在虚拟样机的基础上,人们又提出了数字化功能样机(Functional Digital Prototyping)的概念,这是在CAD/CAM/CAE技术和一般虚拟样机技术的基础之上发展起来的。其理论基础为计算多体系动力学、结构有限元理论、其他物理系统的建模与仿真理论,以及多领域物理系统的混合建模与仿真理论。该技术侧重于在系统层次上的性能分析与优化设计,并通过虚拟试验技术,预测产品性能。基于多体系统动力学和有限元理论,解决产品的运动学、动力学、变形、结构、强度和寿命等问题。而基于多领域的物理系统理论,解决较复杂产品的机-电-液-控等系统的能量流和信息流的耦合问题。
数字化功能样机的内容如图所示,它包括计算多体系统动力学的运动/动力特性分析,有限元疲劳理论的应力疲劳分析,有限元非线性理论的非线性变形分析,有限元模态理论的振动和噪声分析,有限元热传导理论的热传导分析,基于有限元大变形理论的碰撞和冲击的仿真,计算流体动力学分析,液压/气动的控制仿真,以及多领域混合模型系统的仿真等。
多个物体通过运动副的连接便组成了机械系统,系统内部有弹簧、阻尼器、制动器等力学元件的作用,系统外部受到外力和外力矩的作用,以及驱动和约束。物体分柔性和刚性之分,而实际上的工程研究对象多为混合系统。机械系统动力学分析和仿真主要是为了解决系统的运动学、动力学和静力学问题。其过程主要包括:
■物理建模:用标准运动副、驱动/约束、力元和外力等要素抽象出同实际机械系统具有一致性的物理模型;
■数学建模:通过调用专用的求解器生成数学模型;
■问题求解:迭代求出计算解。
实际上,在软件操作过程中数学建模和问题求解过程都是软件自动完成的,内部过程并不可见,最后系统会给出曲线显示、曲线运算和动画显示过程。
美国 MDI(Mechanical Dynamics Inc.)最早开发了ADAMS(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical System)软件,应用于虚拟仿真领域,后被美国的MSC公司收购为MSC.ADAMS。SOLIDWORKS Motion正是基于ADAMS解决方案引擎创建的。通过SOLIDWORKS Motion可以在CAD系统构建的原型机上查看其工作情况,从而检测设计的结果,例如电动机尺寸、连接方式、压力过载、凸轮轮廓、齿轮传动率、运动零件干涉等设计中可能出现的问题。进 而修改设计,得到了进一步优化了的结果。同时,SOLIDWORKS Motion用户界面是SOLIDWORKS界面的无缝扩展,它使用SOLIDWORKS数据存储库,不需要SOLIDWORKS数据的复制/导出,给用户带来了方便性和安全性。
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