第10章 ADAMS参数化建模及优化设计
本章将通过一个具体的工程实例，介绍ADAMS/View的参数化建模以及ADAMS/View提供的3种类型的参数化分析方法：设计研究(Design study)、试验设计 ((Design of Experiments, DOE)和优化分析(Optimization)。其中DOE是通过ADAMS/Insight来完成，设计研究和优化分析在ADAMS/View中完成。通过本章学习，可以初步了解ADAMS参数化建模和优化的功能。
10.1 ADAMS参数化建模简介
ADAMS提供了强大的参数化建模功能。在建立模型时，根据分析需要，确定相关的关键变量，并将这些关键变量设置为可以改变的设计变量。在分析时，只需要改变这些设计变量值的大小，虚拟样机模型自动得到更新。如果，需要仿真根据事先确定好的参数进行，可以由程序预先设置好一系列可变的参数，ADAMS自动进行系列仿真，以便于观察不同参数值下样机性能的变化。
进行差数参数化建模时，在确定好影响样机性能的关键输入值后，ADAMS/View提供了4种参数化的方法：
（1）参数化点坐标 在建模过程中，点坐标用于几何形体、约束点位置和驱动的位置。点坐标参数化时，修改点坐标值时，与参数化点相关联的对象都得以自动修改。 （2）使用设计变量 通过使用设计变量，可以方便的修改模型中的以已被设置为设计变量的对象。例如，我们可以将连杆的长度或弹簧的刚度设置为设计变量。当设计变量的参数值发生改变时，与设计变量相关联的对象的属性也得到更新。
（3）参数化运动方式 通过参数化运动方式，可以方便的指定模型的运动方式和轨迹。 （4）使用参数表达式 使用参数表达式是模型参数化的最基本的一种参数化途径。当以上三种方法不能表达对象间的复杂关系时，可以通过参数表达式来进行参数化。
参数化的模型可以使用户方便的修改模型而不用考虑模型内部之间的关联变动，而且可以达到对模型优化的目的。参数化机制是ADAMS中重要的机制。
10.2 ADAMS参数化分析简介
参数化分析有利于了解各设计变量对样机性能的影响。在参数化分析过程中，根据参数化建模时建立的设计变量，采用不同的参数值，进行一系列的仿真。然后根据返回的分析结果进行参数化分析，得出一个或多个参数变化对样机性能的影响。然后再进一步对各种参数进行优化分析，得出最优化的样机。ADAMS/View提供的3种类型的参数化分析方法包括：设计研究(Design study)、试验设计(Design of Experiments, DOE)和优化分析(Optimization)。
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10.2.1 设计研究(Design study)
在建立好参数化模型后，当取不同的设计变量，或者当设计变量值的大小发生改变时，仿真时过程中，样机的性能将会发生变化。而样机的性能怎样变化，这是设计研究主要考虑的内容。在设计研究过程中，设计变量按照一定的规则在一定的范围内进行取值。根据设计变量值的不同，进行一系列仿真分析。在完成设计分析设计研究后，输出各次仿真分析的结果。通过各次分析结果的研究，用户可以得到以下内容： （1）设计变量的变化对样机性能的影响。 （2）设计变量的最佳取值。
（3）设计变量的灵敏度，即样机有关性能对设计变量值的变化的敏感程度。
10.2.2 试验设计(Design of Experiments)
试验设计(Design of Experiments, DOE)考虑在多个设计变量同时发生变化时，各设计变量对样机性能的影响。试验设计包括设计矩阵的建立和试验结果的统计分析等。最初，所设计的试验设计（DOE）用在物理实验上面，但,对于虚拟试验的效果也很好。但传统上的DOE是费时费力的。使用ADAMS的DOE可以增加获得结果的可信度,并且在得到结果的速度上比试错法试验或者一次测试一个因子的试验更快，,而且同时更能有助于用户更好地理解和优化机械系统地性能。
对于简单的设计问题,可以将经验知识,试错法或者施加强力的方法混合使用来探究和优化机械系统的性能。但当设计方案增加时,这些方法也就不能得出快速地、系统化公式化的答案。一次改变一个因素（也称设计参数，Factors）不能给出因素之间相互影响的信息,而进行多次仿真同时测试多个不同的因素会得到大量的输出数据让用户评估。为了减少耗时的工作，,ADAMS/Insight提供给你一个定制计划和分析工具来进行一系列的试验，。并且ADAMS/Insight帮助帮你确定相关的数据进行分析,并自动完成整个试验设计过程。
总的说来，ADAMS中的DOE是安排试验和分析试验结果的一整套步骤和统计工具，试验的目的就是测量出物理模型虚拟样机模型的性能,制造过程的产量,或者成品的质量。
DOE一般有以下五个基本步骤：
（1）确定试验目的。例如,想确定那个变量对系统影响最大。
（2）为系统选择你想考察的因素集,并设计某种方法来测量系统的响应。 （3）确定每个因素的值,在试验中将因素改变来考察对试验的影响。 （4）进行试验,并将每次运行的系统性能记录下来。
（5）分析在运行总的性能的改变时,，确定哪些因素对系统的影响最大。 对设计试验的过程的设置称为建立矩阵试验（设计矩阵）。设计矩阵的列表示因素，行表示每次运行，矩阵中每个元素表示对应因素的水平级（即可能取值因子，Levels），是离散的值。设计矩阵给每个因素指定在每次运行时的水平级数，,只有根据水平级才能确定因素在运算时的具体值。
创建设计矩阵通常有五种方法，这五种的目的和特点各有所区别： ?? Perimeter Study：测试分析模型的健壮性；。
?? DOE Screening (2-level)：确定影响系统行为的某因素和某些因素的组合;确定每
个因素对输出会产生多大的影响。
?? DOE Response Surface(RSM)：对试验结果进行多项式拟合。
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?? Sweep Study：在一定范围内改变各自的输入。
?? Monte Carlo：确定实际的变化对设计功能上的影响。
创建好设计矩阵后，用户需要确定试验设计的类型。在ADAMS/Insight中有六种内置设计类型来创建设计矩阵,也可以导入自己创建的设计矩阵。可以自由选择设计矩阵，为系统创建最有效率的试验。
当使用内置的设计类型时,ADAMS/Insight根据选择的设计类型的说明生成相应的设计矩阵。这六种设计类型是Full Factorial、Plackett-Burman、Fractional Factorial、Box-Behnken Central、 Composite Faced(CCF)、D-Optimal。
（1）Full Factorial是所有设计类型中综合程度最高的,使用到了因素水平的所有可能的组合。
（2）Plackett-Burman设计类型适用于在大量的因素中筛选最有影响的因素。该设计所需要的传统设计类型运行的次数最少,但不允许用户估计这些因素之间的相互的影响。
（3）Fractional Fractorial和Plakett-Burman使用的是Full Factorial专门的子集,因而也被看作减化的Factorial。它普遍用于筛选重要变量并主要用于两水平的因素,能够估计其对系统的影响。
