ADAMS中的柔性體分析研究論文
ADAMS中的柔性體分析研究論文
0 引言
ADAMS是美國MDI公司開發的機械系統動力學模擬分析軟體，其求解器採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體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，但只適用於簡單結構;模態式柔性體是由外部有限元軟體生成的，是有網格的物體，能根據物體的實際結構進行復雜建模。由於採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於線性結構的受力行為。
1、ADAMS/FIs柔性體
ADtALSFSx採用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採用模態展開法，用模態向量和模態座標的線性組合表示物體的彈性位移，透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於物體座標系的彈性小變形，同時物體座標系又經歷大的非線性整體移動和轉動。
ADASFlex中的柔性體採用有限元模態中性檔案（ModalNdcra1Fid;MNF)描述。MNF檔案是一個獨立於操作平臺的二進位制檔案，包含如下資訊：幾何資訊節點位置及其連線；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式控制生成模態中性檔案，更為實用的是使用ADAM與ANSYSNASIRANPDEAS等商業有限元軟體的資料交換介面利用這些軟體進行分析後將結果轉換成模態中性檔案。
利用有限元軟體建立ADAMS/Flx柔性體，生成模態中性檔案（MNF)時應注意以下幾個問題：
1)節點數
模態中性檔案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，資料檔案就越大，對硬體的要求就越高，計算時間就越長。
2)介面點
所謂介面點是指柔性體在ADAMS中與模型中的其他元件連線的點，ADAMS中的約束或作用力等邊界條件可以施加在介面點上。在定義介面點時必須注意：
a介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。如果介面點數目過多，就會導致資料檔案過大，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介面節點；
9介面點與柔性體其他部分的連線應便於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，分為固定介面主模態和介面約束模態。模態的選擇可以在模態中性檔案匯入ADAMS後，根據其對動力分析的貢獻進行。
4)單位
在匯入模態中性檔案時，ADAMS會自動將有限元分析的單位轉換為模擬時使用的單位。因此，在生成模態中性檔案時，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中新增的，因此為生成模態中性檔案而建的有限元模型中不用施加約束。
6)剛體模態
將柔性體的模態資訊讀入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生成模態中性檔案
ANSYS是一個多重物理有限元分析軟體，適用於各種複雜的、跨領域的分析設計。ANSYS與ADAMS之間的雙向資料介面可以方便地處理柔性體部件對機械系統運動的影響，並得到基於精確動力學分析結果
利用ANSYS生成模態中性檔案的過程如下：
1)設定單位
如果使用者使用的是SICGSBFT或BN四種單位制中的一種，設定單位可使用ANSYS命令：
1)建立有限元網格
柔性體中除介面點外的其他部分可採用常用的建模方法建立有限元模型。在定義介面點時應注意以下幾個問題：
①介面點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；
②介面點與柔性體其他部位的連線必須恰當，以使介面點的力分佈在附近區域上;否則會引起介面節點的嚴重失真變形。常用的方法有：
?用質量單元mass21在介面節點處建一質量單元，並賦予該單元一個很小的'屬性資料，用約束方程連線介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線介面節點與柔性體；
?用剛性區域（RgidRe&on)處理介面節點；
③在有限元模型中，不需要定義結構的邊界條件。
2)建立介面點選擇集
選擇介面節點，一般使用命令NSL節點數目必須不小於2建立介面點選擇集時應注意介面節點不可過多，因為過多的介面節點會使運算時間增長，且模擬的結果也會不同。
3)執行ADAMS宏命令，輸出模態中性檔案
3在ADAMS/View中使用柔性體
在ADAMS/View中使用ADAMS/Flex生成柔性體進行模擬的步驟如下：
1)讀入模態中性檔案，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，執行ADAMS/Linea糢塊並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檔案；
c對柔性體進行模擬，並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、永珍節副；
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後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，但作用力是用函式表達的，建議採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)對柔性體進行設定。設定內容包括：模態成分、阻尼率、慣性組成、初始條件等；
2)呼叫ADAMS/SOvei進行模擬並觀察模擬結果。
4結論
利用有限元分析軟體對物體進行建模，劃分網格，生成MNF檔案，匯入ADAMS生成柔性體。在動力模擬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。