ADAMS 柔性體運動仿真分析及運用焦廣發(fā)，周蘭英（北京理工大學(xué)機械與車輛工程學(xué)院100081）摘要介紹了ADAMS柔性體基本理論及在ADAMS中生成柔性體的幾種方法,并構(gòu)建機械系統(tǒng)仿真模型.通過一個實例驗證了ADAMS 柔性體運動仿真分析的實效.關(guān)鍵詞:ADAMS 柔性體運動仿真 繼電器Application of ADAMS flexible body kinetic simulationJiao guangfa Zhou lanying(Beijing institute of technology ,school of mechanical and vehicular engineering , Beijing 100081 )Abstract Introduced the basic theory of ADAMS flexible body and some methods of adding flexible bodies to a model to study the dynamic characteristics of the mechanical system1,constructed mechanical system simulation model1 Tested the validity of the ADAMS flexible kinematical simulation through an example1.Key words :ADAMS Flexible body Kinetic simulation relayADAMS全稱是機械系統(tǒng)自動動力學(xué)分析軟件,它是目前世界范圍內(nèi)最廣泛使用的多體基金項目：北京市重點學(xué)科建設(shè)（XK100070424）；北京理工大學(xué)基金（0303E10）作者簡介：焦廣發(fā)（1982），男，河北人，碩士，主要研究方向為動力學(xué)仿真，有限元分析和表面涂層技術(shù).系統(tǒng)仿真分析軟件,其建模仿真的精度和可靠性在現(xiàn)在所有的動力學(xué)分析軟件中也名列前茅.機械系統(tǒng)動力學(xué)仿真分析是機械設(shè)計的重要內(nèi)容,過去分析時建立的模型,其構(gòu)件都是屬于剛體,在作運動分析時不會發(fā)生彈性變形.而實際上,在較大載荷或加、減速的情況下,機構(gòu)受力后會有較大的變形和位移變化,產(chǎn)生振動.ADAMS的分析對象主要是多剛體,但ADAMS 提供了柔性體模塊,運用該模塊可以實現(xiàn)柔性體運動仿真分析,以彈性體代換剛體,可以更真實地模擬出機構(gòu)動作時的動態(tài)行為,同時還可以分析構(gòu)件的振動情況1.一、ADAMS 柔性體理論及生成柔性體的幾種方法ADAMS 柔性模塊是采用模態(tài)來表示物體彈性的,它基于物體的彈性變形是相對于連接物體坐標(biāo)系的彈性小變形,同時物體坐標(biāo)系又是經(jīng)歷大的非線性整體移動和轉(zhuǎn)動這個假設(shè)建立的.其基本思想是賦予柔性體一個模態(tài)集,采用模態(tài)展開法,用模態(tài)向量和模態(tài)坐標(biāo)的線性組合來表示彈性位移,通過計算每一時刻物體的彈性位移來描述其變形運動.ADAMS 柔性模塊中的柔性體是用離散化的若干個單元的有限個結(jié)點自由度來表示物體的無限多個自由度的.這些單元結(jié)點的彈性變形可近似地用少量模態(tài)的線性組合來表示.ADAMS 提供了四種生成柔性體的方法,對于外形簡單的構(gòu)件,可以采用直接生成柔性件的方法,即拉伸模式；對于外形復(fù)雜的構(gòu)件,可以采用先建剛性件, 再進行網(wǎng)格劃分的模式, 即構(gòu)件網(wǎng)格模式(Solid).1) 拉伸法生成柔性體:首先要確定拉伸中心線,再定義截面半徑、單元尺寸、材料屬性等,最后定義好柔性體跟其它構(gòu)件的連接點即外連點,就可以生成柔性體.