ADAMS中的柔性體分析研究論文
0 引言
ADAMS是美國MDI公司開發(fā)的機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)仿真分析軟件，其求解器采用多剛體動力學(xué)理論中的拉格朗日方程方法，建立系統(tǒng)動力學(xué)方程，對虛擬機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行靜力學(xué)、運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)分析，輸出位移、速度、加速度和反作用力曲線。
對系統(tǒng)動力分析而言，結(jié)構(gòu)本身的彈性變形與系統(tǒng)的宏觀剛體運(yùn)動同等重要。ADAMS中的所有物體均以剛體定義，忽略結(jié)構(gòu)柔度對系統(tǒng)的影響，一般的有限元分析軟件對包含大位移運(yùn)動的系統(tǒng)動力學(xué)分析又無能為力，因此在ADAMS中實(shí)現(xiàn)剛體和柔體相結(jié)合的系統(tǒng)動力學(xué)分析是一個(gè)較可行的解決方法。1996年，ADAMS推出ADAMS/Flex莫塊，實(shí)現(xiàn)了同時(shí)包含剛體和柔體的機(jī)構(gòu)動力學(xué)分析。
ADAMS中的柔性體分為離散式和模態(tài)式兩種。離散式柔性體以梁單元方式串接，單元數(shù)目越多越能模擬實(shí)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(jié)構(gòu);模態(tài)式柔性體是由外部有限元軟件生成的，是有網(wǎng)格的物體，能根據(jù)物體的實(shí)際結(jié)構(gòu)進(jìn)行復(fù)雜建模。由于采用的是模態(tài)線性疊加來模擬物體變形，因此模態(tài)式柔性體僅適用于線性結(jié)構(gòu)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(tài)疊加合成理論，可以根據(jù)不同外力狀態(tài)適時(shí)反應(yīng)出正確的變形結(jié)果。其基本思想是賦予柔性體一個(gè)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)的線性組合表示物體的彈性位移，通過計(jì)算每一時(shí)刻物體的彈性位移來描述其變形運(yùn)動。物體的彈性變形是相對于物體坐標(biāo)系的彈性小變形，同時(shí)物體坐標(biāo)系又經(jīng)歷大的非線性整體移動和轉(zhuǎn)動。
ADASFlex中的柔性體采用有限元模態(tài)中性文件（ModalNdcra1Fid;MNF)描述。MNF文件是一個(gè)獨(dú)立于操作平臺的二進(jìn)制文件，包含如下信息：幾何信息節(jié)點(diǎn)位置及其連接；節(jié)點(diǎn)質(zhì)量和慣量；模態(tài);模態(tài)質(zhì)量和模態(tài)剛度。
有限元分析結(jié)果可以用程序控制生成模態(tài)中性文件，更為實(shí)用的是使用ADAM與ANSYSNASIRANPDEAS等商業(yè)有限元軟件的數(shù)據(jù)交換接口利用這些軟件進(jìn)行分析后將結(jié)果轉(zhuǎn)換成模態(tài)中性文件。
利用有限元軟件建立ADAMS/Flx柔性體，生成模態(tài)中性文件（MNF)時(shí)應(yīng)注意以下幾個(gè)問題：
1)節(jié)點(diǎn)數(shù)
模態(tài)中性文件對有限元模型的節(jié)點(diǎn)數(shù)量沒有限制，數(shù)量越多，越能模擬柔性體的變形；但節(jié)點(diǎn)數(shù)量越多，數(shù)據(jù)文件就越大，對硬件的要求就越高，計(jì)算時(shí)間就越長。
2)界面點(diǎn)
所謂界面點(diǎn)是指柔性體在ADAMS中與模型中的其他元件連接的點(diǎn)，ADAMS中的約束或作用力等邊界條件可以施加在界面點(diǎn)上。在定義界面點(diǎn)時(shí)必須注意：
a界面點(diǎn)必須是有六個(gè)自由度的節(jié)點(diǎn)，每個(gè)自由度都對應(yīng)一個(gè)約束模態(tài)。如果界面點(diǎn)數(shù)目過多，就會導(dǎo)致數(shù)據(jù)文件過大，計(jì)算時(shí)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(jié)點(diǎn)（如孔)，則必須在該處定義一個(gè)界面節(jié)點(diǎn)；
9界面點(diǎn)與柔性體其他部分的連接應(yīng)便于ADAMS中的邊界條件(力、約束）的傳輸。
3)模態(tài)選擇
ADAMS中柔性體的模態(tài)是修正的CB模態(tài)，分為固定界面主模態(tài)和界面約束模態(tài)。模態(tài)的選擇可以在模態(tài)中性文件導(dǎo)入ADAMS后，根據(jù)其對動力分析的貢獻(xiàn)進(jìn)行。
4)單位
在導(dǎo)入模態(tài)中性文件時(shí)，ADAMS會自動將有限元分析的單位轉(zhuǎn)換為仿真時(shí)使用的單位。因此，在生成模態(tài)中性文件時(shí)，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(tài)中性文件而建的有限元模型中不用施加約束。
6)剛體模態(tài)
將柔性體的模態(tài)信息讀入ADAMS時(shí)，應(yīng)確保其剛體模態(tài)是關(guān)閉的。ADAMSFle會自動關(guān)閉它認(rèn)為是剛體模態(tài)的模態(tài)。