（4）Box-Behnken设计类型使用设计空间中平面上的点。这样该设计就适用于模型类型为二次的RSM试验。Box-Behnken对每个因素需要三个水平。
（5）CCF（Center Composite Faced）设计类型使用的是每个数据轴上的点(开始点),以及设计空间的角点(顶点),和一个以上的中心点。CCF比Box-Behnken相比较运行的次数更多。CCF适用于二次RSM试验的模型类型。
（6）D-Optimal设计类型产生的是将系数不确定性降到最低的模型。这种设计类型由根据最小化规则从大量候选因素中随机抽取的行所组成。D-Optimal指明了在试验中运行的总次数,将以前试验中已存在的行提供给新的试验,并对每个因素指定不同的水平。这些特性使得D-Optimal在很多情况，特别是在试验费用惊人的情况下，下成为最佳选择,特别是在试验费用惊人的情况下。
10.2.3 优化分析(Optimization)
优化是指在系统变量满足约束条件下使目标函数取最大值或者最小值。目标函数是用数学方程来表示模型的质量、效率、成本、稳定性等。使用精确数学模型的时候，最优的函数值对应着最佳的设计。目标函数中的设计变量对需要解决的问题来说应该是未知量，并且设计变量的改变将会引起目标函数的变化。在优化分析过程中，可以设定设计变量的变化范围，施加一定的限制以保证最优化设计处于合理的取值范围。
另外对于优化来说，还有一个重要的概念是约束。有了约束才使目标函数的解为有限个，有了约束才能排除不满足条件的设计方案。
通常，优化分析问题可以归结为：在满足各种设计条件和在指定的变量变化范围内，通过自动地选择设计变量，由分析程序求取目标函数的最大值或最小值。
虽然Insight也有优化的功能，但两者还是有区别，并且互相补充。试验设计主要研究哪些因素的影响比较大，并且还调查这些因素之间的关系；而优化分析着重于获得最佳目标值。试验设计可以对多个因素进行试验分析，确定哪个因素或者哪些因素的影响较大，然后，可以利用优化分析的功能对这些影响较大的因素进行优化，这样可以达到有效提供优化分析算法的运算速度和可靠性。
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10.3参数化建模应用实例
由于多体动力学仿真系统是复杂的系统，仿真模型中各个部件之间存在着复杂的关系，因此在仿真建模的时候需要提供一个良好的创建模型、修改模型机制，在对某个模型数据进行改变时，与之相关联的数据也随之改动，并最终达到优化模型的目的。ADAMS为多体动力学仿真建模提供了这样一个机制――参数化建模机制，它为用户设计、优化模型提供极大的方便。
在10.1节中，对参数化建模做了简要的介绍，本节将主要以双摆臂独立前悬架运动学模型为例，着重介绍参数化点坐标的方式的参数化建模。
10.3.1 双摆臂独立前悬架拓扑结构
双摆臂独立前悬架系统主要部件有上摆臂（UCA，Upper Control Arm）、下摆臂（LCA，Lower Control Arm）、转向节（Knuckle）、横向拉杆（Tie Rod）、测试台（Test Plane）、地面（Ground，由于车身固定在地面上，因此车身和地面为一体），它们之间由铰链联接，并提供给其一个位移驱动，使其能绕轴上下转动。其联接关系图如下:
图 10.3-1-1 模型拓扑结构
10.3.2 系统环境设置
（1）设置工作平面。这里设置XOZ为工作平面。设置方式如下，进入菜单settings、working grid…、…，见图10.3-2。在弹出对话框中选择Gloab XZ（图10.3-3）在主工具箱，点击视图设置（图10.3-4）。
图10.3-2 图10.3-3
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图10.3-4 图10.3-5 （2）单位设置。点击菜单命令Settings－>Units…，选择MMKS。
（3）消息窗口设置。点击菜单命令View－>Message Window，在弹出对话框中点击左下角按钮Setting，弹出图10.3-5所示对话框，选择Error。
10.3.3 双摆臂独立前悬架参数化建模
采用参数化点的方式来建模时，参数化点主要提供多体系统模型中各个对象（部件、约束、标架、力、力元等）的位置坐标，修改对象通过修改这些参数化点来完成。因此在参数化点方式参数化建模时，参数化点是最基本的要素。参数化点方式建模的步骤大致为：确立参数化点->创建参数化点->创建模型部件->创建联接关系->创建驱动、力或者力元。
（1）确定参数化点
对于本节双摆臂独立前悬架系统，参数化点的确立主要考虑两个方面： 1、1．能为模型对象位置和方向定位； 2、2．根据点能创建模型可视化几何实体。
根据以上两原则，由模型的拓扑结构可得到下参数化表：
表10-1 模型的参数化表
序号 名称 1 lca_r_center 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
lca_f_center lca_knuckle uca_r_center uca_f_center uca_knuckle tierod_middle tierod_knuckle hookref knuckle_center wheel_center wheel_outer wheel_inner test_plane
坐标值（X, Y, Z） 307.0 ,1560.0, 383.0 307.0, 1285.0, 388.0 686.0, 1414.0, 364.0 384.0, 1564.0, 650.0 384.0, 1330.0, 708.0 593.0, 1448.0, 686.0 377.0, 1311.0, 471.0 703.0, 1305.0, 459.0 390.0，1311.0，471.0 686.0, 1442.0, 507.0 743.0, 1442.0, 507.0 813.0, 1442.0, 507.0 673.0, 1442.0, 507.0 743.0, 1442.0, 207.0
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说 明
下摆臂后端与车体铰链联接点 下摆臂前端与车体铰链联接点 转向节与下摆臂铰链联接点 上摆臂后端与车体铰链联接点 上摆臂前端与车体铰链联接点 转向节与上摆臂铰链联接点 左横向拉杆与车体铰链联接点 转向节与横向拉杆铰链联接点 定位万向节（车体上）Z方向点Z方向点
转向节中心点 轮中心点
定义轮几何实体辅助点 定义轮几何实体辅助点
测试台与转向节铰链联接点
（2）创建参数化点
创建参数化点在ADAMS/View中有两种方式，一种是通过主工具箱中快捷图标建，另外一种方式是通过“Tool”菜单中的”Command Navigator…”来创建。见图10.3-6
创
通过快捷图标创建 通过菜单命令创建
图10.3-6 创建参数化点
在本节示例中，我们采用后一种方式创建，即菜单命令。随后出现Command Navigator对话框，找到其中的point,点击前面“+”号展开，在展开后的列表中双击create，见图10.3-7，这时系统弹出创建点对话框（图10.3-8）。
图10.3-7创建点命令 图10.3-8 创建点对话框
