ADAMS柔性体运动仿真分析及运用

ADAMS柔性体运动仿真分析及运用焦广发，周兰英（北京理工大学机械与车辆工程学院100081）摘要介绍了ADAMS柔性体基本理论及在ADAMS中生成柔性体的几种方法,并构建机械系统仿真模型.通过一个实例验证了ADAMS柔性体运动仿真分析的实效.关键词:ADAMS柔性体运动仿真继电器ApplicationofADAMSflexiblebodykineticsimulationJiaoguangfaZhoulanying(Beijinginstituteoftechnology,schoolofmechanicalandvehicularengineering,Beijing100081)AbstractIntroducedthebasictheoryofADAMSflexiblebodyandsomemethodsofaddingflexiblebodiestoamodeltostudythedynamiccharacteristicsofthemechanicalsystem1,constructedmechanicalsystemsimulationmodel1TestedthevalidityoftheADAMSflexiblekinematicalsimulationthroughanexample1.Keywords:ADAMSFlexiblebodyKineticsimulationrelayADAMS全称是机械系统自动动力学分析软件,它是目前世界范围内最广泛使用的多体1系统仿真分析软件,其建模仿真的精度和可靠性在现在所有的动力学分析软件中也名列前茅.机械系统动力学仿真分析是机械设计的重要内容,过去分析时建立的模型,其构件都是属于刚体,在作运动分析时不会发生弹性变形.而实际上,在较大载荷或加、减速的情况下,机构受力后会有较大的变形和位移变化,产生振动.ADAMS的分析对象主要是多刚体,但ADAMS提供了柔性体模块,运用该模块可以实现柔性体运动仿真分析,以弹性体代换刚体,可以更真实地模拟出机构动作时的动态行为,同时还可以分析构件的振动情况[1].一、ADAMS柔性体理论及生成柔性体的几种方法ADAMS柔性模块是采用模态来表示物体弹性的,它基于物体的弹性变形是相对于连接物体坐标系的弹性小变形,同时物体坐标系又是经历大的非线性整体移动和转动这个假设建立的.其基本基金项目：北京市重点学科建设（XK100070424）；北京理工大学基金（0303E10）作者简介：焦广发（1982—），男，河北人，硕士，主要研究方向为动力学仿真，有限元分析和表面涂层技术.思想是赋予柔性体一个模态集,采用模态展开法,用模态向量和模态坐标的线性组合来表示弹性位移,通过计算每一时刻物体的弹性位移来描述其变形运动.ADAMS柔性模块中的柔性体是用离散化的若干个单元的有限个结点自由度来表示物体的无限多个自由度的.这些单元结点的弹性变形可近似地用少量模态的线性组合来表示.ADAMS提供了四种生成柔性体的方法,对于外形简单的构件,可以采用直接生成柔性件的方法,即拉伸模式；对于外形复杂的构件,可以采用先建刚性件,再进行网格划分的模式,即构件网格模式(Solid).1)拉伸法生成柔性体:首先要确定拉伸中心线,再定义截面半径、单元尺寸、材料属性等,最后定义好柔性体跟其它构件的连接点即外连点,就可以生成柔性体.模型生成柔性件的同时生成模态中性文件,该模态中性文件中包含了柔性件的质量、质心、转动惯量、频率、振型以及对载荷的参数因子等信息.将模型中原有的刚体件上的运动副修改在柔性件上,使柔性件与模型上的其它构件连接起来,同时删除无效的刚性件.这样可以使模型保持原有的自由度,从而实现柔性构件的运动仿真运算.2)几何外形法生成柔性体:这种方法是将几何体的外形所占用的空间进行有限元离散化,几何体既可以是在ADAMS/View中创建的,也可以是从其他CAD软件中导入的模型.这种方法首先要定义柔性件的附着点,即柔性件与其它构件的连接点.定义好附着点后,需要在附着点的附近的网格结点上选取适当数量结点作为力的作用点,作用点的数量和位置根据模型精度的需要来选取.最后,将选取的结点转换成ADAMS的标识ID后,就可以生成模态中性文件.用这种方法与拉伸法相比,拉伸法创建的柔性体是六面体单元,而几何外形法生成的柔性体是四面体单元.一般来说六面体单元要比四面体单元要好些.3)导入有限元模型的网格文件创建柔性体：在ADAMS/AutoFlex的Flexbody中选择Importmesh项，然后输入网格文件名，最后定义网格的材料属性，壳单元的厚度和计算的模态数，就可以导入柔性体，但是应用范围很小，只能输入Natran的bdf网格文件和I-DEAS的universal网格文件[2].4）利用ANSYS的宏命令生成ADAMS柔性体：ANSYS是一个多重物理有限元分析软件,适用于各种复杂的、跨领域的分析设计.ANSYS与ADAMS之间的双向数据接口可以方便地处理柔性体部件对机械系统运动的影响,并得到基于精确动力学分析结果的应力应变分析结果,从而提高分析水平.