ADAMS中的柔性體分析研究論文

2021-04-15 論文

　　0 引言

　　ADAMS是美國MDI公司開發的機械系統動力學仿真分析軟件，其求解器采用多剛體動力學理論中的拉格朗日方程方法，建立系統動力學方程，對虛擬機械系統進行靜力學、運動學和動力學分析，輸出位移、速度、加速度和反作用力曲線。

　　對系統動力分析而言，結構本身的彈性變形與系統的宏觀剛體運動同等重要。ADAMS中的所有物體均以剛體定義，忽略結構柔度對系統的影響，一般的有限元分析軟件對包含大位移運動的系統動力學分析又無能為力，因此在ADAMS中實現剛體和柔體相結合的系統動力學分析是一個較可行的解決方法。1996年，ADAMS推出ADAMS/Flex莫塊，實現了同時包含剛體和柔體的機構動力學分析。

　　ADAMS中的柔性體分為離散式和模態式兩種。離散式柔性體以梁單元方式串接，單元數目越多越能模擬實際變形。這種柔性體可以模擬物體的非線性變形，但只適用于簡單結構;模態式柔性體是由外部有限元軟件生成的，是有網格的物體，能根據物體的實際結構進行復雜建模。由于采用的是模態線性疊加來模擬物體變形，因此模態式柔性體僅適用于線性結構的受力行為。

　　1、ADAMS/FIs柔性體

　　ADtALSFSx采用CJmehod柔性體基本理論和模態疊加合成理論，可以根據不同外力狀態適時反應出正確的變形結果。其基本思想是賦予柔性體一個模態集采用模態展開法，用模態向量和模態坐標的線性組合表示物體的彈性位移，通過計算每一時刻物體的彈性位移來描述其變形運動。物體的彈性變形是相對于物體坐標系的彈性小變形，同時物體坐標系又經歷大的非線性整體移動和轉動。

　　ADASFlex中的柔性體采用有限元模態中性文件（ModalNdcra1Fid;MNF)描述。MNF文件是一個獨立于操作平臺的二進制文件，包含如下信息：幾何信息節點位置及其連接；節點質量和慣量；模態;模態質量和模態剛度。

　　有限元分析結果可以用程序控制生成模態中性文件，更為實用的是使用ADAM與ANSYSNASIRANPDEAS等商業有限元軟件的數據交換接口利用這些軟件進行分析后將結果轉換成模態中性文件。

　　利用有限元軟件建立ADAMS/Flx柔性體，生成模態中性文件（MNF)時應注意以下幾個問題：

　　1)節點數

　　模態中性文件對有限元模型的節點數量沒有限制，數量越多，越能模擬柔性體的變形；但節點數量越多，數據文件就越大，對硬件的要求就越高，計算時間就越長。

　　2)界面點

　　所謂界面點是指柔性體在ADAMS中與模型中的其他元件連接的點，ADAMS中的約束或作用力等邊界條件可以施加在界面點上。在定義界面點時必須注意：

　　a界面點必須是有六個自由度的`節點，每個自由度都對應一個約束模態。如果界面點數目過多，就會導致數據文件過大，計算時間過長；

　　b如果柔性體在ADAMS中施加邊界條件的幾何位置沒有節點（如孔)，則必須在該處定義一個界面節點；

　　9界面點與柔性體其他部分的連接應便于ADAMS中的邊界條件(力、約束）的傳輸。

　　3)模態選擇

　　ADAMS中柔性體的模態是修正的CB模態，分為固定界面主模態和界面約束模態。模態的選擇可以在模態中性文件導入ADAMS后，根據其對動力分析的貢獻進行。

　　4)單位

　　在導入模態中性文件時，ADAMS會自動將有限元分析的單位轉換為仿真時使用的單位。因此，在生成模態中性文件時，必須為有限元分析指定單位，該單位可以與ADAMS中使用的不一致。

　　5)約束

　　柔性體的約束是在ADAMS中添加的，因此為生成模態中性文件而建的有限元模型中不用施加約束。

　　6)剛體模態

　　將柔性體的模態信息讀入ADAMS時，應確保其剛體模態是關閉的。ADAMSFle會自動關閉它認為是剛體模態的模態。

　　2利用ANSYS生成模態中性文件

　　ANSYS是一個多重物理有限元分析軟件，適用于各種復雜的、跨領域的分析設計。ANSYS與ADAMS之間的雙向數據接口可以方便地處理柔性體部件對機械系統運動的影響，并得到基于精確動力學分析結果