图10.3-4-8所示对话框中第一个编辑框为点的名字，在编辑框中输入为.model_1.ground.lca_r_center；Comments表示对这个点的注释；在Location这一栏中根据表中提供的数据输入点的坐标“307.0 ,1560.0, 383.0”；最后一个编辑框是选择参考标架，如果选择有参考标架，则说明该点的坐标是在参考标架里的坐标，如果不填则视为全局标架下的坐标。
点击Ok，并重复上述步骤创建剩下的点，或者点击Apply，直接改动名字，输入坐标。创建完成后，界面上会出现
图标，这表示创建出的点。
注意：
如果看不到图标，可以点击主工具箱中的按钮“Icon”，或者按“Ctrl＋v”。
（3）创建模型部件 1、1．创建空部件
在ADAMS中必须先有部件才能为其创建可视化几何实体。因此我们先创建一个空部件，即没有任何属性的部件。
先创建上摆臂。进入“Command Navigator”对话框，依次展开“part”、“create”和“rigid_body”，双击“name_and_position”，见图10.3-9，弹出创建刚体对话框，将部件名
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字改为.model_1.uca，其余缺省，点击“OK”，图10.3-10。一个名为uca的部件被创建，接下来将创建uca的几何实体。
图10.3-9 创建几何形体 图10.3-10 创建几何形体对话框
2、2．创建几何实体
?? 在“Command Navigator”对话框中展开“geometry”，“create”，“shape”，
双击“cylinder”弹出对话框，在名字框可以改动几何实体的名称，特别注意的是，一定要将几何实体创建到它属于的部件，这里是.model_1.uca。见图10.3-11.。 ?? 将光标移到“Center Marker”编辑框中，右击鼠标选择“Marker” ，在出现的
子菜单中点击“Create”，弹出创建Marker的对话框,使用缺省名字。见图10.3-11。 ?? 将光标移到”Location“编辑框中，右击鼠标，选择“Pick Location”，然后用鼠
标在图形区中选择点“uca_knuckle”，在对话框的下拉菜单中选择“Along Axis orientation”，选择点“uca_f_center”，见图10.3-12。表示创建的Marker“Z”轴方向为点“uca_knuckle”指向点“uca_f_center”方向，这指定了所创建圆柱体的轴线方向。点击“OK”。图10.3-13为选择好参数的对话框。
注意：
Marker是ADAMS中是重要的对象，ADAMS中的几何实体，约束、力、力元都由Marker定义。我们将根据已创建成功的参数化点来创建Marker，这样当我们修改参数化点的时候，与之关联的Marker也随之改动。
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图10.3-11 创建中心标架
图10.3-12 图 10.3-13
?? 回到创建圆柱体的对话框，在长度对话框栏右击鼠标，选择
“Parameterize”->“Expression build”,在弹出对话框中的下拉菜单选择
“Modeling Function”，在下面列表中选择“DM”，用来计算两点之间距离。点击按钮“Assist...”，弹出对话框，在object1编辑框中输入第一个点
“uca_knuckle”，在object2编辑框中输入“uca_f_center”见图10.3-14，10.3-15。
图10.3-14 求两点距离函数 图10.3-15 输入两点
?? 关闭对话框后回到创建几何实体对话框，在“Radius”编辑栏中输入15，点击
“OK”，则几何体创建成功。然后根据点“uca_knuckle”和“uca_f_center”创建uca部件的另外一个几何实体。
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3、3．创建其他部件
通过上述方式分别为余下部件创建几何实体
表2 模型部件列表
部件
LCA tierod test_plane
Knuckle
Center Marker
Location lca_knuckle lca_knuckle tierod_knuckle
test plane knuckle_center
knuckle_center
knuckle_center
knuckle_center
wheel_center wheel_center Location wheel_outer wheel_inner
长度（L）
Cylinder1 Cylinder2 Cylinder1 Cylinder1 Cylinder1 Cylinder2 Cylinder3 Cylinder4
Along Axis… DM(object1, object2) lca_f_center lca_knuckle , lca_f_center lca_r_center lca_knuckle , lca_r_center
半径 15 15 15
tierod_middle tierod_knuckle ,tierod_middle 15 wheel_center uca_knuckle lca_knuckle tierod_knuckle
uca_knuckle
20
knuckle_center, uca_knuckle knuckle_center, lca_knuckle knuckle_center, tierod_knuckle
knuckle_center, uca_knuckle
120 15 15 15 15
Wheel
Cylinder1 Cylinder2
Frustum1 Frustum2
wheel_inner 70 wheel_outer 70 Along Axis… 长度 顶端半径 wheel_center -30 270 wheel_center
-30
270
300 300 底端半径 300 300
注意： 1．、在此模型中，我们规定轮与转向节之间没有转动，两者属于同一部件； 2．、在创建每个几何实体前必须先创建一个空部件。
最终形成图10.3-16所示的仿真模型。
图10.3-16 模型生成图
（4）4）创建约束
1、1．进入“Command Navigator”对话框，展开“constraint”、“joint”，双击“spherical”。
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22．、在弹出对话框的I、J part Name编辑框中分别输入uca和knuckle，在“location”编辑框中选择点uca_knuckle见图10.3-17所示，点击“ok”完成创建。
图10.3-17 创建约束对话框
3．3、在横向拉杆（tierod）和车体（ground）之间由万向节联接，由于创建万向节比其他约束困难，这里将其创建过程描述如下：
?? 进入“Command Navigator”对话框，展开“constraint”、“joint”，双击
“hook”。弹出创建对话框（图10.3-18），在下拉菜单中选择“Position By Using Markers”，通过Marker来为铰定向。
图10.3-18 选择I、J标架
?? I Marker Name编辑框中右击选择“Marker”、“Create”，弹出创建Marker对
