ANSYS与ADAMS联合仿真的关键

中性文件的制作在机械系统中，柔性体将会对整个系统的运动产生重要影响，在进行运动学分析时如果不考虑柔性体的影响将会造成很大的误差，同样整个系统的运动情况也反过来决定了每个构件的受力状况和运动状态，从而决定了构件内部的应力应变分布，因此如果要精确地模拟整个系统的运动，考虑柔性体部件对系统运动的影响或者想基于精确的动力学仿真结果，对运动系统中的柔性体进行应力应变分析则需要用到ANSYS与ADAMS两个软件。ADAMS/Flex软件允许在ADAMS模型中根据模态频率数据创建柔性体部件，柔性体部件可能会对机械系统的运动产生重大的影响，在ADAMS模型中考虑柔性体部件的影响会极大地提高仿真精度,而ANSYS程序则提供了一种方便的创建柔性体部件的方法。ANSYS程序在生成柔性体部件的有限元模型之后，利用adams.mac宏命令可以很方便地输出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。利用ansys软件生成中性文件的大致步骤为：进入ANSYS程序，建立柔性体的模型，并选择适当的单元类型来划分单元。在柔性体的转动中心（与刚性体的联接处）必须有节点存在，此节点在ADAMS中将作为外部节点使用，如果在联接处柔性体为空洞，则需在此处创建一节点,并使用刚性区域处理此节点（外部节点）与其周围的节点。选择外部节点,运行ANSYS程序的宏命令ADAMS生成ADAMS程序所需要的模态中性文件(jobname.mnf)。下面将详细介绍利用ansys软件生成中性文件的过程。一、前期准备工作1、建立零件的三维模型并通过proe2.0与ansys10.0之间的接口将模型导入到ansys中。2、明确该零件的材料属性，确定单元类型和实常数。3、明确该零件在装配图中与其他零件的接触关系，为此后确定外连接点的坐标及刚性区域做好准备。二、建立中性文件的详细步骤1、进行单元类型定义，实体可选solid45,质量单元选择mass21；GUI操作如下：preprocessor——elementtype——add/edit/delete——add——solid——Brick8node45（添加实体单元），其下面的Elementtypereferencenumber自动显示为“1”——apply——StructuralMass——3Dmass21（添加质量单元）。注：若无特殊要求，通常我们为实体所添加的单元均为线性的八节点的六面体单元，若采用非线性的中间带节点的四面体单元，其具有二次位移，适用于模拟不规则网格。六面体单元和带中间节点的四面体单元的计算精度都是很高的，他们的区别在于：一个六面体单元只有8个节点，计算规模小，但是复杂的结构很难划分出好的六面体单元，带中间节点的四面体单元恰好相反，不管结构多么复杂，总能轻易地划分出四面体，但是，由于每个单元有10个节点，总节点数比较多，计算量会增大很多，造成不必要的计算机资源的浪费。2、编辑mass21质量单元，即给mass21质量单元设置实常数；防止求解时质量矩阵奇异GUI操作如下：preprocessor——realconstants——add/edit/delete——add——选择mass21单元——OK——在对话框中填写属性，一般要很小的数值，如1e-5,1e-6等，如图2-1所示；图2-13、设置材料特性，要求有弹性模量，泊松比，密度这些参数，以42CrMo材料为例，弹性模量为2.12105Mpa，泊松比为0.28，密度为7.85103Kg/m3，虽然在ANSYS中没有规定单位，但是需要用户自己去定义自己的单位制，这就会涉及到单位统一的问题。另外单位的选取要考虑计算结果分析的方便性，在工程实际应用中，多以N,mm,kg，s作单位，这样做的好处是省掉了仿真结果单位换算的麻烦，这样的单位足以反映实际工程的需要，因此本例中在向ansys输入材料特性时一定要以弹性模量为2.12105Mpa，泊松比为0.28，密度为7.8510-6Kg/mm3为准，统一单位这点很重要，否则仿真得出的结果将与实际的结果有很大的差距。一定要注意！！！！GUI操作如下：preprocessor——MaterialProps——MaterialModels——双击Structural——双击Linear——双击Elastic——双击Esotropic，在对话框中填写材料特性，如图2-2所示——OK——双击Density，在对话框中填写材料密度，如图2-3所示——OK——Material——Exit，完成材料特定的输入；；图2-2图2-34、使用solid45单元对三维模型进行网格划分；GUI操作如下：preprocessor——MeshAttributes——AllVolumes,为实体模型分配属性——MeshTool，弹出ANSYS的网格工具栏，如图2-4所示，在这个工具栏，几乎包含了所有划分网格的功能。使用智能网格选项，选中SmartSizing复选框，将网格精度级别设置为“6”，确认网格划分对象为体——Volumes，网格类型为四面体—Tet，自由划分方式—Free。单击网格工具中的Mesh按钮，弹出拾取对话框，单击拾取对话框中的PickAll按钮，完成网格划分并关闭拾取对话框，得到划分网格后的几何模型。说明：（1）根据零件的复杂程度，划分网格时网格精度一般定为3—8级，网格精度过高则造成不必要地浪费计算机资源，而网格精度过低，仿真所得到的结果一般不会满足精度；（2）如果所要分析的零件结构不是很复杂，划分网格时可以考虑除了智能划分之外的其他划分方法，但是如果零件的内部结构很复杂，人为是很难划分的，只能采用智能网格划分方法。