浅谈CAE技术在机械设计教学中的应用

摘 要：现代机械设计包含机构设计、结构设计和控制系统设计。在传统的机械设计中，上述三种设计独立进行，然而机械系统的设计需要综合设计才能达到整体性能的最优化。CAE技术的发展给这些设计环节带来了一种有力的辅助工具，学生掌握之后将会极大提升机械设计水平。文章先介绍几种典型的辅助设计软件，并探讨了各软件协同优化的实现方法，为学生掌握现代机械系统分析与优化设计软件提供一定的参考。

关键词：CAE；机械教学；优化设计；凸轮机构

中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2016）16-0141-02

Abstract： the modern mechanical design includes mechanism design， structure design and control system design. In the traditional mechanical design， these three designs are carried out independently， however， the design of the mechanical system needs to be integrated to achieve the optimization of the overall performance. The development of CAE technology has brought a powerful tool for the design of these links， students will greatly enhance the level of mechanical design. This paper introduces several typical auxiliary design software， and discusses the implementation methods of the software collaborative optimization， and provides some reference for the students to master the modern mechanical system analysis and optimization design software.

Keywords： CAE； mechanical teaching； optimization design； cam mechanism

一、概述

《机械设计》是机械工程专业学生的一门必修课。主要包括机构设计、结构设计和控制系统设计。其中，机构设计主要是理论力学和机械原理，内容是根据某种功能进行机构选型、受力和传动效率分析。结构设计主要知识是材料力学，主要是对杆系和轴类零件进行受力分析。而控制系统设计主要是控制工程，通过零极点配置等方法，实现快速、稳定、准确的控制系统。

机械产品的设计是机构选型、结构设计和控制系统设计的综合。由于现代机械装备结构趋于复杂，运行速度快，对精度和可靠性的要求也越来越高。理论力学、机械原理、材料力学已经不能满足现代设计的需求。幸运的是，人们开发了各种CAE软件[1]，如机构动力学分析软件ADAMS、Recudyn；结构有限元分析软件Nastran、Ansys、Marc、Abaqus、Dyna；控制系统仿真软件Matlab、Simulink、MSC/Easy5。各个软件的引入和联合使用，使得人们可以方便获得各个学科的优化设计，将机械产品的性能最优化，以满足更高的系统要求。俗话说，工欲善其事，必先利其器。为了满足现代机械设计要求，扩展机械工程类本科生的知识面，提高其机械系统综合设计能力，文章首先介绍CAE技术的发展，重点介绍机构动力学仿真软件ADAMS、Recudyn，结构动力学软件ANSYS、Nastran和ABAQUS，控制系统仿真软件Matlab、Simulink，同时介绍了联合仿真的实现。最后给出一个高速凸轮轮廓线设计的案例，说明CAE技术在机械设计中的重要作用。

二、仿真软件的介绍

（一）機构设计软件

ADAMS：即机械系统动力学分析（Automatic Dynamic An

alysis of Mechanical Systems）， ADAMS软件是美国机械动力公司（Mechanical Dynamics Inc.）开发的虚拟样机分析软件[2]。该软件使用的是交互式图形环境，集合了众多的软件模块，包括基本界面、求解、控制、后处理等模块。利用零件库和约束库，用户可以建立参数化几何模型，并创建系统动力学方程，进行静力学、运动学和动力学等响应分析，输出各种曲线，从而实现对机械系统的运动范围、碰撞检测、峰值载荷、输入载荷等性能的预测。

RecurDyn：由于传统的动力学分析软件存在诸多问题，如模型过于简化、求解效率低、稳定性差等等，特别是对于机构中普遍存在的接触碰撞问题解决不够完善，难以满足现代工程应用的需要。因此，韩国Function Bay公司充分利用最新的多体动力学理论，基于相对坐标系建模和递归求解，开发出了RecurDyn软件[3]。该软件求解速度快、稳定性好，很好地解决了机构接触碰撞问题，拓展了多体动力学软件的应用范围。

（二）结构设计软件

ANSYS软件：ANSYS是美国ANSYS公司研制的大型通用有限元分析（FEA）软件[4]，其利用数学近似方法对模拟真实物理系统，将无限未知量的真实系统简化为有限数量的未知量的模型，实现对机械系统的结构、强度、模态、接触响应、疲劳等性能的分析，是目前增长最快的CAE软件，能与多数其他计算机辅助设计软件接口，实现数据的共享和交换，在各个领域有着广泛的应用。该软件功能强大、操作简单，而且能适应各种复杂形状，成为工程分析中行之有效的手段。

（三）控制系统软件

Simulink：是MATLAB数学工具包中最重要的组件之一。它提供一个面向动态系统建模、仿真和综合分析的集成化开发环境。只需要通过简单直观的图形操作，就可以构造出复杂的控制系统。该软件结构清晰、高效灵活等优点，在控制理论和数字信号处理等复杂系统的设计和仿真中得到广泛应用。

