Adams实验优化设计论文

(2010-2011学年第二学期)课程论文题目：实验设计在ADAMS优化问题中的运用课程名称实验设计课程类别□学位课□非学位课任课教师所在学院学科专业姓名学号提交日期2011年6月18日实验设计在ADAMS优化问题中的运用摘要:本文首先介绍了实验设计目前的发展状况和常用的实验设计方法，并对实验设计在虚拟样机研究领域中的发展前景进行展望。

本文通过摩托车平顺性仿真分析的项目结合实验设计方法中的析因实验设计技术对摩托车的悬架进行优化设计。

基于虚拟样机技术,建立摩托车多体动力学模型。

以B级路面谱为振动激励对某款摩托车进行随机振动分析。

综合研究摩托车悬架弹簧刚度和阻尼、后悬架弹簧与摆臂连接位置对舒适性的影响。

基于虚拟样机技术的产品设计,大大提高了产品设计效率,缩短了产品设计周期。

关键词：实验设计；ADAMS；仿真；优化设计前言在三十、四十年代，英、美、苏等国对实验设计法进行了进一步研究，并将其逐步推广到工业生产领域中，在冶金、建筑、纺织、机械、医药等行业都有所应用。

二战期间，英美等国在工业试验中采用实验设计法取得了显著效果，战后，日本将其作为管理技术之一从英美引进，对其的经济复苏起了促进作用。

今天，实验设计已成为日本企业界人士、工程技术人员、研究人员和管理人员必备的一种通用技术。

五十年代，田口玄一博士借鉴实验设计法提出了信噪比实验设计，并逐步发展为以质量损失函数、三次设计为基本思想的田口方法。

八十年代，田口方法进入美国，得到了普遍关注。

如今，实验设计技术的应用领域已经突破了传统的工业过程改进和产品设计范畴，广泛地渗透到商业布局、商品陈列、广告设计及产品包装的应用之中[1]。

1常用的实验设计方法1.1完全随机设计不考虑个体差异的影响，仅涉及一个处理因素，但可以有两个或多个水平，所以亦称单因素实验设计。

该设计常用于将受试对象按随机化原则分配到处理组和对照组中，各组样本例数可以相等，也可以不等，但相等时效率高。

完全随机设计的优点是设计和统计分析方法简单易行；缺点是只分析一个因素，没有考虑个体间的差异，因而要求各观察单位要有较好的同质性，否则，需扩大样本含量。

先将实验对象编号，按预先规定，利用随机排列表或随机数字表产生的随机数字将实验对象随机分配到各组中去（用随机排列表进行分组时，各组例数相等；用随机数字表进行分组时，各组例数常不相等，故常用前者）。

1.2配对设计与配伍组设计先按配比条件将受试对象配成对子或区组，再将各对或各区组中的个体按随机分配的原则给予不同的处理。

该类设计考虑了个体差异的影响，可分析处理因素和个体差异对实验效应的影响，所以又称两因素实验设计，比完全随机设计的检验效率高。

配对设计是将受试对象按配对条件配成对子，每对中的个体接受不同的处理。

配对设计一般以主要的非实验因素作为配比条件，而不以实验因素作为配比条件。

动物实验中，常将同性别、同窝别、体重相近的两个动物配成一对；人群试验中，常将性别和年龄、生活条件、工作条件相同或相近的两个人配成对子，再按随机化原则把每对中的受试对象分别分配到实验组和对照组，或不同处理组。

此外，某些医学实验研究中的自身对照也可看作是配对设计，如某指标治疗前后的比较；同一受试对象不同部位、不同器官的比较；同一标本不同检测方法的比较。

1.3交叉设计它是在自身配对设计基础上发展起来的。

该设计考虑了一个处理因素（A、B两水平），两个与处理因素无交互作用的非处理因素（试验阶段和受试对象）对试验结果的影响。

首先将条件相近的观察对象配对并依次编号（如1.1，1.2；2.1，2.2；3.1，3.2；……或1,2；3,4；5,6；……），再用随机的方法将各对观察对象分配到A、B两组；其中一个观察对象在第Ⅰ阶段接受A处理，第Ⅱ阶段接受B处理；另一个观察对象在第Ⅰ阶段接受B处理，第Ⅱ阶段接受A处理。

