ADAMS中的柔性体分析研究

　　0 引言

　　ADAMS是美国MDI公司开发的机械系统动力学仿真分析软件，其求解器采用多刚体动力学理论中的拉格朗日方程方法，建立系统动力学方程，对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析，输出位移、速度、加速度和反作用力曲线。

　　对系统动力分析而言，结构本身的弹性变形与系统的宏观刚体运动同等重要。ADAMS中的所有物体均以刚体定义，忽略结构柔度对系统的影响，一般的有限元分析软件对包含大位移运动的系统动力学分析又无能为力，因此在ADAMS中实现刚体和柔体相结合的系统动力学分析是一个较可行的解决方法。1996年，ADAMS推出ADAMS/Flex莫块，实现了同时包含刚体和柔体的机构动力学分析。

　　ADAMS中的柔性体分为离散式和模态式两种。离散式柔性体以梁单元方式串接，单元数目越多越能模拟实际变形。这种柔性体可以模拟物体的非线性变形，但只适用于简单结构;模态式柔性体是由外部有限元软件生成的，是有网格的物体，能根据物体的实际结构进行复杂建模。由于采用的是模态线性叠加来模拟物体变形，因此模态式柔性体仅适用于线性结构的受力行为。

　　1、ADAMS/FIs柔性体

　　ADtALSFSx采用CJmehod柔性体基本理论和模态叠加合成理论，可以根据不同外力状态适时反应出正确的变形结果。其基本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表示物体的弹性位移，通过计算每一时刻物体的弹性位移来描述其变形运动。物体的弹性变形是相对于物体坐标系的弹性小变形，同时物体坐标系又经历大的非线性整体移动和转动。

　　ADASFlex中的柔性体采用有限元模态中性文件（ModalNdcra1Fid;MNF)描述。MNF文件是一个独立于操作平台的二进制文件，包含如下信息：几何信息节点位置及其连接；节点质量和惯量；模态;模态质量和模态刚度。

　　有限元分析结果可以用程序控制生成模态中性文件，更为实用的是使用ADAM与ANSYSNASIRANPDEAS等商业有限元软件的数据交换接口利用这些软件进行分析后将结果转换成模态中性文件。

　　利用有限元软件建立ADAMS/Flx柔性体，生成模态中性文件（MNF)时应注意以下几个问题：

　　1)节点数

　　模态中性文件对有限元模型的节点数量没有限制，数量越多，越能模拟柔性体的变形；但节点数量越多，数据文件就越大，对硬件的要求就越高，计算时间就越长。

　　2)界面点

　　所谓界面点是指柔性体在ADAMS中与模型中的其他元件连接的点，ADAMS中的约束或作用力等边界条件可以施加在界面点上。在定义界面点时必须注意：

　　a界面点必须是有六个自由度的节点，每个自由度都对应一个约束模态。如果界面点数目过多，就会导致数据文件过大，计算时间过长；

　　b如果柔性体在ADAMS中施加边界条件的几何位置没有节点（如孔)，则必须在该处定义一个界面节点；

　　9界面点与柔性体其他部分的连接应便于ADAMS中的边界条件(力、约束）的传输。

　　3)模态选择

　　ADAMS中柔性体的模态是修正的CB模态，分为固定界面主模态和界面约束模态。模态的选择可以在模态中性文件导入ADAMS后，根据其对动力分析的贡献进行。

　　4)单位

　　在导入模态中性文件时，ADAMS会自动将有限元分析的单位转换为仿真时使用的单位。因此，在生成模态中性文件时，必须为有限元分析指定单位，该单位可以与ADAMS中使用的不一致。

