基于ADAMS和ANSYS的剛?cè)狁詈夏Ｐ头治?/h1>
2011-07-09 13:31:16彭禮輝陽貴明劉領(lǐng)化
湖南工程學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版) 2011年3期
彭禮輝,李 光,陽貴明,劉領(lǐng)化
(湖南工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,株洲412008)
0 引 言
機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)自動分析(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems),是美國MSC公司開發(fā)的虛擬樣機(jī)分析軟件.在ADAMS中可以建立機(jī)械系統(tǒng)的運動學(xué)、動力學(xué)模型,其模型主要為剛性體,也可以是柔性體,還可以是剛?cè)狁詈夏Ｐ蚚1][2].有限元分析(Finite Element Analysis)的基本概念是用較簡單的問題代替復(fù)雜問題,然后再求解.ANSYS軟件是一款集結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁及多物理場耦合為一體的大型通用有限元分析軟件[3].其基本分析過程分3步:前處理(Preprocessor);施加載荷與求解(Solution);后處理(Postprocessor).
ADAMS是目前最具權(quán)威的機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)仿真分析軟件,分析對象主要是多剛體.ANSYS是一種大型通用有限元分析軟件,其主要功能是對柔性體進(jìn)行有限元分析.
大多數(shù)情況下,把樣機(jī)當(dāng)做剛性系統(tǒng)來處理都可以滿足要求.但在一些需要考慮構(gòu)件變形的特殊情況下,完全把模型當(dāng)做剛性系統(tǒng)來處理還不能達(dá)到精度要求,還必須把模型的部分構(gòu)件做成可以產(chǎn)生變形的柔性體來處理[4],因此,最好將兩種軟件結(jié)合使用.
1 ADAMS軟件與ANSYS軟件的結(jié)合
在動力學(xué)仿真軟件ADAMS中進(jìn)行仿真分析,可以得到所需要的載荷文件(即.lod文件),這就為ANSYS有限元軟件進(jìn)行分析提供了載荷譜、位移譜等信息.然后在ANSYS中利用得到的載荷譜信息作為邊界條件,就可以完成應(yīng)力、應(yīng)變的分析[5][6].這樣一來,在基于精確動力學(xué)仿真結(jié)果基礎(chǔ)上得到的應(yīng)力和應(yīng)變結(jié)果更加準(zhǔn)確,提高了計算精度.
另一方面,利用ANSYS進(jìn)行有限元分析時,可以得到ADAMS使用的模態(tài)中性文件(即.mnf文件),就生成了模型中的柔性體,建立一個剛?cè)狁詈夏Ｐ?這種考慮了彈性特征的動力學(xué)模型,仿真精度大大提高.兩者之間的數(shù)據(jù)傳遞方式如圖1所示.
圖1 ADAMS和ANSYS之間的數(shù)據(jù)傳遞
2 ANSYS和ADAMS結(jié)合使用實例
如圖2所示的機(jī)構(gòu)為用于夾緊登月艙和宇宙飛船的夾緊機(jī)構(gòu).該機(jī)構(gòu)由5個構(gòu)件組成:原動件手柄(handle)、從動件搖臂(pivot)、連桿(link)、鎖鉤100 N,通過搖臂和連桿的傳動使得鎖鉤在大地平面上向右滑動(鎖鉤左端用一個線性彈簧的拉力來模擬夾緊力),進(jìn)而將登月艙與宇宙飛船夾緊.
圖2 模型示意圖
2.1 剛性體模型的建立
首先,在從 Pro/E中建立機(jī)構(gòu)的三維實體模型,進(jìn)行裝配后,通過從Pro/E和ADAMS的接口將模型導(dǎo)入ADAMS中,定義相應(yīng)的約束和運動關(guān)系,生成剛性體模型[7],如圖2(b)所示;然后設(shè)置好仿真時間和步長,利用ADAMS進(jìn)行機(jī)構(gòu)仿真分析,得到構(gòu)件位移、速度曲線,僅以連桿位移、速度為例.如圖3所示.限于篇幅,不一一列出.
圖3 連桿在x方向的速度和位移曲線圖
進(jìn)行完仿真分析以后,能夠得到該夾緊機(jī)構(gòu)中各個構(gòu)件上指定點在全局坐標(biāo)系 x、y、z方向上的加速度、作用力、速度、位移的分量曲線和合成曲線.