话框，这里先创建属于地面的I Marker，它的Z轴为水平方向.将名字改为“model_1.tierod.MARKER41”，在“Location”中选择点tierod_middle，下拉菜单中选择“Along Axis Orientation”，选择点hookref。点击“OK”。见图10.3-19。
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图10.3-19 创建I标架对话框
?? 建横向拉杆上的J Marker，其Z轴为横向拉杆的轴线方向。在创建Marker对话
框中改名字为“.model_1.tierod.MARKER_42”，在Location编辑框中选择点tierod_middle，在下拉菜单中选择“Along Axis Orientation”，选择点tierod_middle，点击“OK”。见图10.3-20
图10.3-20 创建J标架对话框
?? 铰创建对话框，点击“OK”，则完成创建万向节。 4．、按照上述方法，创建下表中的约束。
表10-3 约束列表
铰类型 球铰 球铰 旋转铰 旋转铰 平移副 inplane
（5）创建驱动 1．、 进入“Command Navigator”对话框，依次展开“constraint”、“create”、“joint”，双击“motion_generator”，弹出图10.3-21对话框。
2．、可以在“Motion name”改变motion的名字。在函数类型下拉菜单中选择“Function”，在编辑框中输入“-100*time+100”。在接下来的两个下拉菜单中分别选择“displacement”和“Motion On Joint”。
3．、在Joint Name中选择测试台上的平移铰，在自由度类型下拉菜单中选择“translational”。
4．、点击“OK”。
注意：
驱动有平移和旋转两种，有点驱动（加在Marker上）和铰驱动（加在铰上），通过在此加一个平移类型的铰驱动，相当于给测试平台加上一个上下移动的激励。
I Part lca tierod lca uca
test_plane test_plane
J Part knuckle knuckle ground ground ground knuckle
Location
lca_f_center uca_f_center test_plane test_plane
Along Axis Orientation
lca_r_center uca_r_center wheel_center
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图10.3-21 创建驱动对话框
10.4优化设计实例分析
本节通过对双摆臂独立前悬架的参数化模型来具体说明设计研究、试验设计和优化设计这三种参数化分析方法。
10.4.1参数化分析的准备
在完成参数化建模之后， 便可以进行设计研究、试验设计和优化设计这三种参数化分析了。对于这三种参数化分析方法，开始的操作步骤是一致的。
10.4.1.11．参数化分析操作步骤
设计研究、试验设计和优化设计这三种参数化分析开始的具体操作步骤如下：
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图10.4-1-22 参数化分析对话框
（1）在Simulate菜单，选择Design Evaluation…命令，ADAMS/View显示Design Evalutation Tools对话框。在Model文本对话框内自动导入当前所建立的参数化模型的名称。也可根据需要输入所需分析模型的名称。 （2）选择参数化分析的类型：设计研究(Design Study)，试验设计(Design of Experiments)，或优化分析(Optimization)。ADAMS/View根据选择不同的分析类型，分别显示相应的输入对话框。
（3）在Simulation Script文本输入框输入所使用的仿真分析脚本的名称。
（4）选择测量(Measure)或目标(Objective)确定分析的对象的类型。根据选择的分析对象的类型，分别显示相应的输入对话框。
（5）如果选择测量(Measure)，在选择框，选择测量的类型：最后一次运算的值(Last Value)、最小值(Minimum)、最大值(Maximum)、平均值(Average)。并且在右边的文本对话框，输入测量的名称。
（6）如果选择的对象类型是目标(Objective)，在Objective文本对话框，输入目标的名称。对于优化分析，只能输入一个目标。对于设计研究和试验设计，可以输入多个目标。当输入多个目标时，用逗号分隔目标名。
（7）参数化分析结果的保存。
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图10.4-2-23参数化结果保存对话框
?? 选择将参数化分析结果保存到数据库的工具，显示如图100.4-2-23。 ?? 在Name对话框，输入将要保存参数化分析结果的名称。
若选择Auto-Increment Name，在保存参数化分析结果时，ADAMS/View根据保存的顺序，自动在名称末尾加一个序号。
（8）参数化分析结果的删除。在
处点击鼠标右键，选择删除参数化分析结果工
具，通过在数据库浏览器中选择希望删除的参数化分析结果。选择OK按钮，删除所
选择的仿真结果。
（9）参数化分析结果曲线的绘制。选择绘制结果工具话框。
，显示如图10.4--243所示对
图10.4-3-24 参数化曲线图对话框
在Result Set对话框，输入绘制曲线图的参数化分析结果名称。
若选择Measure/Objective vs. Run选项，绘制测量对象与变量值、试验数迭代数的曲线图。
若选择Measure vs. Time For All Runs选项。绘制测量对象与时间的曲线图。 10）参数化结果报表显示。选择表格报告工具报告对话框。
，显示如图10.4-4-25所示产生表格
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图10.4-4-25 产生表格报告对话框
在Result set对话框，输入用表格显示的参数化分析结果名称。 在Column Width对话框，输入表格列的宽度。 在Precision对话框，输入表格中数值的精度。 在Format栏选择选择表格中数值的格式。
? Automatic：程序根据表格中数值的位数和表格的宽度，自动选择使用指数形式
还是固定格式表示表格中的数值。 ?? Exponential：采用指数形式表示表格中数值。 ?? Fixed：采用固定格式表示表格中的数值。
若需将表格输入到一个文件中，可以在File Name输入文件名。 若在信息窗口显示表格，可以选择Display in Information Window。
（11）设计变量值的更新，利用参数化分析对话框中提供的更新变量工具，设置
试验或迭代时的设计变量值，在Trial对话框，输入希望使用的试验或迭代数。对话框如下图：
图10.4-5-26更新设计变量对话框
（12）参数化分析控制参数设置，在Settings栏，有3个参数设置按钮：Display、Output和Optimizer。
