ADAMS参数化建模及优化设计.docx
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ADAMS参数化建模及优化设计
第10章ADAMS参数建模和优化设计
本章将通过一个具体的工程实例介绍ADAMS/View的参数建模以及ADAMS/View提供的三种类型的参数分析方法：
设计研究，实验设计（设计美国能源部实验）和优化分析（Optimization）。
其中，DOE通过ADAMS/Insight完成，设计研究和优化分析在ADAMS/View中完成。
在学习了本章之后，您可以对ADAMS参数化建模和优化的功能有一个初步的了解。
10.1ADAMS参数建模简介
ADAMS提供了强大的参数建模功能。
在构建模型时，根据分析需要，确定相关的关键变量，并将这些关键变量设置为可以更改的设计变量。
在分析过程中，您只需要更改这些设计变量的值，虚拟原型模型就会自动更新。
如果需要根据预定参数执行仿真，则程序可以预先设置一系列可变参数，ADAMS会自动执行一系列仿真，以方便观察其性能变化。
在不同参数值下的原型。
进行参数建模时确定键输入值之后影响原型性能的ADAMS/View提供了4种参数化方法：
（1）参数化的点坐标在建模过程中，点坐标用于几何形状，约束点位置和行驶位置。
参数化点坐标后，修改点坐标值，与参数化点关联的对象将自动修改。
（2）使用设计变量通过使用设计变量，您可以轻松地修改已经设置为设计变量的对象。
例如，我们可以将连杆的长度或弹簧的刚度设置为设计变量。
当设计变量的参数值更改时，与设计变量关联的对象的属性也会更新。
（3）参数化运动模式通过参数化运动模式，可以轻松指定模型的运动模式和轨迹。
（4）使用参数表达式使用参数表达式是模型参数化的最基本参数化方式之一。
当以上三种方法不能表达对象之间的复杂关系时，可以使用参数表达式进行参数化。
通过参数化模型，用户可以方便地修改模型，而无需考虑模型之间相关性的变化，从而可以达到模型优化的目的。
参数化机制是ADAMS中的重要机制。
10.2ADAMS参数分析简介
参数分析有助于理解设计变量对原型性能的影响。
在参数分析过程中，根据参数转变使用不同的参数值模拟在建模过程中建立的设计变量。
然后根据返回的分析结果执行参数化分析，以获得一个或多个参数更改对原型性能的影响。
再次进一步优化和分析各种参数以获得最优化的原型。
ADAMS/View提供的三种类型的参数分析方法包括：
设计研究，设计美国能源部实验）和优化分析（Optimization）。
10.2.1设计研究
建立参数化模型后，采用不同的设计变量时，或什么时候当设计变量的值改变时，模拟进行中，原型的性能将会改变。
以及原型性能如何变化，这是设计研究的主要内容。
在设计研究的过程中，根据某些规则在一定范围内对设计变量进行赋值。
根据不同的值对设计变量进行一系列模拟分析。
在完成的时候设计研究之后，输出每个模拟分析的结果。
通过研究每个分析结果，用户可以获得以下信息：
（1）设计变量对原型性能的影响。
（2）最佳设计变量值。
（3）设计变量的敏感性，即原型性能对设计变量的值的敏感性。
10.2.2实验设计实验）
实验设计美国能源部实验）当多个设计变量同时更改时，请考虑每个设计变量对原型性能的影响。
实验设计包括建立设计矩阵和对实验结果进行统计分析。
最初，设计实验设计（DOE）用于物理实验，但是虚拟实验的效果也很好。
传统的DOE既费时又费力。
使用ADAMSDOE可以提高所获得结果的可靠性，并且获得结果的速度要比反复试验或一次测试一个因素的试验更快。
，同时它可以帮助用户更好地理解和优化机械系统的性能。
对于简单的设计问题，可以混合经验知识，反复试验方法或施加强力的方法来探索和优化机械系统的性能。
但是，随着设计选项的增加，这些方法将无法获得快速而系统的答案。
一次更改一个因素（也称为设计参数，因素）不能提供有关因素相互影响的信息，并且在测试多个不同因素的同时执行多个仿真将导致大量输出数据供用户评估。
为了减少耗时的工作，由ADAMS/Insight提供定制的计划和分析工具，可以进行一系列实验，和ADAMS/洞察力救命确定相关数据进行分析，并自动完成整个实验设计过程。
通常，ADAMS中的DOE是用于安排测试和分析测试结果的一组过程和统计工具。
测试的目的是测量虚拟原型模型性能，制造过程的成品率或成品质量。
DOE通常具有以下五个基本步骤：
（1）确定测试目的。
例如，您要确定哪个变量对系统影响最大。
（2）选择要检查的系统因素集，并设计一种方法来测量系统的响应。