模型生成柔性件的同時生成模態(tài)中性文件,該模態(tài)中性文件中包含了柔性件的質(zhì)量、質(zhì)心、轉(zhuǎn)動慣量、頻率、振型以及對載荷的參數(shù)因子等信息.將模型中原有的剛體件上的運動副修改在柔性件上,使柔性件與模型上的其它構(gòu)件連接起來,同時刪除無效的剛性件.這樣可以使模型保持原有的自由度,從而實現(xiàn)柔性構(gòu)件的運動仿真運算. 2)幾何外形法生成柔性體:這種方法是將幾何體的外形所占用的空間進行有限元離散化,幾何體既可以是在ADAMS/View中創(chuàng)建的,也可以是從其他CAD軟件中導(dǎo)入的模型.這種方法首先要定義柔性件的附著點,即柔性件與其它構(gòu)件的連接點.定義好附著點后,需要在附著點的附近的網(wǎng)格結(jié)點上選取適當(dāng)數(shù)量結(jié)點作為力的作用點,作用點的數(shù)量和位置根據(jù)模型精度的需要來選取.最后,將選取的結(jié)點轉(zhuǎn)換成ADAMS 的標(biāo)識ID后,就可以生成模態(tài)中性文件.用這種方法與拉伸法相比,拉伸法創(chuàng)建的柔性體是六面體單元,而幾何外形法生成的柔性體是四面體單元.一般來說六面體單元要比四面體單元要好些.3)導(dǎo)入有限元模型的網(wǎng)格文件創(chuàng)建柔性體：在ADAMS/AutoFlex的Flexbody中選擇Import mesh項，然后輸入網(wǎng)格文件名，最后定義網(wǎng)格的材料屬性，殼單元的厚度和計算的模態(tài)數(shù)，就可以導(dǎo)入柔性體，但是應(yīng)用范圍很小，只能輸入Natran的bdf網(wǎng)格文件和I-DEAS的universal網(wǎng)格文件2.4）利用ANSYS的宏命令生成ADAMS柔性體：ANSYS是一個多重物理有限元分析軟件,適用于各種復(fù)雜的、跨領(lǐng)域的分析設(shè)計.ANSYS與ADAMS之間的雙向數(shù)據(jù)接口可以方便地處理柔性體部件對機械系統(tǒng)運動的影響,并得到基于精確動力學(xué)分析結(jié)果的應(yīng)力應(yīng)變分析結(jié)果,從而提高分析水平.通過ADAMS軟件與ANSYS軟件之間的接口,可以很方便的考慮柔性體部件對機械系統(tǒng)運動的影響,并得到基于精確動力學(xué)仿真結(jié)果的應(yīng)力應(yīng)變分析結(jié)果,提高分析精度.ANSYS程序在生成柔性體部件的有限元模型之后,利用ADAMS宏命令可以很方便地輸ADAMS軟件所需要的模態(tài)中性文件Jobname.mnf 此文件包含了ADAMS中柔性體的所有信息.在ADAMS軟件中直接讀入此文件即可看到柔性體部件的模型,指定好柔性體與其它部件的連結(jié)方式, 并給系統(tǒng)施加必要的外載后即可進行系統(tǒng)的動力學(xué)仿真3.二、實例分析本文主要應(yīng)用ADAMS提供的幾何外形法生成柔性體.1.應(yīng)用solidworks軟件建立繼電器三維實體模型，模型由銜鐵、頂支架、底支架、觸頭、動簧片、動斷靜簧片、動何靜簧片等組成，在建立模型過程中，對模型作了簡化，省略了線圈、磁鐵等部件，結(jié)構(gòu)如圖：1.頂支架2.動簧片3.動斷靜簧片4.觸頭5.動簧片6.動合靜簧片7.銜鐵8.擋圈9.底支架圖1 三維軟件模型2.建立模型后，生成Parasolid格式，保存于ADAMS的工作目錄下.3.導(dǎo)入ADAMS中，并定義各部件的材料屬性，同時ADAMS自動計算出轉(zhuǎn)動慣量和質(zhì)量.對各個部件進行約束.在這里對結(jié)構(gòu)進行了簡化，忽略了電學(xué)的干擾，只考慮機械結(jié)構(gòu)之間的相互關(guān)系.首先用固定副把頂支架和底支架與大地固定在一起，然后固定動簧片，動斷靜簧片，動合靜簧片，還要把觸頭與銜鐵固定在一起，最后在銜鐵與底支架之間施加旋轉(zhuǎn)副，由于觸頭與動簧片接觸，動合靜簧片，動斷靜簧片之間也產(chǎn)生接觸力，因此在這些部件之間也要定義接觸.