通过ADAMS软件与ANSYS软件之间的接口,可以很方便的考虑柔性体部件对机械系统运动的影响,并得到基于精确动力学仿真结果的应力应变分析结果,提高分析精度.ANSYS程序在生成柔性体部件的有限元模型之后,利用ADAMS宏命令可以很方便地输ADAMS软件所需要的模态中性文件Jobname.mnf此文件包含了ADAMS中柔性体的所有信息.在ADAMS软件中直接读入此文件即可看到柔性体部件的模型,指定好柔性体与其它部件的连结方式,并给系统施加必要的外载后即可进行系统的动力学仿真[3].二、实例分析本文主要应用ADAMS提供的几何外形法生成柔性体.1.应用solidworks软件建立继电器三维实体模型，模型由衔铁、顶支架、底支架、触头、动簧片、动断静簧片、动何静簧片等组成，在建立模型过程中，对模型作了简化，省略了线圈、磁铁等部件，结构如图：1.顶支架2.动簧片3.动断静簧片4.触头5.动簧片6.动合静簧片7.衔铁8.挡圈9.底支架图1三维软件模型2.建立模型后，生成Parasolid格式，保存于ADAMS的工作目录下.3.导入ADAMS中，并定义各部件的材料属性，同时ADAMS自动计算出转动惯量和质量.对各个部件进行约束.在这里对结构进行了简化，忽略了电学的干扰，只考虑机械结构之间的相互关系.首先用固定副把顶支架和底支架与大地固定在一起，然后固定动簧片，动断静簧片，动合静簧片，还要把触头与衔铁固定在一起，最后在衔铁与底支架之间施加旋转副，由于触头与动簧片接触，动合静簧片，动断静簧片之间也产生接触力，因此在这些部件之间也要定义接触.因为这次主要是为了验证柔性体的仿真，忽略了电磁学问题，同时也可忽略掉顶支架和底支架，因此把顶支架和底支架设置为哑物体，并对部分构件设为透明如图2所示.经简化后，在旋转副上加正弦驱动力来模拟电磁铁产生的吸附力，驱动力为9.5d*sin(1200*time)，再进行仿真.设置仿真时间为0.015s,步长为0.000025s,由于动簧片为刚性体，当触头与动簧片接触时就会发生错误，当时间步长足够小时，也会发生穿透现象.1.衔铁2.动簧片3.动合静簧片4.动断静簧片5.触头6.衔铁7.底支架图2简化后的模型4.把关键部件改变为柔性体。对于这个继电器模型而言，衔铁带动触头推动动簧片与动断静簧片分离，同时动簧片与动合静簧片接触接触，由于动簧片要与动合静簧片接触，所以要发生变形，当把动簧片设为刚性体时，是不能发生变形的，不符合实际，也是为什么发生错误的原因，因此要把动簧片替换为柔性体，而在这个模型中，顶支架与底支架，动断静簧片，动合静簧片几乎没有发生生什么变形，所以把这几个部件看为刚性体，然后进行分析.本文采用几何外形法生成柔性体.1）加载ADAMS/AutoFlex模块；2）计算动簧片的mnf文件；3）用生成的柔性体替换原来的动簧片刚性体，并删除原来的刚性体；4）添加约束，固定柔性体；5)创建两个哑物体，并把哑物体与柔性体固定，哑物体固定在动簧片与动断静簧片动合静簧片接触处，因为刚性体不能与柔性体定义接触，所以建立哑物体用来定义接触；6）定义触头与哑物体的接触；7)设置仿真步长为0.000025s仿真时间为0.015s，仿真，结果如图3所示：1.底支架2.动合静簧片3.动簧片4.动断静簧片5.触头6.衔铁图3(a)1.衔铁2.动簧片3.动合静簧片4.动断静簧片5.触头6.底支架图3(b)图3替换为柔性体后模型的变形情况在仿真过程中，没有发生穿透现象，动簧片也发生了变形，当时间足够小时，改变驱动力的频率，可以发现当动簧片与动合（断）静簧片接触时发生了回弹跳动，哈尔滨工业大学在这方面作了相关的分析，因此符合实际情况.5.分析仿真曲线对于本次研究的继电器模型，我们关心的是它的寿命情况，主要是因为在特殊环境下，有些关键零部件会发生磨损，影响继电器的正常工作，因此要分析继电器簧片的应力情况和受力情况如图4所示：(a)动簧片与动合静簧片接触X向受力图(b)动簧片与动合静簧片接触Y向受力图(c)动簧片与动合静簧片接触Z向受力图(d)动簧片与动何静簧片接触合力图图4动簧片与动合静簧片接触力图从图4中可以看出，在0.015s时间内发生了两次碰撞，而且每次都有回跳现象，而且对于继电器而言，应该存在X与Y方向的力，而从图4(c)中可以看出，存在Z方向的分力，因此可以推断出当动簧片与动合静簧片接触时动簧片产生了侧倾，导致接触时产生Z方向的奋力.对于触头与动簧片的接触作用力如图5所示：(a)触头与动簧片接触X方向作用力图(b)触头与动簧片接触Y方向作用力图(c)触头与动簧片接触Z方向作用力图(d)触头与动簧片接触合力图图5触头与动簧片接触力图从图5可以看出，当触头与动簧片接触时发生弹跳现象，而且发生很多次，第一次接触时作用力很小，但是第二次作用力就很大，而且当触头返回时，动簧片还要回弹与触头发生再次碰撞，在这里会产生电弧，，破坏了接触面的光洁性，导致磨损，关于这方面正在进一步的研究中.三、结论本文以继电器为例，经过简化处理，利用ADAMS软件分析了柔性体的生成方法，经过仿真，并分析了当部件为柔性体时，仿真比较符合实际情况，同时为进一步研究为什么发生磨损问题提供了仿真依据.参考文献[1]刘俊，林砺宗等.ADAMS柔性体运动仿真分析研究及运用.现代制造工程，2004，（5）[2]李军等.ADAMS实例教程.北京：北京理工大学出版社，2002[3]李增刚.ADAMS入门详解与实例.北京：国防工业出版社，2006,(4)