运动仿真技术

1.简介

二十世纪八十年代以来，设计工程中首次使用计算机辅助工程（ CAE ）方法后，有限 元分析（ FEA ）就成了最先被广泛采用的模拟工具。多年来，该工具帮助设计者在研究新产 品的结构性能时节约了大量时间。

由于机械产品日渐复杂，不断加剧的竞争加快了新设计方案投入市场的速度。设计者 迫切感到必须使模拟超出 FEA 的局限范围，除使用 FEA 模拟结构性能外，还需要在构建物 理原型之前确定新产品的运动学和动力学性能。

运动仿真（又称刚性实体动力学）提供了用于解决这些问题的模拟方法，并很快得到 了广泛应用。

2.用于机构分析与合成的运动仿真

假设设计者要设计一个用于绘制各种椭圆的椭圆规。在 CAD 装配体中定义配合后，便 可使模型活动起来， 以查看机构零部件的移动方式。 虽然装配体动画可以显示装配体零部件 的相对运动，但运动速度却没有意义，要得出速度、加速度、驱动力、反馈力、功率要求等 结果，设计者需要一个更强大的工具，运动仿真便应运而生了。

图 1 CAD 动画制作器模拟的处于不同位置的椭圆规

运动仿真可以提供运动机构所有零部件的运动学性能（包括位置、速度和加速度）和 动力学性能（包括驱动力、反馈力、惯性力和功率要求）的完整量化信息。更重要的是，不 用耗费更多时间就可以获得运动仿真结果。因为执行运动仿真所需的所有内容都已在 CAD 装配体模型中定义好了，只需将它传输到运动仿真程序即可。

在椭圆规案例中，设计者只需确定马达的速度，要绘制的点以及希望查看的运动结果。 程序会自动执行其余的内容， 无需用户干预， 程序会自动用等式描述机构运动。 数字解算器 会很快解算出运动方程式，包括所有零部件的位移、速度、加速度、 接点反作用力和惯性载 荷以及保持运动所必需的功率的完整信息。 （图 2）

图 2 由运动模拟器计算的椭圆规线速度和马达功率

翻转滑杆机构运动模拟是机械运动学常见示例。为了获得曲柄以匀速旋转时摇臂的角 速度和加速度， 可以使用多种分析方法来解决该问题。学生最常使用的是复数方法。但 “手 动”解决此类问题需要进行大量的计算， 耗费时间。且滑杆的形体发生改变，整个计算过程 都需从头再来。这对于学生来说也许是个有趣的作业，但在现实产品开发中根本不切实际。 运动模拟软件使用 CAD 装配体模型中已有的数据可以即时模拟翻转滑杆的运动。

图3 翻转滑杆机构及摇臂角速度

运动模拟还可以用于检查干涉，与使用 CAD 装配体动画进行干涉检查有很大不同。运 动模拟对干涉检查进行实时管理， 并提供所有零部件的精确空间和时间位置以及精确的干涉 体积。当几何体发生改变时， 可在几秒内更新所有结果。 图 4为急回机构中滑杆和驱动连杆 之间的干涉。

图 4 急回机构中滑杆和驱动连杆之间的干涉

运动模拟可在短时间内对任何复杂程度的机构进行分析，可能包含刚性连接装置、弹 簧、阻尼器和接触面组。如雪地车前悬架、健身器、 CD 驱动器等的运动。

图5 复杂机构的运动仿真

除机构分析外，设计者还可通过将运动轨迹转换成 CAD 几何体，将运动模拟用于机构 合成。 例如，设计一个沿着导轨移动滑杆的凸轮， 用运动仿真生成该凸轮的轮廓。 首先将所 需滑杆位置表达为时间和滑杆在旋转凸轮上移动轨迹的函数，然后将轨迹路径转换为 CAD 几何体，以创建凸轮轮廓。

图6 滑杆沿导轨移动的位移函数

图7 滑杆沿旋转盘移动绘制的凸轮轮廓

设计者还可将运动轨迹用于很多用途，例如，验证工业机器人的运动、测试工具路径 以获取选择机器人大小所需的信息，以及确定功率要求。

图8 工业机器人在多个位置之间的移动

运动模拟的另外一项重要应用是模拟零部件之间的碰撞和接触，以研究零部件之间可 能形成的缝隙， 得出机构的精确结果。例如， 通过模拟碰撞和接触，可以研究阀提升机构中 凸轮和曲线仪（摇杆）之间可能形成的缝隙。