因而要求观察对象的例数为偶数。

由于A、B两种处理在全部试验过程中“交叉”进行，故称为交叉试验设计。

该设计中A、B处理方式处于先后两个试验阶段的机会是均等的，因而平衡了试验顺序的影响；能把处理方法之间的差别与时间先后之间的差别分开来分析。

1.4拉丁方设计它是按拉丁方阵的字母、行和列安排实验（或试验）的三因素等水平的设计。

该设计同时考虑三个因素对试验结果的影响。

利用拉丁方阵安排实验（或试验）。

拉丁方阵亦称γ阶拉丁方或γ×γ拉丁方，是用γ个拉丁字母排成γ行γ列的方阵，每个字母在每行每列中只出现一次。

设计的基本要求：①必须是三个因素的实验，且三个因素的水平数相等（若三因素的水平数略有不同，应以主要处理因素的水平数为主，其它两因素的水平数可进行适当调整）；②三因素间是相互独立的，均无交互作用；③各行、列、字母所得实验数据的方差齐。

设计步骤：①根据主要处理因素的水平数，确定基本型拉丁方，并从专业角度使另两个次要因素的水平数与之相同；②先将基本型拉丁方随机化，然后按随机化后的拉丁方阵安排实验。

可通过对拉丁方的任两列交换位置，及任两行交换位置实现随机化；③规定行、列、字母所代表的因素与水平，通常用字母表示主要处理因素。

1.5析因实验设计它是一种将两个或多个因素的各水平交叉分组，进行实验（或试验）的设计。

它不仅可以检验各因素内部不同水平间有无差异，还可检验两个或多个因素间是否存在交互作用。

若因素间存在交互作用，表示各因素不是独立的，一个因素的水平发生变化，会影响其它因素的实验效应；反之，若因素间不存在交互作用，表示各因素是独立的，任一因素的水平发生变化，不会影响其它因素的实验效应。

该设计是通过各因素不同水平间的交叉分组进行组合的。

因此，总的实验组数等于各因素水平数的乘积。

例如，两个因素各有3个水平时，实验组数为3×3=9；四个因素各有2个水平时，实验组数为24=16。

所以，应用析因实验设计时，分析的因素数和各因素的水平数不宜过多。

一般因素数不超过4，水平数不超过3。

2虚拟样机技术的发展前景虚拟样机技术以机械系统运动学、动力学和控制理论为核心,借助成熟的三维计算机图形技术、基于图形的用户界面技术、信息技术和集成技术等,将分散的产品设计开发和分析过程集成在一起,使产品的设计者、使用者和制造者在产品研制的早期,在虚拟环境中直观形象地对虚拟的产品原型进行设计优化、性能测试、制造仿真和使用仿真,为产品的研发提供全新的数字化设计方法。

机械系统运动学多刚体系统动力学的研究方法有:Newton—Euler方程法、Langrage方程法、图论(Roberson-Wittenburg)方法、KaneHouston方法和变分方法。

机械系统动力学仿真分析软件ADAMS在虚拟样机技术中应用比较广泛,其建模的精度和可靠性在各动力学分析软件中也名列前茅。

应用它可以方便地建立参数化的实体模型,并采用多刚体系统动力学原理进行仿真计算[2]。

摩托车是比较复杂的空间机构，以往传统的设计计算方法在进行系统的运动学和动力学分析时有很大困难，过去多采用简化条件下的图解法和分析计算法对摩托车的运动学和动力学进行分析，用多自由度的质量—阻尼刚体数学模型对摩托车的性能进行仿真，所得的结果误差较大。

随着计算机技术的进步，特别是20世纪80年代以来，这种情况得到了改变，而多体系统动力学的成熟，使摩托车的建模与仿真产生了巨大的飞跃，特别是ADAMS 软件的成功应用使得虚拟样机技术脱颖而出。