图2-4网格工具栏5、建立keypoints，此处注意，创建的keypoints的编号不能与模型单元的节点号重合，否则会引起原来的模型变形，因此在建立关键点之前应该通过进行List/keypoints/coordinatesonly操作查看一下目前模型中已存在的关键点的编号；建立keypoints的GUI操作如下：preprocessor——modeling——create——keypoints——inactiveCs在对话框中输入所建关键点的编号及坐标,如图2-5所示——OK；图2-5说明：此处建立的关键点叫做外部节点，外部节点是ADAMS软件中的名词,在ANSYS程序中即指柔性体与刚性体连结位置处的节点，用于在ADAMS所进行的运动学分析中连结柔性体与刚性体。一般来讲，一个关节位置只使用一个节点作为外部节点，如果柔性体的连结部位处为空心，则需在连结处创建一个节点作为外部节点，外部节点与其周围的柔性体节点一般使用刚性区域来定义。运行ADAMS宏之前只选择将作为外部节点使用的节点，在运行宏命令ADAMS之前只选择作为外部节点的节点，因为ADAMS宏会将此时选择的节点作为外部节点处理，因而此选择步骤不可缺少。6、选择mass21单元对5中建立的keypoints进行网格划分，建立起interfacenodes，在导入adams后这些interfacenodes会自动生成mark点，通过这些点和其他刚体或柔体建立连接；本步骤的GUI操作与实体网格的划分基本相同，只是应在开始时把为实体分配属性改为为关键点分配属性和把网格划分对象由Volumes改为keypoints即可；网格划分之后应该查看下当前有限元模型中的节点编号，处于后面的几个节点则是由我们刚刚建立的keypoints生成的，记下刚刚生成的节点编号，为此后建立刚性区域提供方便。7、建立刚性区域（在ADAMS中作为和外界连接的不变形区域，必不可少的）；GUI操作如下：preprocessor——coupling/ceqn——rigidregion,选择——先选择interfacenode，单击Apply，再选interfacenodes附近的区域的nodes与其相连，由于连接点的数目必须大于或等于2，所以刚性区域至少两个，所建立的刚性区域如图2-6所示；图2-6建立刚性区域的具体步骤（以一个空心圆柱为例，并假设其内表面为与其他零件的接触表面，并且全部接触）：1、在有空洞的地方建立一个关键点。2、对实体进行网格划分，后对刚建的的关键点用mass21单元进行网格划分。通常list/node最后面的是该关键点划分后的node点，只有一个，模型如图2-7所示。图2-73、完成后，选择select/everything----entities后弹出对话框，进行如图2-8所示的操作，单击ok，出现选取面的对话框，选择我们所需要的曲面，如果知道该面的编号则可以直接输入编号选取，否则直接点取即可。图2-8，得到图2-9：图2-9单击ok，之后点击plot/areas，即显示我们已经选择到的面，得到图2-10：图2-104、select/entities后弹出，按照如图2-11操作，即选择依附于第三步中选择到的面上的节点，点ok。图2-11之后点击plot/nodes，即显示我们已经选择到的节点，得到图2-12：图2-125、选择第一步建立的关键点网格划分后的节点，即interfacenodes，操作如图2-13所示。图2-13点击Ok，之后点击plot/nodes，即显示目前我们已经选择到的节点，包括interfacenodes和其周围的节点。6、preprocessor——coupling/ceqn——rigidregion,出现选取对话框，此时先用single选择interfacenodes，点apply，在用box选择周围面上的节点，圈选中如果包括interfacenodes，必须通过unpick/single操作把改点去掉，点ok，最后便形成刚性面，如图2-14所示。图2-14注意：上例中假设该接触面全部接触，若假设接触面不完全接触或接触不连续，则当选择interfacenodes周围的节点时必须在第四步与第五步之间插入如图2-15所示的必要操作。图2-15说明：“Xcoordinates，Ycoordinates，Zcoordinates”的选择是根据具体情况而定，是指所选择的面是在哪个坐标轴上不连续，“Min，Max”一项需要填入实际接触的起始坐标。8、生成中性文件GUI操作如下：执行solution——ADAMSconnection——ExporttoADAMS命令，要选择的节点为7中建立刚性区域的节点（仅仅是interfacenodes），点击ok按钮后，弹出输出MNF文件对话框，填写该对话框时可参照下文的说明，即可生成*.mnf文件。说明：（1）SystemofModelUnits：在下拉列表中选择相应的单位，如果没有用户需要的单位，可以选择USERdefined项，然后在用户自定义单位对话框中输出不同单位间转化时的系数，也可以在Ansys的命令输入行中输入如下的命令“/UNITS,USER,L,M,T,F”,其中L、M、T和F分别为长度、质量、时间和力的单位转化系数，通常选择USERdefined项，之后出来个DefineUserUnit对话框，在LengthFactor栏中输入1000，其他不变。说明：为了与ADAMS中的单位统一，在向ansys输入材料特性时，应当将个参数设置为（以42CrMo材料为例）：弹性模量为2.12105Mpa（注：1Mpa=1N/mm2）、泊松比为0.28、密度为7.8510-6Kg/mm3。这种设置默认的单位是mm、N、kg、s，但是值得注意的是弹性模量的单位是1MPa=1N/mm2,我们在转换的时候只考虑了将m转化为了mm,而忽略了N这个单位，他其实与m也有关系，所以在生成中性文件时还应该在长度单位栏中填写1000作为转化系数。（2）Eigenmode