3.将运动仿真与 FEA 结合

想了解运动仿真和 FEA 在机构仿真中如何结合使用， 首先要了解每种方法的基本假设。

FEA 是一种用于结构分析的数字技术，已成为研究结构的主导 CAE 方法。它可以分析 任何固定支撑

的弹性物体的行为， 此处弹性是指物体可变性。 如图 8所示托架， 在静态载荷 作用下会变形，到一定程度将不再变化；在动态载荷作用下，会围绕平衡位置振动。 FEA 可以研究在静态或动态载荷作用下托架的位移、应变、应力和振动。

图9 固定支撑的托架

相反，局部支撑的物体，如托架上铰接的调速轮可以旋转而无需变形。调速轮可像刚 性实体一样移动，因而该设备属于机构， 而非结构。将调速轮视为刚性实体，则无法计算应 变和应力，可使用运动仿真来研究调速轮的运动。

图 10 存在刚性实体运动的机构

结构与机构之间的差异在于：结构在载荷作用下产生变形，存在应变和应力；机构在 载荷作用下存在刚性实体的运动， 无需变形。 如图所示的两个设备， 都有通过铰链连接到固 定基体的摆动杆，区别在于 2 用弹簧将摆动杆与基体连接一起。 1 属于机构，因为摆动杆无 论是围绕铰接链旋转， 还是围绕平衡位置摆动， 任何零件都无需变形， 摆动杆显示的是刚性 实体运动。因此将 1 设备归类为机构，可使用运动仿真来研究其运动。

2 属于结构，因为摆

动杆围绕平衡位置摆动时会产生弹簧变形。 FEA 可以分析摆动杆的振动，还可计算弹簧和 其它弹性零部件的应变和应力。

图 11 机构与结构对比

完成运动仿真后，如果想对机构任一零部件进行变形、应力分析，则需利用 FEA 对该 零部件进行结构分析。运动仿真结果提供的数据可手动或自动导出到

FEA ，以自动方式导

出时，运动仿真和 FEA 可进行“耦合”模拟，得到最佳结果，避免手动导出可能产生的错 误。图 12 为对曲柄机构进行的耦合模拟，利用

FEA 计算连杆中的最大应力。

图 12 曲柄机构

运动仿真与 FEA 结合使用的步骤：

（1）.在选择的运动范围内，采用运动仿真计算作用于所有零部件的位移、速度、加速 度、接点反作用力和惯性力。在此步骤中，所有机构连接装置均视为刚性实体。图 13 中的 曲线为曲柄转动一周连杆上接点的反作用力。

图 13 曲柄转动一周连杆上接点的反作用力

（ 2）.找出与连杆接点上最大反作用力相对应的机构位置。

因为施加最大载荷情况下进

行的分析将得到连杆所承受的最大应力。如有必要，可选择多个位置进行分析。

图 14 与连杆上最大反作用力相对应的位置

（3） .将这些反作用力载荷以及惯性载荷从

CAD 装配体传输到连杆 CAD 零件模型。

15

（4） .作用于从装配体分离出来的连杆上的载荷包括接点反作用力和惯性力，如图

所示。根据 d'Alambert 原理，这些载荷是互相平衡的，这就可将连杆视为处于静态载荷下 的结构。

图 15 连杆上的载荷

（5） .对受平衡静态载荷的连杆定义弹性材料属性，并传输给 析，以计算变形、应变和应力。

FEA 以进行结构静态分

4.运动仿真和测试 运动仿真可以从测试中导入历史数据，这样，使用廉价的计算机模型，而不必进行耗

费时间和财力的实验测试， 便可轻松地再现机构的运动， 并进行全面分析， 包括所有接点的 反作用力、惯性效应、功耗等。例如，在汽车悬架的案例中，运动模拟可以解决一些常见问 题：如车轮撞击路缘后， 导致的悬架振动将持续多长时间， 支柱式悬架中需要具有多大的阻 尼，控制臂及其套管中会产生多大的应力等。

5.集成 CAD 、运动仿真和 FEA

运动模拟和 FEA 都将 CAD 装配体模型作为分析的前提条件，适用于这三种工具的通 用集成环境可以简化 CAD 、运动模拟和 FEA 之间的数据交换。通过集成，可以避免在使用 单个应用程序时通过中性文件格式传输数据的繁琐。此外，将运动模拟和 CAD 集成起来使 用而不将其与 CAD 相关联，可大大减少设置运动模拟模型所需的工作量。

在创建运动模拟模型时，可以反复使用材料属性与 CAD 装配体的配合，运动模拟所产 生的结果，即运动轨迹，可以转换成 CAD 几何体。但此操作只能在集成软件环境中执行。 另外，与 CAD 相集成可以将模拟的模型数据和模拟结果与 CAD 装配体模型存储在一起， 而不需再专门维护一个运动模拟模型数据库。 密关联。