2.2 柔性體模型的建立
接下來把從動件搖臂作為柔性體考慮再進(jìn)行動力學(xué)分析.首先對搖臂進(jìn)行網(wǎng)格劃分,然后進(jìn)行模態(tài)分析、計算,把該結(jié)果保存為模態(tài)中性文件MNF(Modal Neutral File),最后讀入到ADAMS中,代替剛性體搖臂,建立一個剛?cè)狁詈夏Ｐ?對相應(yīng)部位施加驅(qū)動和約束,進(jìn)行考慮了構(gòu)件彈性特征的系統(tǒng)動力學(xué)仿真[8][9].具體參數(shù)設(shè)置:彈性模量1.17e11 Pa,泊松比0.3,密度為4500 kg/m3.對其進(jìn)行自由網(wǎng)格劃分(Free),得到該搖臂計算模型共有20049個節(jié)點,12455個單元.模態(tài)分析結(jié)果如表1所示.
表1 搖臂模態(tài)分析結(jié)果
其中,搖臂第1階、第6階振型如下圖4所示.
圖4 搖臂振型圖
2.3 剛?cè)狁詈夏Ｐ蜏y試
建立好剛?cè)狁詈夏Ｐ秃?設(shè)置好相關(guān)參數(shù),在ADAMS下對此機(jī)構(gòu)進(jìn)行動力學(xué)分析,通過數(shù)據(jù)曲線來分析機(jī)構(gòu)的運動性能[10].
當(dāng)柔性體搖臂替代剛性體搖臂后,測量結(jié)果顯示柔性體搖臂、連桿和鎖鉤三者幾乎同步運動(如圖5所示),與剛性體搖臂不同的是,用柔性體替換后,速度趨勢變成了先反向加速(同樣設(shè)向右為正),加速至最大速度后再減速,再正向加速至最大值后又減速.
圖5 柔性體搖臂、連桿與鎖鉤速度曲線圖
接下來把剛性體和柔性體搖臂的運動進(jìn)行對比.從圖6(a)可以看出,在力 F=100 N 時,剛性體搖臂與柔性體搖臂的速度變化趨勢相似,但是滯后性顯著,相差較大;當(dāng)力增加到F=200 N時,其速度曲線如圖6(b)所示,其速度變化趨勢更加相似,并且滯后性明顯減小,相差不大;當(dāng)力繼續(xù)增加到F=300 N時,剛、柔性體搖臂的運動變化幾乎一致,如圖6(c)所示(但是,力F并不是越大越好,具體情況這里不再作介紹).
圖6 不同力時的剛性體與柔性體搖臂速度曲線比較圖
3 小 結(jié)
利用機(jī)械動力學(xué)仿真軟件ADAMS和有限元分析軟件ANSYS聯(lián)合仿真,完成了一個剛?cè)狁詈夏Ｐ偷膶Ρ确治?在該夾緊機(jī)構(gòu)中,柔性體對機(jī)構(gòu)運動精度以及機(jī)構(gòu)壽命產(chǎn)生了很的大影響.把搖臂構(gòu)件用柔性體替代后,在ADAMS中利用虛擬樣機(jī)技術(shù)進(jìn)行動力學(xué)仿真證明了這一結(jié)論.很明顯,這種影響是不能夠忽視的.
[1]鄭建榮.ADAMS-虛擬樣機(jī)技術(shù)入門與提高[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2002.
[2]劉 偉,高維成,于廣濱.ANSYS12.0寶典[M].北京:電子工業(yè)出版社,2010.
[3]張勁夫,許慶余,張 陵.考慮連桿柔性和運動副粘性摩擦的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的動力學(xué)建模及計算[J].2001,22(3):274-276.
[4]肖國偉,李 光.柔性桿件系統(tǒng)虛擬樣機(jī)設(shè)計及其動力學(xué)仿真分析[J].湖南工業(yè)大學(xué)學(xué)報,2009,23(4):62-64.
[5]郭衛(wèi)東.虛擬樣機(jī)技術(shù)與ADAMS應(yīng)用實例教程[M].北京:北京航空航天出版社,2008.