2利用ANSYS生成模態(tài)中性文件
ANSYS是一個(gè)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(jì)。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(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動的影響，并得到基于精確動力學(xué)分析結(jié)果
利用ANSYS生成模態(tài)中性文件的過程如下：
1)設(shè)置單位
如果用戶使用的是SICGSBFT或BN四種單位制中的一種，設(shè)置單位可使用ANSYS命令：
1)建立有限元網(wǎng)格
柔性體中除界面點(diǎn)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(diǎn)時(shí)應(yīng)注意以下幾個(gè)問題：
①界面點(diǎn)的幾何位置必須精確，如果該處沒有節(jié)點(diǎn)，則必須在此處建一節(jié)點(diǎn)；
②界面點(diǎn)與柔性體其他部位的連接必須恰當(dāng)，以使界面點(diǎn)的力分布在附近區(qū)域上;否則會引起界面節(jié)點(diǎn)的嚴(yán)重失真變形。常用的方法有：
?用質(zhì)量單元mass21在界面節(jié)點(diǎn)處建一質(zhì)量單元，并賦予該單元一個(gè)很小的'屬性數(shù)據(jù)，用約束方程連接界面點(diǎn)處的質(zhì)量單元與柔性體；
?用由多個(gè)三維梁單元組成的單元網(wǎng)連接界面節(jié)點(diǎn)與柔性體；
?用剛性區(qū)域（RgidRe&on)處理界面節(jié)點(diǎn)；
③在有限元模型中，不需要定義結(jié)構(gòu)的邊界條件。
2)建立界面點(diǎn)選擇集
選擇界面節(jié)點(diǎn)，一般使用命令NSL節(jié)點(diǎn)數(shù)目必須不小于2建立界面點(diǎn)選擇集時(shí)應(yīng)注意界面節(jié)點(diǎn)不可過多，因?yàn)檫^多的界面節(jié)點(diǎn)會使運(yùn)算時(shí)間增長，且仿真的結(jié)果也會不同。
3)運(yùn)行ADAMS宏命令，輸出模態(tài)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(jìn)行仿真的步驟如下：
1)讀入模態(tài)中性文件，生成柔性體；
2)對柔性體進(jìn)行校驗(yàn)，校驗(yàn)方法有以下三種：
a使用mo檢查柔性體的質(zhì)量、質(zhì)心位置、慣性矩；
b利用ADAMS/Liea糢塊，比較不考慮阻尼效應(yīng)下柔性體的模態(tài)與有限元模型中的模態(tài)。具體方法是建立一個(gè)只包含柔性體的模型，按照它在系統(tǒng)模型中的狀態(tài)與大地約束在一起，運(yùn)行ADAMS/Linea糢塊并記錄下它的固有模態(tài)。將結(jié)果與相同約束條件下有限元分析的模態(tài)結(jié)果進(jìn)行比較。如果兩組模態(tài)相吻合，則柔性體傳輸正確;反之，要對有限元模型進(jìn)行分析，重新生成MNF文件；
c對柔性體進(jìn)行仿真，并測量節(jié)點(diǎn)的靜力變形量或應(yīng)力值，比較最大靜力變形量應(yīng)力值與相同約束條件下有限元分析的結(jié)果。
3)在柔性體上施加約束和作用力，其中應(yīng)注意以下幾個(gè)問題：
a可以直接加在柔性體節(jié)點(diǎn)上的約束副有:旋轉(zhuǎn)副、固定副、球副、萬象節(jié)副；
b其他運(yùn)動副和運(yùn)動激勵不能直接加在柔性體節(jié)點(diǎn)上，解決方法是在柔性體上附加一個(gè)啞物體然后將運(yùn)動副或運(yùn)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(jì)。在柔性體節(jié)點(diǎn)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(shù)表達(dá)的，建議采用啞物體施加作用力，這樣可以減少計(jì)算量；
d啞物體也叫無質(zhì)量聯(lián)接物體是質(zhì)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(zhì)量物體固接在一起。生成方法有兩種：
構(gòu)造一個(gè)零件，刪除其幾何體，只留下質(zhì)心標(biāo)記；
構(gòu)造一個(gè)零件，修改其質(zhì)量和轉(zhuǎn)動慣量為零；
1)對柔性體進(jìn)行設(shè)置。設(shè)置內(nèi)容包括：模態(tài)成分、阻尼率、慣性組成、初始條件等；
2)調(diào)用ADAMS/SOvei進(jìn)行仿真并觀察仿真結(jié)果。
4結(jié)論
利用有限元分析軟件對物體進(jìn)行建模，劃分網(wǎng)格，生成MNF文件，導(dǎo)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(tǒng)的影響，是全剛體動力分析基礎(chǔ)上的更高一級的分析，分析結(jié)果更符合實(shí)際，是虛擬樣機(jī)技術(shù)中的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。
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