　　5)约束

　　柔性体的约束是在ADAMS中添加的，因此为生成模态中性文件而建的有限元模型中不用施加约束。

　　6)刚体模态

　　将柔性体的模态信息读入ADAMS时，应确保其刚体模态是关闭的。ADAMSFle会自动关闭它认为是刚体模态的模态。

　　2利用ANSYS生成模态中性文件

　　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

　　利用ANSYS生成模态中性文件的过程如下：

　　1)设置单位

　　如果用户使用的是SICGSBFT或BN四种单位制中的一种，设置单位可使用ANSYS命令：

　　1)建立有限元网格

　　柔性体中除界面点外的其他部分可采用常用的建模方法建立有限元模型。在定义界面点时应注意以下几个问题：

　　①界面点的几何位置必须精确，如果该处没有节点，则必须在此处建一节点；

　　②界面点与柔性体其他部位的连接必须恰当，以使界面点的力分布在附近区域上;否则会引起界面节点的严重失真变形。常用的方法有：

　　?用质量单元mass21在界面节点处建一质量单元，并赋予该单元一个很小的属性数据，用约束方程连接界面点处的质量单元与柔性体；

　　?用由多个三维梁单元组成的单元网连接界面节点与柔性体；

　　?用刚性区域（RgidRe&on)处理界面节点；

　　③在有限元模型中，不需要定义结构的边界条件。

　　2)建立界面点选择集

　　选择界面节点，一般使用命令NSL节点数目必须不小于2建立界面点选择集时应注意界面节点不可过多，因为过多的界面节点会使运算时间增长，且仿真的结果也会不同。

　　3)运行ADAMS宏命令，输出模态中性文件

　　3在ADAMS/View中使用柔性体

　　在ADAMS/View中使用ADAMS/Flex生成柔性体进行仿真的步骤如下：

　　1)读入模态中性文件，生成柔性体；

　　2)对柔性体进行校验，校验方法有以下三种：

　　a使用mo检查柔性体的质量、质心位置、惯性矩；

　　b利用ADAMS/Liea糢块，比较不考虑阻尼效应下柔性体的模态与有限元模型中的模态。具体方法是建立一个只包含柔性体的模型，按照它在系统模型中的状态与大地约束在一起，运行ADAMS/Linea糢块并记录下它的固有模态。将结果与相同约束条件下有限元分析的模态结果进行比较。如果两组模态相吻合，则柔性体传输正确;反之，要对有限元模型进行分析，重新生成MNF文件；

　　9对柔性体进行仿真，并测量节点的静力变形量或应力值，比较最大静力变形量应力值与相同约束条件下有限元分析的结果。

　　3)在柔性体上施加约束和作用力，其中应注意以下几个问题：

　　a可以直接加在柔性体节点上的约束副有:旋转副、固定副、球副、万象节副；

　　b其他运动副和运动激励不能直接加在柔性体节点上，解决方法是在柔性体上附加一个哑物体然后将运动副或运动激励施加在哑物体上；

　　9如果柔性体是施力物体，则作用力可以直接加加工变形影响的角度来讲，其可以忽略不计。在柔性体节点上;反之，可以在柔性体上附加哑物体将作用力施加在该哑物体上。如果柔性体是施力物体，但作用力是用函数表达的，建议采用哑物体施加作用力，这样可以减少计算量；

　　d哑物体也叫无质量联接物体是质量和惯性为零（接近零）的物体。哑物体不是零件，不能为模型增加自由度，必须与其他有质量物体固接在一起。生成方法有两种：

　　?构造一个零件，删除其几何体，只留下质心标记；

　　?构造一个零件，修改其质量和转动惯量为零；

　　1)对柔性体进行设置。设置内容包括：模态成分、阻尼率、惯性组成、初始条件等；

　　2)调用ADAMS/SOvei进行仿真并观察仿真结果。

　　4结论

　　利用有限元分析软件对物体进行建模，划分网格，生成MNF文件，导入ADAMS生成柔性体。在动力仿真过程中考虑柔性体的自身变形对系统的影响，是全刚体动力分析基础上的更高一级的分析，分析结果更符合实际，是虚拟样机技术中的一个关键技术。

　                                                                　赵希芳

　                                                    　(南京电子技术研究所，江苏南京210013)