ADAMS 柔性體運動仿真分析及運用焦廣發，周蘭英（北京理工大學機械與車輛工程學院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,并構建機械系統仿真模型.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全稱是機械系統自動動力學分析軟件,它是目前世界范圍內最廣泛使用的多體基金項目：北京市重點學科建設（XK100070424）；北京理工大學基金（0303E10）作者簡介：焦廣發（1982），男，河北人，碩士，主要研究方向為動力學仿真，有限元分析和表面涂層技術.系統仿真分析軟件,其建模仿真的精度和可靠性在現在所有的動力學分析軟件中也名列前茅.機械系統動力學仿真分析是機械設計的重要內容,過去分析時建立的模型,其構件都是屬于剛體,在作運動分析時不會發生彈性變形.而實際上,在較大載荷或加、減速的情況下,機構受力后會有較大的變形和位移變化,產生振動.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動作時的動態行為,同時還可以分析構件的振動情況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系的彈性小變形,同時物體坐標系又是經歷大的非線性整體移動和轉動這個假設建立的.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點自由度來表示物體的無限多個自由度的.這些單元結點的彈性變形可近似地用少量模態的線性組合來表示.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；對于外形復雜的構件,可以采用先建剛性件, 再進行網格劃分的模式, 即構件網格模式(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中性文件,該模態中性文件中包含了柔性件的質量、質心、轉動慣量、頻率、振型以及對載荷的參數因子等信息.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,從而實現柔性構件的運動仿真運算. 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中創建的,也可以是從其他CAD軟件中導入的模型.這種方法首先要定義柔性件的附著點,即柔性件與其它構件的連接點.定義好附著點后,需要在附著點的附近的網格結點上選取適當數量結點作為力的作用點,作用點的數量和位置根據模型精度的需要來選取.最后,將選取的結點轉換成ADAMS 的標識ID后,就可以生成模態中性文件.用這種方法與拉伸法相比,拉伸法創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)導入有限元模型的網格文件創建柔性體：在ADAMS/AutoFlex的Flexbody中選擇Import mesh項，然后輸入網格文件名，最后定義網格的材料屬性，殼單元的厚度和計算的模態數，就可以導入柔性體，但是應用范圍很小，只能輸入Natran的bdf網格文件和I-DEAS的universal網格文件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的應力應變分析結果,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運動的影響,并得到基于精確動力學仿真結果的應力應變分析結果,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方式, 并給系統施加必要的外載后即可進行系統的動力學仿真3.二、實例分析本文主要應用ADAMS提供的幾何外形法生成柔性體.1.應用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，結構如圖：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.導入ADAMS中，并定義各部件的材料屬性，同時ADAMS自動計算出轉動慣量和質量.對各個部件進行約束.在這里對結構進行了簡化，忽略了電學的干擾，只考慮機械結構之間的相互關系.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置為啞物體，并對部分構件設為透明如圖2所示.經簡化后，在旋轉副上加正弦驅動力來模擬電磁鐵產生的吸附力，驅動力為9.5d *sin(1200* time)，再進行仿真.設置仿真時間為0.015s,步長為0.000025s,由于動簧片為剛性體，當觸頭與動簧片接觸時就會發生錯誤，當時間步長足夠小時，也會發生穿透現象.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.把關鍵部件改變為柔性體。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，所以要發生變形，當把動簧片設為剛性體時，是不能發生變形的，不符合實際，也是為什么發生錯誤的原因，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)設置仿真步長為0.000025s仿真時間為0.015s，仿真，結果如圖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，沒有發生穿透現象，動簧片也發生了變形，當時間足夠小時，改變驅動力的頻率，可以發現當動簧片與動合（斷）靜簧片接觸時發生了回彈跳動，哈爾濱工業大學在這方面作了相關的分析，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，我們關心的是它的壽命情況，主要是因為在特殊環境下，有些關鍵零部件會發生磨損，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時間內發生了兩次碰撞，而且每次都有回跳現象，而且對于繼電器而言，應該存在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，因此可以推斷出當動簧片與動合靜簧片接觸時動簧片產生了側傾，導致接觸時產生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，當觸頭與動簧片接觸時發生彈跳現象，而且發生很多次，第一次接觸時作用力很小，但是第二次作用力就很大，而且當觸頭返回時，動簧片還要回彈與觸頭發生再次碰撞，在這里會產生電弧，破壞了接觸面的光潔性，導致磨損，關于這方面正在進一步的研究中.三、結論 本文