系统的稳定性和操作性，进行优化设计；在设计验证阶段，利用虚拟样机代替物理样机，通过不同的输入，能够有效地观察系统的一系列运动过程，对暴露出来的问题，查找原因并提出解决方法；在样机试制阶段，可通过虚拟样机技术进行系统试验和性能演示。另外，也可用虚拟样机技术进行系统的故障诊断，进行工作状态再现。构造系统虚拟样机的主要流程如下：
a. Pro-e建立机构简图，进行运动方案设计； b. 用Pro-e建立三维模型，在Pro-e环境中建
c. 用ADAMS／Exchange模块将三维模型转换成ADAMS机构模型（也可用ADAMS内部实体库存建立简单的机构模型）；
d. 在ADAMS／View工作环境中增加运动约束和驱动，并建立需要观察的动力学参数；
e. 利用AD AM S／Solver模块进行动力学分析；
f. 利用ADAMS／lostprocessor模块进行仿真结果的后处理，绘制曲线图；
g. 可以将以前物理样机的测试数据输入ADAM S／Postprocessor进行曲线绘制，并比较虚拟样机的曲线，从而验证所设计的方案；
h. 利用Optimize（优化）功能进行优化设计，满意后输出分析结果。
3.4 多体动力学软件
随着虚拟样机技术（Virtual Prototyping, VP）的发展，美国MDI（Mechanical Dynamics Inc）公司开发的ADAMS（Automatic Dynamic Analysis of Mechanical System）软件是世界上最具权威性的，使用范围最广的虚拟样机仿真软件。传统的机械系统仿真过程如图3.2中的6个步骤，ADAMS将其中的3、4、5、6这四个关键步骤自动化、交互化，把机械系统仿真技术推到一个新的高度，从而达到缩短产品开发周期、降低开发成本、提高产品质量及竞争力的目的。
由于多体系统的复杂性，在建立系统的动力学方程时，采用系统独立的拉格朗日坐标将非常困难，而采用不独立的笛卡尔广义坐标比较方便。ADAMS采用拉格朗日乘子法建立系统的动力学方程。它选取系统内每个刚体质心在惯性参考系中的三个直角坐标和确定刚体方位的三个欧拉角作为笛卡儿广义坐标，用带乘子的拉格朗日方程处理具有多余坐标的完整约束或非完整约束系统，导出以笛卡儿广义坐标为变量的运动学和动力学方程[13]。
d?TT?TT()?()??T???T??Q （3.1） dt?q?q25
完整约束方程：?(q,t)?0
1 识别大位移机械系统 2 简化系统 （零件、约束、3 建立系统的数学模型 4 列出系统运动5 求解系统运动方程 6 后处理 （数据、动画、曲
由ADAMS/Solver自动图3.2机械系统仿真步骤
由ADAMS/View交互非完整约束方程：?(q,q,t)?0
式中，T为系统动能；q为系统广义坐标列阵，Q广义力列阵，?为对应于完整约束的拉氏乘子列阵，?为对于非完整约束的拉氏乘子列阵。对于每个刚体列出6个形如式（3-1）的微分方程和相应的约束方程，并化简为一阶微分方程组的初值问题，
运用修正的Newton-Raphson迭代算法迅速求解。其求解数据流程如图3.3。
ADAMS 微分方程组 转化为代数方程组 1、积分器（GSTIFF&WSTIFF求解代数方程时域解组 输出文件 图3.3 ADAMS求解流程图
代数方程组 转化为线性方程组 3、 高斯消元 求解线性方程组 2、Newton-Raphs ADAMS中的系统以数据库（database）形式存储和管理，一个典型的数据库文件包括
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构件（part）、运动副（constrain）、力（force）、输出（plot）、视图（GUI）等其逻辑结构如图3.4。
数据库 模型 测量 函数组 重力加速度 约束 零件 作用力 测试数据曲线仿真分析图 仿真结果 几何体 标记点 数据分量
图3.4 ADAMS数据管理流程图
ADAMS主要由VIEW、SOLVER、POSTPROCESSOR三部分组成。另外还有若干专业模块：ENGINE、AIRCRAFT、VAIL、CAR、FLEX等。这里主要介绍一下ADAMS/VIEW模块。ADAMS/VIEW是ADAMS系列产品的核心模块。它将简单的图标、菜单、鼠标点取操作与交互式图形建模、仿真计算、动画显示、X-Y曲线处理、结果分析和数据打印等功能完美的结合在一起。其界面如图3.5。
ADAMS/VIEW采用简单的分层方式完成建模工作，提供了丰富的零件几何图形库、约束和力/力矩库，并且支持布尔运算，采用Parasolid作为实体建模的核，支持FORTRAN/77和FORTRAN/90中所有的函数。除此之外，还提供了丰富的位移函数、速度函数、加速度函数、接触函数、样条函数、力/力矩函数、合力/力矩函数、数据元函数、若干用户子程序函数以及常量和变量等。自9.0版后，ADAMS/View采用用户熟悉的Motif界面（UNIX系统）和Windows界面（NT系统），从而大大提高了快速建模能力。在ADAMS/View中，用户利用TABLE EDITOR，可像用EXCEL一样方便地编辑模型数据，同时还提供了PLOT BROWSER和FUNCTION BUILDER工具包。DS（设计研究）、DOE（实验设计）及OPTIMIZE（优化）功能可使用户方便地进行优化工作。ADAMS/View有自己的高级编程语言，支持命令行输λ命令和C++语言，有丰富的宏命令以及快捷方便的图标、菜单和对话框创建和修改工具包，而且具有在线帮助功能。
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图3.5ADAMS/VIEW的界面
3.5 本章小结
本章对计Pro-engineer和ADAMS软件进行了简单的介绍，计算机仿真设计已经成为机械工业行业的主流，计算机仿真可以缩短设计周期，减少设计成本。
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第4章 建模与仿真
4.1 Pro-engineer实体建模
（1）气门
利用proe中的旋转命令，根据气门的尺寸画出气门如图4.1。
图4.1 气门
（2）弹簧座、锁片
利用旋转命令，得到气门锁片、弹簧座，如图4.2。 （3）弹簧
利用旋转扫描命令，获得内外弹簧的三维模型，如图4.3 。 （4）摇臂
利用拉伸命令，在草绘图上绘制出摇臂二维图形，经对称拉伸后获得摇臂的三维模型。如图4.4 。
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