因為這次主要是為了驗證柔性體的仿真，忽略了電磁學(xué)問題，同時也可忽略掉頂支架和底支架，因此把頂支架和底支架設(shè)置為啞物體，并對部分構(gòu)件設(shè)為透明如圖2所示.經(jīng)簡化后，在旋轉(zhuǎn)副上加正弦驅(qū)動力來模擬電磁鐵產(chǎn)生的吸附力，驅(qū)動力為9.5d *sin(1200* time)，再進行仿真.設(shè)置仿真時間為0.015s,步長為0.000025s,由于動簧片為剛性體，當(dāng)觸頭與動簧片接觸時就會發(fā)生錯誤，當(dāng)時間步長足夠小時，也會發(fā)生穿透現(xiàn)象.1.銜鐵2.動簧片3.動合靜簧片4.動斷靜簧片5.觸頭6.銜鐵7.底支架圖2 簡化后的模型 4.把關(guān)鍵部件改變?yōu)槿嵝泽w。對于這個繼電器模型而言，銜鐵帶動觸頭推動動簧片與動斷靜簧片分離，同時動簧片與動合靜簧片接觸接觸，由于動簧片要與動合靜簧片接觸，所以要發(fā)生變形，當(dāng)把動簧片設(shè)為剛性體時，是不能發(fā)生變形的，不符合實際，也是為什么發(fā)生錯誤的原因，因此要把動簧片替換為柔性體，而在這個模型中，頂支架與底支架，動斷靜簧片，動合靜簧片幾乎沒有發(fā)生生什么變形，所以把這幾個部件看為剛性體，然后進行分析.本文采用幾何外形法生成柔性體.1）加載ADAMS/AutoFlex模塊；2）計算動簧片的mnf文件；3）用生成的柔性體替換原來的動簧片剛性體，并刪除原來的剛性體；4）添加約束，固定柔性體；5)創(chuàng)建兩個啞物體，并把啞物體與柔性體固定，啞物體固定在動簧片與動斷靜簧片動合靜簧片接觸處，因為剛性體不能與柔性體定義接觸，所以建立啞物體用來定義接觸；6）定義觸頭與啞物體的接觸；7)設(shè)置仿真步長為0.000025s仿真時間為0.015s，仿真，結(jié)果如圖3所示： 1.底支架2.動合靜簧片3.動簧片4.動斷靜簧片5.觸頭6.銜鐵圖3(a)1. 銜鐵2.動簧片3. 動合靜簧片 4.動斷靜簧片5.觸頭6. 底支架圖3(b)圖3 替換為柔性體后模型的變形情況 在仿真過程中，沒有發(fā)生穿透現(xiàn)象，動簧片也發(fā)生了變形，當(dāng)時間足夠小時，改變驅(qū)動力的頻率，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)動簧片與動合（斷）靜簧片接觸時發(fā)生了回彈跳動，哈爾濱工業(yè)大學(xué)在這方面作了相關(guān)的分析，因此符合實際情況.5.分析仿真曲線 對于本次研究的繼電器模型，我們關(guān)心的是它的壽命情況，主要是因為在特殊環(huán)境下，有些關(guān)鍵零部件會發(fā)生磨損，影響繼電器的正常工作，因此要分析繼電器簧片的應(yīng)力情況和受力情況如圖4所示：(a)動簧片與動合靜簧片接觸X向受力圖(b)動簧片與動合靜簧片接觸Y向受力圖(c)動簧片與動合靜簧片接觸Z向受力圖(d)動簧片與動何靜簧片接觸合力圖圖4 動簧片與動合靜簧片接觸力圖 從圖4中可以看出，在0.015s時間內(nèi)發(fā)生了兩次碰撞，而且每次都有回跳現(xiàn)象，而且對于繼電器而言，應(yīng)該存在X與Y方向的力，而從圖4(c)中可以看出，存在Z方向的分力，因此可以推斷出當(dāng)動簧片與動合靜簧片接觸時動簧片產(chǎn)生了側(cè)傾，導(dǎo)致接觸時產(chǎn)生Z方向的奮力.對于觸頭與動簧片的接觸作用力如圖5所示：(a)觸頭與動簧片接觸X方向作用力圖(b) 觸頭與動簧片接觸Y方向作用力圖(c)觸頭與動簧片接觸Z方向作用力圖(d)觸頭與動簧片接觸合力圖圖5觸頭與動簧片接觸力圖 從圖5可以看出，當(dāng)觸頭與動簧片接觸時發(fā)生彈跳現(xiàn)象，而且發(fā)生很多次，第一次接觸時作用力很小，但是第二次作用力就很大，而且當(dāng)觸頭返回時，動簧片還要回彈與觸頭發(fā)生再次碰撞，在這里會產(chǎn)生電弧，破壞了接觸面的光潔性，導(dǎo)致磨損，關(guān)于這方面正在進一步的研究中.三、結(jié)論 本文