)。 图100.3-22 图100.3-33 图10
20、.3-44 图110.33-5(2)单单位设置置。点击击菜单命命令SeettiingssUUnitts,选择择MMKKS。(3)消消息窗口口设置。点击菜菜单命令令VieewMesssagge WWinddow,在弹出出对话框框中点击击左下角角按钮SSetttingg,弹出出图100.3-55所示对对话框,选择EErroor。10.33.3 双摆臂臂独立前前悬架参参数化建建模采用参数数化点的的方式来来建模时时,参数数化点主主要提供供多体系系统模型型中各个个对象(部件、约束、标架、力、力力元等)的位置置坐标,修改对对象通过过修改这这些参数数化点来来完成。因此在在参数化化点方式式参数化化建模时时,参
21、数数化点是是最基本本的要素素。参数数化点方方式建模模的步骤骤大致为为:确立立参数化化点-创建参参数化点点-创创建模型型部件-创建建联接关关系-创建驱驱动、力力或者力力元。(1)确确定参数数化点对于本节节双摆臂臂独立前前悬架系系统,参参数化点点的确立立主要考考虑两个个方面:1能为为模型对对象位置置和方向向定位;2根据据点能创创建模型型可视化化几何实实体。根据以上上两原则则,由模模型的拓拓扑结构构可得到到下参数数化表:表10-1模型型的参数数化表序号名称坐标值(X, Y, Z)说 明明1lca_r_ccentter307.0 ,15660.00, 3883.00下摆臂后后端与车车体铰链链联接点点2
22、lca_f_ccentter307.0, 12285.0, 3888.00下摆臂前前端与车车体铰链链联接点点3lca_knuucklle686.0, 14414.0, 3664.00转向节与与下摆臂臂铰链联联接点4uca_r_ccentter384.0, 15564.0, 6550.00上摆臂后后端与车车体铰链链联接点点5uca_f_ceenteer384.0, 13330.00,7008.00上摆臂前前端与车车体铰链链联接点点6uca_knuucklle593.0, 14448.00, 6686.0转向节与与上摆臂臂铰链联联接点7tierrod_midddlee377.0, 13111.00
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