最后， 任何 CAD 更改都与运动模拟和 FEA 紧

6.实例分析

第一章 绪论（2 学时）

运动仿真技术概述

仿真技术综合集成了计算机、 网络技术、 图形图像技术、 多媒体、软件工程、 信息处理、 自动控制等多个高新技术领域的知识。 仿真技术是以相似原理、 信息技术、 系统技术及其应 用领域有关的专业技术为基础， 以计算机和各种物理效应设备为工具， 利用系统模型对实际 的或设想的系统进行试验研究的一门综合性技术。

在机械设计领域， 其设计工程主要可分为①原理方案设计； ②运动学分析； ③静力学或 动力学分析；④方案及系统优化；⑤强度分析计算；⑥结构设计等几个阶段。传统的设计方 法可以通过理论分析计算实现， 但在大多数情况下， 为避免复杂的理论分析计算， 在机械设 计过程中经常采用“经验法” 、“类比法”、“试凑法”等，这样不但延长设计周期和降低工作 效率，且容易导致设计结果不准确，很难得到满意的结果，也缺乏科学的理论依据。

科学技术的飞速发展和学科的相互交叉， 极大地促进了机械设计行业的发展和进步， 设 计的高效化和自动化已经成为今后发展的必然趋势， 随着机械产品性能要求的不断提高和计 算机技术的广泛应用， 作为机械设计强大支撑技术之一的运动仿真技术越来越受到机械设计 者的重视和亲睐。

机械运动仿真技术是一种建立在机械系统运动学、 动力学理论和计算机实用技术基础上 的新技术，涉及建模、运动控制、机构学、运动学和动力学等方面的内容，主要是利用计算

机来模拟机械系统在真实环境下的运动和动力特性， 并根据机械设计要求和仿真结果， 修改

设计参数，直至满足机械性能指标要求或对整个机械系统进行优化的过程， 所示：

其一般步骤如图

图1运动仿真一般步骤

通过机械系统的运动仿真，

不但可以对整个机械系统进行运动模拟，

以验证设计方案是

还可及时 缩短机械产

否正确合理，运动和力学性能参数是否满足设计要求， 发现设计中可能存在的问题，

运动机构是否发生干涉等，

通过不断改进和完善， 严格保证设计阶段的质量，

品的研制周期，提高设计成功率，从而不断提高产品在市场中的竞争力。因此，机械运动仿 真当前已经成为机械系统运动学和动力学等方面研究的一种重要手段和方法， 防、航空航天以及教学等领域得到广泛应用。

机械系统的运动仿真可以采用 VB OpenGL 3Dmax VC等语言编程实现， 也可使用具有 运动仿真功能的机械设计软件（如

并在交通、国

ADMAS Pro/E、EUCLID UG Solidworks、SolidEdge

等）实现。随着计算机软件功能的不断强大和完善， 用软件进行运动仿真是一种省时、 省力、 高效的方法，也是运动仿真发展趋势。

运动仿真技术的应用

运动仿真技术的应用辐射各个学科、

各个部门和各个领域，是当前世界的前沿科学之一。

已扩大为产品研制的全过程，包

它的应用不仅限于产品或系统生产集成后的性能测试试验，

括方案论证、设计分析、生产制造、试验维护、训练等各个阶段。仿真技术不仅应用于简单 的单个系统，也应用于多个系统综合构成的复杂系统。

从发展的历程来看， 仿真技术应用的领域从传统的制造领域（生产计划制定、加工、装 配、测试）向产品设计开发和销售领域扩展。

先进制造技术的发展，为计算机仿真的应用提

供了新的舞台，也提出了更高的要求。目前，其应用具有以下特点和趋势：

（1）应用范围进一步扩大

在仿真的对象及目的方面，已由研究制造对象

（产品）的动力学和运动学特性，以及加

工、装配过程，扩大到研究制造系统的设计和运行，并进一步扩大到库存管理、产品开发过 程的组织、产品测试等，涉及到制造企业的各个方面。

( 2)与网络技术相结合 仿真技术的分布性是由制造的分布性决定的， 敏捷制造、 虚拟企业等就是基于网络实现 异地协作。

( 3)与图形和传感技术相结合 由此形成的虚拟制造(

VM:Virtual Manufacturing )、虚拟产品开发( VPD:Virtual

Product Development )、虚拟测试( VT: Virtual Test )等新概念和新技术。

( 4)应用的集成化 综合运用仿真技术，形成可运行的产品开发和制造环境。

运动仿真技术的现状及发展