（3）确定每个因子的值并在实验中更改因子，以研究对实验的影响。
（4）进行测试，并在每次运行时记录系统的性能。
（5）分析整体表现更改时间，哪些因素对系统影响最大。
设计实验过程的设置称为建立矩阵实验（设计矩阵）。
设计矩阵的列代表因子，行代表每次运行，矩阵中的每个元素代表相应因子的水平（即可能的价值因子，水平），它是一个离散值。
设计矩阵分配每个因素每次运行中的级别数，只有根据级别才能确定计算中因子的具体值。
通常有五种方法来创建设计矩阵，每种方法具有不同的目的和特征：
●周长研究：
测试分析模型的健壮性。
●
●DOE筛选（2级）：
确定影响系统行为的某些因素以及某些因素的组合；确定每个因素将对输出产生多大影响。
●
●DOE响应面（RSM）：
对测试结果执行多项式拟合。
●
●扫描研究：
在一定范围内更改相应的输入。
●
●蒙特卡洛：
确定设计功能的实际更改影响。
●
创建设计矩阵后，用户需要确定实验设计的类型。
ADAMS/Insight中有六种内置设计类型来创建设计矩阵，您也可以导入自己创建的设计矩阵。
免费选择设计矩阵，以创建最有效的系统测试。
使用内置设计类型时，ADAMS/Insight基于已选设计类型生成相应的设计矩阵。
这六种设计类型它是全因子分解，Plackett-Burman分解，分数阶分解，Box-Behnken中心分解，复合面（CCF），D最优。
（1个）FullFactorial在所有设计类型中使用因子水平的所有可能组合，是最全面的。
（2）Plackett-Burman设计类型适用于筛选众多因素中最具影响力的因素。
此设计需要最少数量的传统设计类型的运行，但不允许用户估计这些因素之间的相互影响。
（3）分式分数线和Plackett-Burman使用全因子的特殊子集，因此它们也被认为是减少阶乘。
它通常用于筛选重要变量，并且主要用于两级因素，可以估算其对系统的影响。
（4）Box-Behnken设计类型使用设计空间中平面上的点。
这样，该设计适用于第二种型号的RSM测试。
Box-Behnken要求每个因素三个级别。
（5）CCF（中心复合面）设计类型使用每个数据轴上的点（起点），设计空间的角点（顶点）和多个中心点。
CCF比Box-Behnken运行更多次。
CCF适用于第二次RSM测试的模型类型。
（6）D-Optimal设计类型产生的模型可以最大程度地降低系数不确定性。
这种类型的设计由根据最小化规则从大量候选因子中随机选择的行组成。
D-Optimal指示测试中的运行总数，为新测试提供先前测试中存在的行，并为每个因素分配不同的级别。
这些特性使D-Optimal在许多情况下，尤其是在试用费用惊人的情况下，成为最佳选择，。
10.2.3优化
优化是指当系统变量满足约束条件时，使目标函数取最大值或最小值。
目标函数是使用数学方程式来表达模型的质量，效率，成本和稳定性。
当使用精确的数学模型时，最佳函数值对应于最佳设计。
目标函数中的设计变量对于要解决的问题应该是未知的，并且设计变量的更改将导致目标函数发生更改。
在优化分析的过程中，可以设置设计变量的范围，并可以施加某些限制以确保最佳设计在合理的值范围内。
优化的另一个重要概念是约束。
只有在有约束的情况下，才能限制目标函数的求解，并且只有在有约束条件的情况下，才可以消除不满足条件的设计方案。
通常，优化分析问题可以概括为：
满足各种设计条件并且在指定的变量范围内，通过自动选择设计变量，分析程序可以获取目标函数的最大值或最小值。
尽管Insight还具有优化的功能，但两者之间仍然存在差异，并且彼此互补。
实验设计主要研究哪些因素影响更大，并研究这些因素之间的关系。
优化分析的重点是获得最佳目标值。
实验设计可以对多个因素进行实验分析，以确定哪个因素或哪些因素影响更大，然后使用优化分析功能对这些因素产生更大的影响，从而有效地提供优化分析算法。
速度和可靠性。
10.3参数化建模的应用示例
由于多体动力学仿真系统是一个复杂的系统，因此仿真模型中各个组件之间存在复杂的关系。
因此，在仿真建模过程中应提供良好的模型创建和模型修改机制。
进行更改后，与之关联的数据也将更改，最终达到优化模型的目的。
ADAMS提供了一种用于多体动力学仿真建模的机制-参数化建模机制为用户设计和优化模型提供了极大的便利。
在10.1节中，简要介绍了参数化建模。
本节将主要以双摆臂独立前悬架的运动学模型为例，重点介绍参数点坐标的方式参数化建模。
10.3.1双摆臂独立前悬架的拓扑
