samcef机电耦合分析的原理与应用

机电耦合系统时由机械系统，电磁系统以及联系两者的耦合电磁场组成。传统的设计方法中，产品的各部分是独立进行设计和仿真的，等机械和电子部分都设计完成并制作出物理样机后，才能进行整体测试。借助于机电耦合建模和仿真技术，可以在物理样机研制前通过对虚拟样机进行仿真分析，得到数控机床整体性能，为机械与电气参数的匹配提供依据。目前可以做机电耦合的软件有以下几种：

1）美国的Mathworks公司研制开发的MATLAB，新推出的SimMechanics 工具箱可以直接对多刚体机器和他们的组件进行建模，与Simulink模块联合运行可以进行耦合建模与仿真。但是，其缺点也十分明显，因为SimMechanics 仿真模块中提供的仅仅是多刚体的仿真，无法进行柔性体的仿真，并且可视化、形象程度较低，无法与专业的有限元分析软件相比。

2）美国MSC 公司的ADAMS，能够实现机械系统运动学、动力学仿真。ADAMS/Controls 是ADAMS 的插件模块，为ADAMS中建立的机械模型添加控制系统。通过ADAMS/Controls 模块，可以使在ADAMS中建立的模型与EASY5、MATALB等系统结合起来，实现机电系统耦合建模与仿真。但是其缺点是：在进行柔性体仿真是，必须借助于外界有限元软件（ANSYS）通过接口技术将柔性体导入ADAMS中仿真分析，操作较为繁琐并且导入的柔性体只可以做线性分析。

3）LMS公司的SAMCEF软件是欧洲CAE领域普遍采用的有限元软件，功能强大，尤其擅长于刚体柔体耦合的复杂系统的动力学建模和分析。其中，SAMCEF Mecano的目标是解决机械系统的机构和结构的非线性求解分析，包括静态分析、运动分析和瞬态条件分析，如果用SAMCEF做机电耦合分析的话，那么计算精度以及可视化程度上要远远强于ADAMS 和SimMechanics。目前来说，SAMCEF 与MATLAB 进行机电耦合主要有以下三种方式。

1）基于SAMCEF.Field界面形式的机电耦合仿真。

这种方式的机电耦合仿真是在SAMCEF.Filed 界面下完成的，利用SAMCEF.Filed 界面下的controller按钮，在该窗口中完成控制器的添加与设定。这种方式的优点是连接方便，不需要接口函数即可完成。

2）基于bacon这种参数化设计语言的机电耦合仿真。

首先，需要在“solver data”模块下的Epilog中利用Bacon语句定义输入输出点，同时，控制模型也必须在simulink中完成；然后利用自定义的接口文件完成机械模型与控制模型的联合仿真。具体可见附件（S4MT_Mechatronics_Optim.pdf）。

3）基于SAMCEF中的co-simulation模块的机电耦合仿真

首先在SAMCEF程序界面中的Analysis mode中选择Mecano/Simulink Coupling按钮，如下图所示：

用户可以在New Project 按钮菜单中定义分析文件路径以及分析名称。

然后先点击界面上的Run 按钮，这时候，用户需要选择已经做好的Simulink模型。

最后，运行SAMCEF程序，可以得到如下一系列文件：

最后，用户只需在MATLAB环境下，通过编辑SIMULINK模型，点击“PLAY”按钮，运行SIMULINK模型即可得到相应的仿真结果。

需要特别说明的是，要建立一个机电耦合模型，用户必须建立一个.mdl文件，该文件中包括下图所示的红色模块。这个红色模块是SAMCEF提供的一个用于Mecano模型和Simulink模型信息交互的模块。图中输入输出量的数量必须与Mecano模型中定义的输入输出数量相一致。任何没有用到的接口应该都定义为“接地”（第五个端口所示）。

所用到的matlab 版本必须是2006、2008、2010，在进行co-simulation仿真时首先要在SAMCEF界面下的variable窗口下的“All Modules”标签下，设置“SAM_MATLAB”环境变量名称为matlab 安装目录。

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