基于ADAMS 的虚拟试验技术，可以把摩托车视为多个相互连接，彼此能够相互运动的多体系统，其运动学和动力学仿真比以往通过几个自由度的质量刚体数学模型描述更加真实反映摩托车的综合性能，也比图解法更加直接、方便。

摩托车虚拟试验技术是解决摩托车复杂工作过程仿真和分析的主要手段，是最有效的现代设计技术。

所谓摩托车试验技术采用的虚拟样机实际上是一种能描述摩托车产品各项性能的计算机数值模型，可仿真特定摩托车在真实工作条件下的动态行为，并以三维动画方式供人观察和测量。

利用摩托车虚拟样机可以实现摩托车整车及其主要零部件的各项技术性能及疲劳寿命等的分析和预测，并容易进行这些性能的影响因素定量分析，从而可以实现摩托车性能的优化设计。

3 基于ADAMS 的摩托车平顺性仿真与优化3.1多体系统动力学方程摩托车平顺性仿真试验中的虚拟样机技术以多体动力学为理论基础，采用机械系统仿真软件ADAMS 进行悬架运动学分析，应用拉格朗日乘子法建立系统运动方程[3]。

在ADAMS软件中，选择适当的广义坐标对物体进行描述，对刚体i ，采用质心在惯性参考系中的笛卡尔坐标和反映刚体方位的欧拉角作为广义坐标，即：⎪⎩⎪⎨⎧==],...,,[],,,,[21T n T T T i q q q q z y x q ϕφ （1）每个刚体用6个广义坐标描述，根据拉格朗日乘子法，建立多刚体系统动力学方程为：⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧===++∂∂-∂∂0),,(0),()()(t q q t q Q p q q dt d q q θφμθφ （2）式中：0),(=t q φ——完整约束方程；0),,(=t q q θ——非完整约束方程；T ——系统动能； q ——系统广义坐标列阵；Q ——广义力列阵； P ——对应于完整约束的拉氏乘子列阵；μ——对应于非完整约束的拉氏乘子列阵。

式（2）包括了机构连接所要求的运动学约束，对式（2）数值积分，并且每步校核是否满足约束就是解决机构动力学数值仿真问题。

3.2 摩托车虚拟样机模型的建立由于发动机的外形、结构太过复杂,在建模中没有考虑实体发动机的建模,而是对发动机的外形进行了简化,但其质量和转动惯量等力学参数保持与实际发动机一致,以保证动力学分析的结果[4]。

摩托车整体性能受摩托车乘员的质量及油箱的质量影响很大,在摩托车模型中也考虑了这些因素的影响,在实际的建模过程中,乘员和油箱的质量是用两个点质量代替,点质量的具体位置分别位于真实的乘员和油箱的质心位置。

在建立模型时,考虑到摩托车是一个包含惯性、弹性、阻尼等动力学特征的复杂系统,其特点是运动构件多、受力复杂,由于组成摩托车各机械系统之间的相互耦合作用,使摩托车的动态特征非常复杂要建立摩托车动力学仿真模型,需将复杂的摩托车振动系统作简化处理,去掉与研究内容没有太多联系的部件,在不影响仿真结果的前提下,对模型作适当的简化,有利于提高计算速度,减少不相关因素的影响,故做以下假设:1)将车架看作刚体,悬架零/部件中,除弹性零/部件外,其余零件全部看作刚体。

2)对于摩托车虚拟样机模型中的铰链,都没有考虑其内摩擦。

3)假设摩托车无侧向振动。

4)由于要对前/后悬架做参数化分析,因此对前/后悬架做简化处理。

由此建立摩托车虚拟样机模型如图1所示。

图1 摩托车虚拟样机模型3.3 摩托车平顺性仿真分析本文以60km /h的车速进行虚拟机构仿真,在人图2摩托车动力学模型体质心处放置垂向加速度测试点,得到人体质心加速度曲线和功率谱密度曲线,如图2所示。