?? 选择Display按钮，可以显示在参数化分析过程中控制显示方式的参数设置对话
框。
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图10.4-6-27显示方式参数设置对话框
?? 选择Output按钮，可以显示控制参数化分析过程输出的参数设置对话框，从中
可以选择是否保存仿真输出结果以及以怎样的文件格式输出参数化分析结果(Save Files)。
图10.4-7-28分析过程输出参数设置对话框
?? 选择Optimizer按钮，可以显示优化分析设置对话框，其中： a．、在Algorithm栏可以选择优化分析的运算法则。 b．、在Tolerance下方的文本输入框，输入优化分析的收敛允许偏差。 c．、在Max. Iterations栏，输入最大的迭代次数。 d．、在Rescale栏，输入重新调整的迭代数，在迭代过程中，达到该迭代数后将重新调整设计变量。
e．、在Differencing 选择栏，选择采用的差分方法：中心差分法(Centered)，还是向前差分法(Forward)。
f．在Increment栏，输入差分的增量。
g．在Debug选择项，选择是否需要跟踪优化分析的输出。
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图10.4-8-29优化分析设置对话框
（13）设置完成后，选择Start键，运行参数化分析。
10.4.12．.2目标对象的设置
在进行参数化分析时，需要检测设计样机的有关性能，并将这些目标简化为ADAMS/View分析时可以计算的单独变量。在优化过程中，称为目标函数或目标；在试验设计中，称为响应特性。
（1）建立测量目标。在建立测量目标时，如果只需要优化样机模型中某点的位置或速度的大小，测量目标很容易建立。一旦，建立测量目标涉及到的因素太多，测量目标的建立就较为复杂。根据建立测量目标的不同要求，需要考虑以下因素：
1．、保持对象在适当位置以避免突然变化。 2．、将运动的最大值保持在较小的范围内。 3．、使部件能迅速地返回指定位置。 （2）使用测量（Measure）。在确定了需要计算的对象以后，便需要确定一个测量或目标对象，以便计算各次仿真分析的对象值。
在分析中，最简单的目标对象是使用测量。在运行设计研究、试验设计和优化设计过程中，首先选择测量，然后根据对象框提示选择和输入是使用最大、最小、平均值还是最后一次仿真分析获得的测量值作为目标值。使用测量，便于获得所需的输出，并且对模型的输出或其他的测量结果进行各种运算。
（3）使用目标对象（Objective）。在需要对模型的输出进行复杂的处理和计算的场合可以使用目标对象的方法。
ADAMS/View提供了以下几种可供选择的目标对象类型： 1．、某个测量的最大值、最小值、平均值或最后一次运算的值。此功能与使用测量时类
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似，但与使用测量不同的是，使用目标来定义这些对象的优点是可以定义多个目标，而测量仅可以定义一个目标。
2．、一组测量分量的最大值、最小值、平均值或最后一次运算的值。 3．、ADAMS/View函数。使用特定的ADAMS/View函数对象处理仿真结果，可以计算任何数量的模型输出函数。在函数中设有自变量，而自变量取含有结果的分析对象的名称，由此将目标函数对象同ADAMS/View的仿真分析结果联系起来。本章中，通过具体的实例来介绍利用函数来建立目标对象。
4．、ADAMS/View变量和宏。ADAMS/View执行用户定义的宏，并使用所定义变量的计算值作为目标值。使用宏和变量可以允许执行一组ADAMS/View命令来计算目标。
（4）产生目标对象 产生目标对象的步骤如下： 1．、在Simulate菜单，选择Design Objective项，再选择New命令，显示产生设计目标对话框，如图10.l所示。
2．、在Definition by选择框，选择使用的对象函数类型：
?? 测量(measure)；
?? 结果分量(Result Set Component (Request))； ?? ADAMS/View函数(/View Function)；
?? ADAMS/View变量和宏(/View Variable and Macro)。
3．、在Definition by选择框下面的输入框，输入目标对象的名称。 4．、如果使用测量或结果分量，在Design Objective's value选择框，选择目标对象，最小值(minimum value)、最大值(maximum value)、平均值(average value)或最后一次运算的值(value at simulation end)，
5．、选择OK按钮确定。
图10.4-9 -30产生设计目标对话框
在以下各节中，通过具体实例来说明目标对象的建立。
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10.4.2设计研究
设计研究主要是研究哪些设计变量对系统性能影响的灵敏度较高。对设计变量的值定在一定范围内的若干值，ADAMS可以分别取不同的值进行自动分析，并完成设计分析报告。 本节将利用上节建立的参数化模型，对该悬架的前束角（Toe_Angle），外倾角（CamperCamber_Angle）进行设计研究，分析哪些参数对其影响较大。
设计研究的一般步骤是：定义设计变量->定义测量（或目标）->设计研究->得到结果，具体过程如下：
（1）、定义设计变量
一种是在build菜单选择Design Variable,在子菜单中选择New…，弹出图10.4-10对话框，然后进行变量定义。另外一种是通过选取参数化点，然后创建设计变量，我们选取后一种方式来定义设计变量。
图（a） 图（b）
图10.4-10-31设计变量的修改
本节将中分别根据参数化点uca_knuckle、lca_knuckle、tie_knuckle创建三个设计变量。 1．、创建设计变量。
在图形区，将鼠标移至上摆臂与转向节铰接处，单击右键，在弹出菜单中选择—Point:uca_knuckle，在其子菜单中选择Modify。弹出参数化点表，在表中找到点uca_knuckle，将光标移至其z坐标处，在对话框上部的编辑框中出现z值“686”。在该编辑框中右击鼠标，依次选择Parameterize、Create Design Variable、Real，则创建设计变量，.model_1.DV_1。
同样根据lca_knuckle、tie_knuckle创建设计变量DV_2、DV_3。 2．、修改设计变量。
?? 在菜单Build中选择Design Variable、Modify，弹出图10.4-10-31(a)的对话框，Units
中选择length，Value Range中选择+/- Delta Relative to Value，在-－、+ ＋ Delta编辑框中分别输入-5.0，5.0。选择Apply键确认，并继续修改设计变量，所有完成后点击OK按钮确认。
?? 使用表格编辑器创建和修改设计变量。选择Tools菜单的Table Editor命令，显示
如图表格编辑器10.4-10-31(b)。可通过编辑器窗口的底部Variable项，显示所有的变量；Filters项，显示表格编辑器显示所有与变量变化有关的特性，包括：Range、