[6]劉國慶,楊慶東.ANSYS工程應(yīng)用教程[M].北京:中國鐵道出版社,2003.
[7]丁壽濱,常宗瑜,武雅潔,等.ADAMS與常用CAD軟件之間的接口[J].微計算機(jī)信息,2005,21(30):202-204.
[8]林國英,李 光,劉少義.彈性四連桿機(jī)構(gòu)動力學(xué)響應(yīng)的數(shù)值求解[J].湖南工業(yè)大學(xué)學(xué)報,2008,22(4):105-108.
[9]ZHENG Xiao-ya,YOU Jun-feng,ZHANG Duo,et al.Application of ADAMS and ANSYS to Mechanism A-nalysis[J].Journal of Solid Rocket Technology,2010,33(2):201-204.
[10]劉治波,禹宏云.Pro/E、ADAMS與 ANSYS在虛擬設(shè)計中的聯(lián)合應(yīng)用[J].機(jī)械工程與自動化,2008,18(2):48-53.
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(湖南工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,株洲412008)
0 引 言
機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)自動分析(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems),是美國MSC公司開發(fā)的虛擬樣機(jī)分析軟件.在ADAMS中可以建立機(jī)械系統(tǒng)的運動學(xué)、動力學(xué)模型,其模型主要為剛性體,也可以是柔性體,還可以是剛?cè)狁詈夏Ｐ蚚1][2].有限元分析(Finite Element Analysis)的基本概念是用較簡單的問題代替復(fù)雜問題,然后再求解.ANSYS軟件是一款集結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁及多物理場耦合為一體的大型通用有限元分析軟件[3].其基本分析過程分3步:前處理(Preprocessor);施加載荷與求解(Solution);后處理(Postprocessor).
ADAMS是目前最具權(quán)威的機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)仿真分析軟件,分析對象主要是多剛體.ANSYS是一種大型通用有限元分析軟件,其主要功能是對柔性體進(jìn)行有限元分析.
大多數(shù)情況下,把樣機(jī)當(dāng)做剛性系統(tǒng)來處理都可以滿足要求.但在一些需要考慮構(gòu)件變形的特殊情況下,完全把模型當(dāng)做剛性系統(tǒng)來處理還不能達(dá)到精度要求,還必須把模型的部分構(gòu)件做成可以產(chǎn)生變形的柔性體來處理[4],因此,最好將兩種軟件結(jié)合使用.
1 ADAMS軟件與ANSYS軟件的結(jié)合
在動力學(xué)仿真軟件ADAMS中進(jìn)行仿真分析,可以得到所需要的載荷文件(即.lod文件),這就為ANSYS有限元軟件進(jìn)行分析提供了載荷譜、位移譜等信息.然后在ANSYS中利用得到的載荷譜信息作為邊界條件,就可以完成應(yīng)力、應(yīng)變的分析[5][6].這樣一來,在基于精確動力學(xué)仿真結(jié)果基礎(chǔ)上得到的應(yīng)力和應(yīng)變結(jié)果更加準(zhǔn)確,提高了計算精度.
另一方面,利用ANSYS進(jìn)行有限元分析時,可以得到ADAMS使用的模態(tài)中性文件(即.mnf文件),就生成了模型中的柔性體,建立一個剛?cè)狁詈夏Ｐ?這種考慮了彈性特征的動力學(xué)模型,仿真精度大大提高.兩者之間的數(shù)據(jù)傳遞方式如圖1所示.
圖1 ADAMS和ANSYS之間的數(shù)據(jù)傳遞
2 ANSYS和ADAMS結(jié)合使用實例
如圖2所示的機(jī)構(gòu)為用于夾緊登月艙和宇宙飛船的夾緊機(jī)構(gòu).該機(jī)構(gòu)由5個構(gòu)件組成:原動件手柄(handle)、從動件搖臂(pivot)、連桿(link)、鎖鉤100 N,通過搖臂和連桿的傳動使得鎖鉤在大地平面上向右滑動(鎖鉤左端用一個線性彈簧的拉力來模擬夾緊力),進(jìn)而將登月艙與宇宙飛船夾緊.