双摆臂独立前悬架系统的主要组件包括上摆臂（UCA，上控制臂），下摆臂（LCA，下控制臂），转向节（转向节），横杆（拉杆）），以及测试平台（测试平面）。
），地面（由于车身固定在地面上，车身和地面是一体的），它们通过铰链连接，并提供了位移驱动器，使其能够绕轴上下旋转。
连接图如下：
图10。
-1模型拓扑
10.3.2系统环境设置
（1）设置工作平面。
在此处将XOZ设置为工作平面。
设置方法如下，进入菜单设置，加工格…，见图10-2。
在弹出的对话框中，选择GloabXZ（图10-3）在主工具箱中，单击ViewSettings（图10）。
-4）。
图片10-2图片10-3
图片10-4图10-5
（2）单位设置。
单击菜单命令“设置”－>“单位”…，选择MMKS。
（3）消息窗口设置。
单击菜单命令View－>MessageWindow，单击弹出对话框左下角的Setting按钮，然后弹出图10。
-5显示对话框，选择错误。
10.3.3双摆臂独立前悬架的参数化建模
使用参数化点进行建模时，参数化点主要提供多体系统模型中每个对象（组件，约束，框架，力，力元素等）的位置坐标。
通过修改这些参数化的点来修改对象。
完成。
所以在参数转变在基于点的参数建模中，参数化点是最基本的元素。
参数点建模的步骤大致如下：
建立参数化点->创建参数化点->创建模型组件->创建连接关系->创建驱动，力或力元素。
（1）确定参数化点
对于本节中的双摆臂独立前悬架系统，参数化点的建立主要考虑两个方面：
1。
能够定位模型对象的位置和方向；
2。
根据这些要点，可以创建模型以可视化几何实体。
根据以上两个原则，可以从模型的拓扑中获取以下参数表：
表10-1模型的参数化表
序列号
名称
坐标值（X，Y，Z）
说明
1个
lca_r_center
307.0，1560.0，383.0
下摆臂后端与车身铰链的连接点
2
lca_f_center
307.0，1285.0，388.0
下摆臂前端与车身铰链的接合点
3
lca_knuckle
686.0，1414.0，364.0
转向节和下摆臂铰链的连接点
4
uca_r_center
384.0，1564.0，650.0
上摆臂后端与车身铰链之间的连接点
5
uca_F_中央
384.0，1个330.0，708.0
上摆臂的前端与车身铰链之间的连接点
6
uca_knuckle
593.0、1448.0、686。
0
转向节和上摆臂铰链的连接点
7
tierod_middle
377.0、1311.0、471.0
左横拉杆与车身铰链的连接点
8
铁杆关节
703.0、1305.0、459.0
转向节和横拉杆铰链的连接点
9
Hookref
390.0、1311.0、471.0
定位万向节（在车身上）Z方向点
10
关节中心
686.0、1442.0、507.0
指关节中心点
11
wheel_center
743.0、1442.0、507.0
轮心点
12
wheel_outer
813.0、1442.0、507.0
定义车轮几何实体的辅助点
13
wheel_inner
673.0、1442.0、507.0
定义车轮几何实体的辅助点
14
test_plane
743.0、1442.0、207.0
试验台与转向节铰链的连接点
（2）创建一个参数化点
在ADAMS/View中有两种创建参数化点的方法，一种是通过主工具箱中的快捷方式图标
另一种创建方法是通过菜单中的“工具””命令导航器……”创造。
见图10-6
通过快捷方式图标创建通过菜单命令创建
图片10-6创建一个参数化的点
在本节的示例中，我们使用后一种方法创建菜单菜单命令。
然后出现“CommandNavigator”对话框，在其中找到一个点，然后单击前面的“+”展开数字，在展开的列表中双击create，如图10所示。
-7，然后系统弹出创建点对话框（图10.3-8）。
图片10-7创建点命令图片10-8创建点对话框
图片10-8显示的对话框中的第一个编辑框是点的名称，该点在编辑框中输入为.model_1.ground.lca_r_center。
评论代表对这一点的评论；根据“”的表格坐标中提供的数据在“位置”列中输入点307.0，1560.0，383.0“;最后一个编辑框是选择一个参考系。
如果选择了参考系，则意味着该点的坐标是该参考系中的坐标。
如果未填写，则将其视为坐标在全球框架下。
单击确定，然后重复上述步骤以创建其余点，或单击应用直接更改名称并输入坐标。
创建完成后，将出现界面
图标，代表创建的点。
注意：
如果你可以的话’如果没有看到该图标，则可以单击主工具箱中的“图标”按钮，或者按“Ctrl+v”。