　　利用ANSYS生成模態中性文件的過程如下：

　　1)設置單位

　　如果用戶使用的是SICGSBFT或BN四種單位制中的一種，設置單位可使用ANSYS命令：

　　1)建立有限元網格

　　柔性體中除界面點外的其他部分可采用常用的建模方法建立有限元模型。在定義界面點時應注意以下幾個問題：

　�、俳缑纥c的幾何位置必須精確，如果該處沒有節點，則必須在此處建一節點；

　�、诮缑纥c與柔性體其他部位的連接必須恰當，以使界面點的力分布在附近區域上;否則會引起界面節點的嚴重失真變形。常用的方法有：

　　?用質量單元mass21在界面節點處建一質量單元，并賦予該單元一個很小的屬性數據，用約束方程連接界面點處的質量單元與柔性體；

　　?用由多個三維梁單元組成的單元網連接界面節點與柔性體；

　　?用剛性區域（RgidRe&on)處理界面節點；

　�、墼谟邢拊Ｐ椭�，不需要定義結構的邊界條件。

　　2)建立界面點選擇集

　　選擇界面節點，一般使用命令NSL節點數目必須不小于2建立界面點選擇集時應注意界面節點不可過多，因為過多的界面節點會使運算時間增長，且仿真的結果也會不同。

　　3)運行ADAMS宏命令，輸出模態中性文件

　　3在ADAMS/View中使用柔性體

　　在ADAMS/View中使用ADAMS/Flex生成柔性體進行仿真的步驟如下：

　　1)讀入模態中性文件，生成柔性體；

　　2)對柔性體進行校驗，校驗方法有以下三種：

　　a使用mo檢查柔性體的質量、質心位置、慣性矩；

　　b利用ADAMS/Liea糢塊，比較不考慮阻尼效應下柔性體的模態與有限元模型中的模態。具體方法是建立一個只包含柔性體的模型，按照它在系統模型中的狀態與大地約束在一起，運行ADAMS/Linea糢塊并記錄下它的固有模態。將結果與相同約束條件下有限元分析的模態結果進行比較。如果兩組模態相吻合，則柔性體傳輸正確;反之，要對有限元模型進行分析，重新生成MNF文件；

　　c對柔性體進行仿真，并測量節點的靜力變形量或應力值，比較最大靜力變形量應力值與相同約束條件下有限元分析的結果。

　　3)在柔性體上施加約束和作用力，其中應注意以下幾個問題：

　　a可以直接加在柔性體節點上的約束副有:旋轉副、固定副、球副、萬象節副；

　　b其他運動副和運動激勵不能直接加在柔性體節點上，解決方法是在柔性體上附加一個啞物體然后將運動副或運動激勵施加在啞物體上；

　　c如果柔性體是施力物體，則作用力可以直接加加工變形影響的角度來講，其可以忽略不計。在柔性體節點上;反之，可以在柔性體上附加啞物體將作用力施加在該啞物體上。如果柔性體是施力物體，但作用力是用函數表達的，建議采用啞物體施加作用力，這樣可以減少計算量；

　　d啞物體也叫無質量聯接物體是質量和慣性為零（接近零）的物體。啞物體不是零件，不能為模型增加自由度，必須與其他有質量物體固接在一起。生成方法有兩種：

　　構造一個零件，刪除其幾何體，只留下質心標記；

　　構造一個零件，修改其質量和轉動慣量為零；

　　1)對柔性體進行設置。設置內容包括：模態成分、阻尼率、慣性組成、初始條件等；

　　2)調用ADAMS/SOvei進行仿真并觀察仿真結果。

　　4結論

　　利用有限元分析軟件對物體進行建模，劃分網格，生成MNF文件，導入ADAMS生成柔性體。在動力仿真過程中考慮柔性體的自身變形對系統的影響，是全剛體動力分析基礎上的更高一級的分析，分析結果更符合實際，是虛擬樣機技術中的一個關鍵技術。