圖2 模型示意圖
2.1 剛性體模型的建立
首先,在從 Pro/E中建立機(jī)構(gòu)的三維實體模型,進(jìn)行裝配后,通過從Pro/E和ADAMS的接口將模型導(dǎo)入ADAMS中,定義相應(yīng)的約束和運動關(guān)系,生成剛性體模型[7],如圖2(b)所示;然后設(shè)置好仿真時間和步長,利用ADAMS進(jìn)行機(jī)構(gòu)仿真分析,得到構(gòu)件位移、速度曲線,僅以連桿位移、速度為例.如圖3所示.限于篇幅,不一一列出.
圖3 連桿在x方向的速度和位移曲線圖
進(jìn)行完仿真分析以后,能夠得到該夾緊機(jī)構(gòu)中各個構(gòu)件上指定點在全局坐標(biāo)系 x、y、z方向上的加速度、作用力、速度、位移的分量曲線和合成曲線.
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表1 搖臂模態(tài)分析結(jié)果
其中,搖臂第1階、第6階振型如下圖4所示.
圖4 搖臂振型圖
2.3 剛?cè)狁詈夏Ｐ蜏y試
建立好剛?cè)狁詈夏Ｐ秃?設(shè)置好相關(guān)參數(shù),在ADAMS下對此機(jī)構(gòu)進(jìn)行動力學(xué)分析,通過數(shù)據(jù)曲線來分析機(jī)構(gòu)的運動性能[10].
當(dāng)柔性體搖臂替代剛性體搖臂后,測量結(jié)果顯示柔性體搖臂、連桿和鎖鉤三者幾乎同步運動(如圖5所示),與剛性體搖臂不同的是,用柔性體替換后,速度趨勢變成了先反向加速(同樣設(shè)向右為正),加速至最大速度后再減速,再正向加速至最大值后又減速.
圖5 柔性體搖臂、連桿與鎖鉤速度曲線圖
接下來把剛性體和柔性體搖臂的運動進(jìn)行對比.從圖6(a)可以看出,在力 F=100 N 時,剛性體搖臂與柔性體搖臂的速度變化趨勢相似,但是滯后性顯著,相差較大;當(dāng)力增加到F=200 N時,其速度曲線如圖6(b)所示,其速度變化趨勢更加相似,并且滯后性明顯減小,相差不大;當(dāng)力繼續(xù)增加到F=300 N時,剛、柔性體搖臂的運動變化幾乎一致,如圖6(c)所示(但是,力F并不是越大越好,具體情況這里不再作介紹).
圖6 不同力時的剛性體與柔性體搖臂速度曲線比較圖
3 小 結(jié)
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[1]鄭建榮.ADAMS-虛擬樣機(jī)技術(shù)入門與提高[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2002.
[2]劉 偉,高維成,于廣濱.ANSYS12.0寶典[M].北京:電子工業(yè)出版社,2010.
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[4]肖國偉,李 光.柔性桿件系統(tǒng)虛擬樣機(jī)設(shè)計及其動力學(xué)仿真分析[J].湖南工業(yè)大學(xué)學(xué)報,2009,23(4):62-64.
[5]郭衛(wèi)東.虛擬樣機(jī)技術(shù)與ADAMS應(yīng)用實例教程[M].北京:北京航空航天出版社,2008.
[6]劉國慶,楊慶東.ANSYS工程應(yīng)用教程[M].北京:中國鐵道出版社,2003.
[7]丁壽濱,常宗瑜,武雅潔,等.ADAMS與常用CAD軟件之間的接口[J].微計算機(jī)信息,2005,21(30):202-204.
[8]林國英,李 光,劉少義.彈性四連桿機(jī)構(gòu)動力學(xué)響應(yīng)的數(shù)值求解[J].湖南工業(yè)大學(xué)學(xué)報,2008,22(4):105-108.
[9]ZHENG Xiao-ya,YOU Jun-feng,ZHANG Duo,et al.Application of ADAMS and ANSYS to Mechanism A-nalysis[J].Journal of Solid Rocket Technology,2010,33(2):201-204.
[10]劉治波,禹宏云.Pro/E、ADAMS與 ANSYS在虛擬設(shè)計中的聯(lián)合應(yīng)用[J].機(jī)械工程與自動化,2008,18(2):48-53.
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