MSC/Easy5：提供圖形化建模环境、强大的仿真析能力和开放性的软硬件结构，方便与其他软件进行协同仿真。主要通过微分、差分和代数方程来描述动态系统并进行仿真。MSC Easy5的特点在于对控制系统的仿真分析能力强大，可以，可以使用内建专业应用库中预定义的元件模型，以便快速建立各种复杂系统的模型；其次，该软件开放性好，内嵌代码生成和求解器，可自动生成相应的C或FORTRAN源代码，方便用户进行二次开发。最后，MSC Easy5可与其它CAE软件无缝集成，真正实现协同仿真。

三、联合仿真优化设计

由于机械系统涉及理论力学、结构力学、控制系统等多学科系统，单学科的仿真优化不能满足系统的要求。为此诞生了交差学科。例如，将机构与结构动力学融合，产生了柔性多体动力学系统。机构与控制系统融合，便成了机构动力学控制系统。三者融合后变成了柔性多体动力学控制系统，对其仿真和优化可以更加全面了解机械产品的整体性能。

（一）机构+结构=柔性多体动力学

当机构进入“高速”时，需要考虑构件的弹性变形，形成柔性多体动力学。其求解方法有两种：（1）采用C-B缩减方法，建立各构件动态子结构模型，生成模态中性文件，导入ADAMS软件中，替代刚体模型，生成多柔体动力学仿真模型。（2）用非线性有限元软件Marc、Abaqus建立含有运动学自由度的几何非线性有限元模型，定义原动件的运动函数，进行显示或隐式动力学求解，获得柔性体的动态位移。第1种方法求解规模小，但是要丢失高阶模态，适合于中低速机构。第2种方法求解规模大，采用直接积分方法时，可以获得高阶模态，适合于中高速机构。

（二）机构+控制系统=多刚体动力学控制

当机构的运动目标确定时，常常需要通过多刚体动力学控制系统仿真优化实现控制系统参数或运动规划曲线的设计。由于涉及到多刚体动力学仿真和控制系统两个软件，宿主软件可以选择控制系统仿真软件（如Simulink），也可以选择多体动力学仿真软件（如Adams）。当Simulink为宿主软件时，可以应用该软件强大的控制系统分析和设计功能，机构动力学仿真作为一个子系统被调用。若选用ADAMS软件，其自身含有控制工具箱，可以对所用控制环节进行参数化，并进行优化设计，实现控制系统与机构的同时优化设计。

（三）机构+结构+控制系统=柔性多体动力学控制仿真

多柔性动力学系统控制属于变边界条件几何非线性有限元分析。实现方法同样有两种。一是动态子结构法，可以在ADAMS中将多刚体控制系统仿真模型，通过上文中提及的方法替换成柔性体子结构，从而形成多柔性控制系统仿真模型。由于柔性动态子结构在ADAMS中不能被参数化，因此只能实现控制系统的优化。二是变边界条件几何非线性有限元法。采用Abaqus软件，按上文中提及方法建立含运动学自由度的几何非线性有限元模型，并对原动件边界条件进行参数化。若需要优化，则可以与Isight或Tosca模块联合，进行参数或拓扑优化设计。通过机构、结构和控制多学科仿真与优化，大大提升了机电系统的设计水平。

四、案例分析

传统的凸轮机构设计是几何曲线设计，主要任务是采用用光滑曲线连接近休止和远休止行程。然而，在很多场合，凸轮轮廓线的设计要考虑到凸轮机构的动力学行为。例如，在吹瓶机开合模机构开发中，凸轮廓线设计要保证凸轮在高速运转过程中，模具不能发生激烈的碰撞。用传统的设计方法无论采用什么光滑曲线，都难于保证动力学要求。有了机构与控制系统联合仿真优化，凸轮廓线的动力学设计可以轻松做到。具体做法是先建立起模具开合过程中的控制系统动力学模型，通过无超调的最短运动时间优化，获得最优运动曲线，再转化为凸轮廓线[5]。

五、结束语

CAE技术的引入，对机构、结构和控制系统的设计提供了极大的便利。设计者从简单理论分析计算，转移到建模设计本身。通过CAE软件的精细分析与协同仿真优化，为机构与结构、机构与控制、结构与控制以及三者的综合设计提供了一种有效的辅助分析工具，改变了传统设计方式，可极大提升机械专业学生的设计水平。

参考文献

[1]杜平安，范树迁，葛森.CAD/CAE/CAM方法与技术[J].2010.

[2]建荣.ADAMS-虚拟样机技术入门与提高[M].机械工业出版社，2002.

[3]刘义.RecurDyn多体动力学仿真基础应用与提高[J].2013.

[4]李黎明.ANSYS有限元分析实用教程[M].清华大学出版社，2005.

[5]杨志军，罗伯特，凯利，等.基于机构动力学——控制系统协同仿真与优化的凸轮廓线优化设计[J].吉林大学学报：工学版，2011，41（1）：149-154.