（3）创建模型零件
1。
创建一个空零件
在ADAMS中，必须先存在零件，然后才能为其创建可视的几何实体。
因此，我们首先创建一个空零件，即没有任何属性的零件。
首先创建上摆臂。
输入“CommandNavigator”对话框，展开“part”，用“rigid_body”创建，双击“name_and_position”，见图10-9，弹出“创建刚体”对话框，将零件名称更改为.model_1.uca，其余均为默认值，单击“确定”，图10-10。
创建名为uca的零件，然后将创建uca的几何实体。
图片10-9创建几何图片10-10创建几何对话框
2。
创建几何实体
●在“命令导航器”中，展开对话框“几何”，“创建”，“形状”，双击“圆柱”，将弹出一个对话框，可以在名称框中更改几何实体的名称。
请特别注意以下事实：
必须为几何实体创建所属的零件，这里是.model_1.uca。
看到图片10-11。
●
●将光标移动到“中心标记”。
在编辑框中，右键单击并选择“标记”，在出现的子菜单中单击“创建”，使用默认名称弹出一个用于创建标记的对话框。
见图10-11。
●
●将光标移到”位置”在编辑框中，右键单击鼠标并选择”挑位置”，然后使用鼠标在图形区域“uca_knuckle”中选择一个点，从对话框“AlongAxisdirection”的下拉菜单中选择，选择点“uca_f_center”，见图10-12。
指示创建的标记“Z”的轴方向为点“uca_knuckle”指向点“uca_f_center”的方向，该方向指定创建的圆柱体的轴方向。
点击“确定”。
图片10-13是用于选择良好参数的对话框。
●
注意：
标记是ADAMS中的重要对象。
ADAMS中的几何实体，约束，力和力元素均由Marker定义。
我们将基于成功创建的参数化点创建标记，以便在我们修改参数化点时，与其关联的标记也将更改。
图片10-11创建一个中心框架
图片10-12图10-13
●返回用于创建圆柱体的对话框，右键单击长度对话框，然后选择“参数化”->“表达式生成”，从弹出对话框的“建模功能”的下拉菜单中选择“选择”“DM”下面的列表，用于计算两点之间的距离。
单击按钮“Assist...”，弹出一个对话框，在对象1编辑框中输入“uca_knuckle”的第一个点，在对象2编辑框中输入“uca_f_center”，如图10所示。
-14、10-15。
●
图片10-14查找两点之间的距离函数图片10-15输入两点
●关闭对话框后，返回到“创建几何实体”对话框，在“半径”中在编辑字段中输入15并单击“确定”，即可成功创建几何。
然后根据点“uca_knuckle”和“uca_f_center”创建uca部分的另一个几何实体。
●
3。
创建其他零件
通过上述方法分别为其余零件创建几何实体
表2型号零件清单
部分
中心标记
长（L）
半径
位置
沿轴…
DM（对象1，对象2）
15
生命周期评价
气缸1
lca_knuckle
lca_f_center
lca_knuckle，lca_f_center
15
气缸2
lca_knuckle
lca_r_center
lca_knuckle，lca_r_center
15
拉杆
气缸1
铁杆关节
tierod_middle
铁杆关节，tierod_middle
15
Ťest_plane
气缸1
测试飞机
wheel_center
20
120
指关节
气缸1
关节中心
uca_knuckle
指关节，uca_指关节
15
气缸2
关节中心
lca_knuckle
指关节中心，lca_knuckle
15
气缸3
关节中心
铁杆关节
指关节中心，拉杆关节
15
气缸4
关节中心
uca_knuckle
指关节，uca_指关节
15
轮
气缸1
wheel_center
wheel_inner
70
300
气缸2
wheel_center
wheel_outer
70
300
位置
沿轴…
长度
尖端半径
底半径
视锥1
wheel_outer
wheel_center
-30
270
300
视锥2
wheel_inner
wheel_center
-30
270
300
注意：
1个。
在该模型中，我们规定车轮和转向节之间没有旋转，并且它们都属于同一组件；
2。
在创建每个几何实体之前，必须创建一个空零件。
最终形成图10仿真模型如图-16所示。
图片10-16模型生成图
（4）创建约束
1。
输入“命令导航器”对话框，展开“约束”，“关节”，双击“球形”。