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Allowed values和Delta Type等。通过表格改变设计变量的有关特性，表10.4-1-4列出了控制设计变量值的有关参数及其说明。
表10-4 设计变量值的控制参数 标题 Range Use_Range Allowed_Values Use_Allowed_Values
Delta_Type
变量范围的表示方式，分别用absolute、relative、percent_relative表示绝对值、相对值、百分数相对值 表10.4-1-控制设计变量值的有关参数
功能说明
包含变量的上限和下限，上下限之间用“，”分开， 例如：－1.0，＋1.0
用于优化分析，是否限制参数变化范围开关，输入yes表示 限制，no表示不限制
变量值列表，各变量之间用“，”分开。 （NONE）表示没有列表
是否使用列表参数开关，yes表示使用，no表示不使用列表
（2）定义测量函数。
1．1、创建地面参考标架。在菜单Tools中选择command Navigator，依次选择marker、create，弹出创建对话框，改变你想要的名字，其余设置见图10.4-11.-32。
图10.4-11-32 Marker创建对话框
2．、定义测量函数。进入在菜单Build，选择Measure，Function，New，弹出对话框（图10.4-12-33）。在Measure Name中输入.model_1.M_Toe_Angle。选择单位为角度。在上部的上部对话框中输入“ATAN2(DY(.model_1.knuckle.MARKER_18,.model_1.knuckle.MARKER_11,.model_1.ground.orin),DX(.model_1.knuckle.MARKER_18,.model_1.knuckle.MARKER_11,.model_1.ground.orin))”。，定义前束角。
这里MARKER11是定位在参数化点wheel_inner处，MARKER18定位在参数化点wheel_center处。
与定义前束角相似，同样定义外倾角的测量函数.model_1.M_Camber_Angle “ATAN2(DZ(.model_1.knuckle.MARKER_18, .model_1.knuckle.MARKER_11, .model_1.ground.orin),DX(.model_1.knuckle.MARKER_18,.model_1.knuckle.MARKER_11,.model_1.ground.orin))”
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图 10.4-12-33 创建前束角函数
注意：
这里求反正切时用的DX、DY、DZ需要根据具体的坐标系。在这里我们的坐标系是XOZ，故求前束角时（水平面上Knuckle与X轴的夹角）为ATAN2(DY，DX)外倾角时为ATAN2(DZ,DX)。
（3）运行设计研究 1．1、 在Simulation菜单，选择Design Evaluation…如图10.4-13，显示Design Evaluation Tools对话框，选择Design Study。
2．2、选择和设置；Measure＝ON，Measure＝M_Toe_Angle， Design Study＝ON。 3．3、选择设计变量；可以在Design Variable 对话框直接输入设计变量的名称，或者在Design Variable 对话框上点击鼠标右键，通过数据库浏览器选择需要设计变量DV_3。
4．、定义设计变量的范围，在Default Level对话框输入变量范围的等分水平数， ADAMS/View使用在Default Levels文本框输入的水平数，等分变量的变化范围。设计变量的取值Default levels＝5。
5．、点击Display，再按照图10.4-14设置弹出的对话框
6．6、点击Start开始设计研究分析，仿真完成后，会自动弹出图10.4-15的对话框。 分别选择设计变量和测量函数M_Camber_Angle,进行同样操作。 （4）、得到结果
从以上分析得到下表中结果。从表中可知，变量DV_3对M_Toe_Angle 的敏感度最高，因而对其影响最大，DV_2对M_CamperCamber_Angle的敏感度最大，因而对其影响最大。
表10-5设计变量对测量函数的灵敏度
设计变量 DV_1 DV_2 DV_3
表10.4-2设计变量对测量函数的灵敏度
参数化点
Uca_knuckle.z Lca_knuckle Tie_knuckle
初始值
686.00 364.00 459.00
初始值处敏感度 M_Toe_Angle M_CamperCamber_Angle
-0.066671 -1.3983 -0.14775 1.7420 0.24428 -0.34448
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注意：
完成仿真分析以后，ADAMS/View在当前的样机关系树下，建立一个名为Last_Multi的分析对象。在此分析对象中含有一组名为Design_Study_Results的设计研究分析结果，其中包括以下分量：
1）试验Trial，其中包括仿真分析的次数。
2）与设计变量同名的分量，其中包含每次运算所使用的变量值。
3）所有的测量或目标，这些分量与定义的测量和目标同名，记录了每次仿真分析获得的性能测量值。
如果在以前的参数化分析中已经建立了Last_Multi的分析对象，ADAMS/View用新的运算结果覆盖以前的Last_Multi分析结果。
图10.4-13 -34设计研究 图10.4-14-35 设置对话框
图10.4-15-36 结果对话框
完成仿真分析后，在当前模型树下建立了一个名为Last_Multi的分析对象。在此分析对
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象中包含设计分析结果。如果在以前的分析中建立了Last_Multi的分析对象，进行新的分析后，新的分析结果将覆盖以前的分析结果。
10.4.3试验设计
10.4.31．.1 ADAMS/Insight 试验设计
本节将通过ADAMS/Insight对前束角做试验设计。大致步骤如下：建立设计变量->建立响应（目标）->仿真后进入ADAMS/Insight->设置因素集和响应->选择试验策略->创建工作矩阵->运行试验->结果分析->优化结果->发布结果。 （1）建立设计变量 变量的建立见10.4.2节。 （2）建立响应（目标）
进入菜单Simulate，点击Design Objective弹出图10.4-16所示对话框，在名字框输入.model_1.obj_toe，Definition By下拉菜单中选择measure.。选择前束角的测量函数做为测试目标。
图10.4-16-37 创建设计变量
（3）进行仿真，然后进入Insight
1．、设置步长为100，End Time为1，开始仿真。 2．、点击菜单Simulate，选择Adams/Insight，点击Export，弹出对话框（图10.4-17-38）
图10.4-17 -38 Insight Export对话框
