【Adams案例】参数化与优化经典案例

    在机械产品设计进程中，有各种各样的性能指标，甚至有些指标是相互制约的，因此很难通过一次设计就得到满意的结果。以往采用的手动修改方法费时费力，浪费资源。使用Adams软件，用户可以通过参数化及优化功能自动完成机械系统的设计，得出最优化的方案，大大提高设计效率。

    参数化和优化是用户关注度最高的功能之一，但在Adams基本包的官方培训教程中没作重点介绍。本期向大家分享一个参数化与优化方面的经典案例，帮助大家尽快熟悉这一功能。案例摘自陈志伟编著的《MSC Adams多体动力学仿真基础与实例解析》一书中的第七章。

问题描述：

    小球在一定倾角的斜板上在重力作用下滑落，研究该倾角为多少时可以顺利通过预先设置的圆环中心。

1）创建部件并定义连接关系

    首先创建如图1所示的分析模型。从图中可以看到各部件的尺寸，其中小球的直径为50mm，圆环的孔径为56mm（2*（40-12）mm）。圆环与大地固连，斜板与大地固连，小球与斜板之间定义接触（不考虑摩擦）。

图1 分析模型

2）参数化模型

     模型参数化分为两步，第一步定义设计变量，第二步将现有模型数据用设计变量替换，实现模型参数化。本例需要定义一个独立变量（斜板角度）和两个非独立变量（小球X坐标和Y坐标）。斜板角度参数化如图2所示，小球坐标参数化如图3所示。

图2   斜板角度参数化

图3   小球坐标参数化

    参数化后将斜板角度初始值改为-10，检查修改后的模型显示是否正确。如果所有的参数定义都正确的话，修改后的模型显示效果会如图4所示。

图4   修改斜板初始角度

3）定义优化目标

    我们的设计目标是让小球穿过圆环，但这不是软件能读懂的机器语言。这里我们可以建立一个小球中心Marker点和圆环中心Marker的“点的点对点测量”，以测量结果的最小值作为优化目标，当测量结果的最小值小于3mm（圆环孔半径与小球半径之差）即代表小球穿过圆环。建立好测量后运行一次2秒200步的仿真，并查看测量结果。建立点对点测量界面和分析结果如图5所示。

图5   定义点对点测量准备作为优化目标

4）优化分析

    单击选项卡Design Exploration中的Design Evaluation Tools按钮，并按图6所示进行设置，然后点击Start按钮启动优化分析。从图6中可以看出经过一次优化后的优化目标最小值由原来的102.90mm变为现在的3.36mm，但还没有完全达到优化目标（≦3mm），需要进一步优化。进一步优化后的结果如图7所示。

图6   第一次优化后的结果

图7   进一步的优化结果

     从进一步的优化结果可以看出，第三个迭代步斜板倾斜角度为-5.989°时，球心与圆环中心的最小距离为0.995mm，达到设计要求。

总结：

    通过这一案例足以证明自动优化设计方法的优势。熟练掌握参数化和优化功能，可以大幅度地减少工程师的工作量，同时缩短设计时间，使设计效率达到最大化。

     Adams/View在设计评估工具中还具有“Design Study”和“Design of Experiments”两种工具。这两种工具的设置界面与优化分析基本相同，在这里不再介绍。通过学习和使用这几种设计评估工具对深入认识所设计产品的特点、影响产品性能的相关参数及影响机制等方面都将有很大的帮助作用。不要因为教程中没有介绍而忽略这部分功能的学习和使用。

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