2。
在弹出对话框的I和J部件名称编辑框中输入uca和knuckle，在“位置”中选择uca_knuckle，如图10所示。
-17，单击“确定”完成创建。
图片10-17创建约束对话框
3。
拉杆和地面通过万向节连接。
由于创建万向节比其他约束更加困难，因此创建过程描述如下：
●提前输入“命令导航器”对话框，展开“约束”，“关节”，双击“挂钩”。
弹出创建对话框（图10）-18），在下拉菜单“使用标记定位”中选择，通过标记定位铰链。
●
图片10-18选择我，J帧
●右键单击并在“I标记名称”编辑框中选择“标记”，“创建”，弹出“创建标记”对话框，这里首先创建一个属于地面的I标记，其Z轴为水平。
将名称更改为“model_1.tierod.MARKER41”，在“位置”中选择“tierod_middle”，从下拉菜单中选择“AlongAxisOrientation”，然后选择hookref。
点击“确定”。
见图10-19。
●
图片10-19创建I框架对话框
●建立在水平杆上的J标记的Z轴是水平杆的轴向。
在“创建标记”对话框中，将名称更改为“.model_1.tierod.MARKER_42”，在“位置”编辑框中选择tierod_middle，在下拉菜单中选择“AlongAxisOrientation”，选择tierod_middle，然后单击“确定”。
见图10-20
●
图片10-20创建J框架对话框
●铰链创建对话框，单击“确定”，完成万向节的创建。
●
4。
请按照上述方法在下表中创建约束。
表10-3约束清单
铰链类型
我分开
J部分
位置
沿轴方向
球形铰链
lca
指关节
球形铰链
拉杆
指关节
旋转铰链
lca
地面
lca_f_center
lca_r_center
旋转铰链
乌卡
地面
uca_f_center
uca_r_center
翻译对
test_plane
地面
test_plane
wheel_center
机内
test_plane
指关节
test_plane
（5）创建驱动程序
1个。
输入“CommandNavigator”对话框，展开“constraint”，“create”，“joint”，双击“motion_generator”，弹出图10-21对话框。
2。
允许“动作名称”更改动作的名称。
从功能类型下拉菜单“功能”中选择，在编辑框中输入“-100*time+100”。
从接下来的两个下拉菜单中选择“位移”和“关节运动”。
3。
在“关节名称”中选择测试台上的平移铰链，然后从自由类型“平移”的下拉菜单中选择。
4。
点击“确定”。
注意：
有两种类型的驱动器：
平移和旋转，点驱动器（添加到标记器）和铰链驱动器（添加到铰链）。
通过在此处添加平移型铰链驱动器，等效于向测试平台添加上下运动激励。
图片10-二十一创建驱动程序对话框
10.4优化设计实例分析
本节使用双摆臂独立前悬架的参数模型来指定设计研究，实验设计和优化设计的三种参数分析方法。
。
10.4.1参数分析的准备
完成参数建模后，可以进行设计研究，实验设计和优化设计的三种类型的参数分析。
对于这三种参数分析方法，初始步骤相同。
1。
参数分析操作步骤
设计研究，实验设计和优化设计的具体操作步骤如下：
图片10-二十二参数分析对话框
（1）在“模拟”菜单中，选择“设计评估”…在ADAMS/View命令中，显示“设计评估工具”对话框。
当前建立的参数化模型的名称将自动导入到“模型”文本对话框中。
您还可以根据需要输入所需分析模型的名称。
（2）选择参数分析的类型：
设计研究，实验设计或优化。
ADAMS/View根据所选的不同分析类型显示相应的输入对话框。
（3）输入在“模拟脚本”文本输入框中使用的模拟分析脚本的名称。
（4）选择测量或物镜以确定要分析的物体的类型。
根据选择的分析对象类型，显示相应的输入对话框。
（5）如果选择“测量”，则在选择框中选择测量类型：
“上一数值”，“最小值”，“最大值”，“平均值”。
然后在右侧的文本对话框中输入测量的名称。
（6）如果选定的对象类型是“目标”，请在“目标”文本对话框中输入目标的名称。
对于优化分析，只能输入一个目标。
对于设计研究和实验设计，可以输入多个目标。
输入多个目标时，请用逗号分隔目标名称。
（7）参数分析结果救。
图片10-二十三参数化结果保存对话框
●选择工具以将参数分析结果保存到数据库中
，如图所示1个
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