3、选择模型和脚本，点击OK，随后会出来一个DOS窗口（只有在退出Insight后才会消失），同时进入ADAMS/Inight。其界面如图10.4-18-39所示。
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图10.4-18-39 ADAMS/Insight界面
（4）创建因素集和响应 1．、创建因素
在树形区依次展开Factor、Candidates、Model_1，点击DV_1，在图形区会出现DV_1的属性对话框，设置Type为Continuous，Data Type为Relative，Normal Value为686，Setting为-5，5。Tolerance 为0.0，Monte Carlo Distribute选择为None，Ease of Adjustment选择为Moderate。可以在Abbrevation中修改因素的名字,这里按照缺省的为f_01。在Units中输入mm。见图10-.4-1940。点击Apply，然后点击工具条中的
，则看到inclusion 中出现因素
f_01。至此我们定义了一个因素。按照上述方式添加DV_2,DV_3到inclusion中。
图10.4-19-40 因素设置对话框
注意：
假如需要添加的因素集比较多，可以按住Ctrl的同时用鼠标同时选择多个。 2．、加响应
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在树形区展开Reponse、Candidates、Model_1，点击obj_toe，在图形区出现的对话框中在Units一栏中输入degree其余缺省设置，点击按钮Apply，然后点击工具条中的一个响应。
（5）选择试验策略
1、1．在树形区展开Design，点击第一项，或者点击工具条中的下对话框，按照图10.4-20-41中的选择。
，则图形区出现如
添加
图10.4-20-41 设置试验策略
2、2．同样在Dsign下点击第四项－Work Space,或者点击工具条中的建工作矩阵，见图10.4-21-42。从图中看出共进行8次试验。
。系统自动创
图10.4-21-42 工作矩阵
到此试验设计的设置工作基本完成，下一步就是开始进行运行试验。 （6）运行试验 点击工具条中的
，或者在主菜单中选择Data、Simulation、Build-Run-Load、All，
系统自动回到ADAMS/View中来进行仿真试验。
（7）结果分析
1、1．仿真完成后，进入菜单Simulate，选择ADAMS/Insight，点击Display，在弹出的对话框中点击OK，进入ADAMS/Insight。
2、2．在树形区展开Design。依次点击Design Space（试验矩阵）、Work Space（工作
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矩阵）、Work Space Review（工作矩阵预览）。可以看运行试验后的矩阵。
3、3．点击工具条中的条中的
，或者在菜单Tools中选择 Fit New model，这时看到工具
（输出为web文件）变亮。
选择Regression中的obj_toe，选择Display中的Fit，会出现图10.4-22-43所示表格。在表中。绿色圆点表示满足所有的拟合准则，假如有而带有问号的黄色圆点表示拟合准则可以在容忍范围内，假如是红色的圆点，则表示该拟合准则有问题，必须要对其进行研究。
ADAMS/Insight以标准方差统计（ANOVA）工具来进行拟合，并提供了一套ANOVA统计方法，如要与
和
，来评估光顺的质量。
（取值范围0~1）越高表示越好，但还
结合起来看。
图10.4-22-43 结果的分析
（8）优化结果
可以使用Insight进行优化，如果是单目标优化，则只是涉及到一个响应（目标），如果进行多目标优化要涉及到多个响应。优化结果是通过两种途径来完成的，一种是更改因素的设置，另外一种是更改响应(目标)的设置。
1、1．通过更改因素设置来优化
?? 点击菜单中的Tools，点击Optimize Model。弹出优化窗口（图10.4-23-44）； ?? 通过滑块修改一个或同时修改多个因素的值； ?? 点击按钮Update。
2、2．通过更改响应（目标）来优化
?? 通过设置Op、Target、Weight来设置合适的值；
?? 在Fixed复选框中打上勾，确定哪些因素在优化的时候值固定不变。 ?? 点击按钮Run。
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图10.4-23-44 进行模型优化的设置
（9）输出结果为web文件 1、1．点击工具条中的
，则系统会要求你给出文件名和存储地方。保存后，我们打
开该html的文件，显示结果如下。
图10.4-24-45 输出后的HTML格式文件
可以在这个页面上进行修改因素的值，来观测响应（目标）的变化。在DV_1的编辑框中直接输入值690，然后点击Update，可以看到响应（目标）值发生改变，或者点击“＋”号，在因素值改变的同时，响应的值也跟着变化。通过这种方式，可以研究因素值是如何影响响应值的。
在State和Effects前面的复选框上打上勾选中，则会出来下图图10.4-25-46所示页面，前者表示拟合的统计结果，后者给出了各个因素对响应的影响大小。从图中看出，因素DV_3对响应（前束角）影响比较大。
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图10.4-25-46 各个因素对响应的影响大小
10.4.2．3.2 ADAMS/View试验设计
DOE也可直接在ADAMS/View中进行，具体操作类似于设计研究。但Insight是ADAMS专门用于DOE的模块，功能更为强大。设计变量及及建立响应（目标）的建立如上节。
ADAMS/View下的DOE操作如图10.4-26-47：
图10.4-26-47 进行试验设计
（1）在Design Variables文本输入框输入设计变量的名称。也可以显示弹出式菜单，选择Variable项，再选择Browse，显示数据库浏览器，从中选择设计变量。
（2）如果有一个或多个设计变量仅定义了变化范围，可以在Default Levels文本输入框输入变量范围的等分水平数。
（3）在Trails defined by选择框，选择试验的方法：Built-In DOE Technique ，Direct Input，或File Input。
?? Built-In DOE Technique方法，表示选择使用试验设计技术。此时，可以在DOE
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Technique选择栏，选择合适的试验设计方法。选择Check Variables, Guess # of Runs按钮，可以察看在同样水平的变量值，以及所需的运行次数。
?? Direct Input方法，表示直接输入试验的次数，可以在Number of Trails栏输入试
验的次数，在Trail Matrix栏输入每次试验的设计参数值。 ?? File Input方法，表示采用文件输入的方式，输入试验的次数和参数值，此时，可
以在Trail Matrix File栏输入包含试验数据矩阵的文件名。 （5）选择Start，开始试验设计分析。
ADAMS/View根据试验设计矩阵定义的参数值，自动地进行一系列的仿真分析，完成仿真分析以后，再将所有的设计变量设值为原先的值。
图10.4-27-48 结果信息
10.4.4优化分析
优化分析是求出影响最大的那个参数在取什么值的时候能使测量（目标）达到最大
（或者最小）。本节续前两节，求出影响最大的参数在取什么值的情况下，用ADAMS所作出得出的前束角样条曲线与实验得到的样条曲线最为吻合。
1．10.4.3.1 实验所得曲线和通过ADAMS/View分析得到曲线
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（1）根据实验数据定义Spline
1．1、在菜单Build中依次选取Data Elements、Spline、New，弹出对话框10.4-28-49。 在样条名字框中输入你定义的名字，这里我们为.model_1.SPL_Toe，X、Y两列输入实验数据，其中X表示时间，Y表示对应时间的前束角的角度数。其余的按缺省值设置。
表10-6样条曲线点坐标
序号 1 2 3 4 5
表10.4-3样条曲线点坐标
2、2．获得实验所得样条曲线。在图10.4-18-49所示对话框中，在View as下拉菜单中选择Plot，左边区域将变成图形区域，将样条曲线显示出来。见图10.4-29-50。
X 0 0.2 0.4 0.6 0.8
Y -1 -0.6 -0.4 -0.2 0.05
图10.4-28-49 输入X Y值
图10.4-29-50 实验曲线
（2）ADAMS/View分析得到的曲线
1、1．在菜单Build中点击Measure，选择REQUEST，点击New，弹出REQUEST创建窗口（图10.4-20-51），输入名字req_toe，在编辑框F2中输入以下函数：
ATAN2(DY(.model_1.knuckle.MARKER_18,.model_1.knuckle.MARKER_11,.model_1.ground.orin),DX(.model_1.knuckle.MARKER_18,.model_1.knuckle.MARKER_11,.model_1.ground.orin))*(180.0/PI)。
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在编辑框F3中输入函数AKISPL(TIME,0,.model_1.SPL_Toe)，然后点击OK。 这里，F2表示根据样机得到的前束角函数，F3表示根据实验数据得到的函数。
图10.4-30 -51 定义REQUEST
1、1．进行仿真。点主工具箱中的，设置End Time为1，步长100。开始仿真。
，在弹出的后处理对话框中按照图选
2、2．获得分析后的曲线。点击主工具箱中的
择，然后点击按钮Add Curve。得到分析后前束角的曲线。如图10.4-31-52。
图10.4-31-52 优化前曲线
10.4.32．.2 优化分析
优化分析步骤为如下： （1）、创建状态变量
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（2）、建立测量函数 （3）、建立目标函数 （4）、进行优化分析 （5）、查看优化结果 具体操作过程如下： （1）创建状态变量
1、1．在Build菜单中选择System Elements、State Variable、New，出现图10.4--5232的对话框，在名字框改变你想要的名字，这里为.model_1.toe_measure，在(time…)编辑框中输入前束角测量函数：
ATAN2(DY(.model_1.knuckle.MARKER_18,.model_1.knuckle.MARKER_11,.model_1.ground.orin),DX(.model_1.knuckle.MARKER_18,.model_1.knuckle.MARKER_11,.model_1.ground.orin))*(180.0/PI)
注意：
MARKER_18、MARKER_11见10.4.1节（设计研究）中的解释。
图10.4-32-52 定义状态变量
2．、按照同样方法创建状态变量.model_1.spl_toe，不过这里在(time…)编辑框中输入为： AKISPL(TIME,0,.model_1.SPL_Toe)。 （2）创建测量函数
在菜单Build中选择Measure、Function、New，在弹出对话框中创建测量函数，测量名改为.model_1.fun_toe_measure，在上部编辑框中输入 (VARVAL(.model_1.spl_toe1)-VARVAL(.model_1.toe_measure))**2。 （3）创建设计目标变量
进入菜单Simulate，选择Design Objective、New，弹出对话框图10.4-33-53。
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图10.4-33-53 定义设计目标
将名字改为.model_1.object_toe_min，选择上一步创建好的测量函数，在下面的下拉菜单中选择好选项，如图示。表示将实验数据和测量数据的方差的平均值做为目标函数。
（4）开始优化分析 进入菜单Simulate，选择Design Evaluation…，在弹出对话框中按照图10.4-10-5434选择。
图10.4-34-54 进行优化分析
由于在设计研究和试验设计中的结果显示DV_3和DV_2的影响最大，故在此选择这两个作为设计变量。这里取目标函数的最小值作为优化目标。设置好后，点击Start，开始进行优化分析。
分析完成后，可以看出目标函数在每次迭代的曲线变化图。可以看出经过四次迭代测量得到的曲线基本与实验得到的曲线一致。
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图10.4-35-55 优化迭代曲线图
5）查看优化结果
点击图10.4-24-22所示对话框底部的
按钮，系统弹出对话框，如图10.4-36-56的，在
Result Set栏选择好优化结果后，点击OK，这时会弹出结果消息窗口（图10.4-27-57）.
图10.4-36-56 结果设置
图10.4-37-57 结果信息
从结果可以看出：在经过三次迭代时，目标函数的值最小，这时DV_1、DV_2的取值
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分别为361.33、461.29。
（7）优化后的曲线
进入后处理器，按照10.4.3.1节中方法，获得优化后的曲线。如图10.4-38-58。
图10.4-38-58 优化后曲线
10.4.3.3 三种曲线的比较
现在对实验得到的曲线、优化之前用ADAMS/View得到的曲线、优化之后的曲线进行比较。见图10.4-39-59。
图10.4-39-59 三种曲线比较
图中： 实线为实验所得曲线
点划线为优化分析前曲线 虚线为优化后的曲线 从图中看出，优化分析后，所得到的曲线基本与实验得到的曲线吻合，达到了优化的目的。
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