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ADAMS- 柔性体运动仿真分析及 运用

ADAMS 柔性体运动仿真分析及运用
焦广发，周兰英
(北京理工大学机械与车辆工程学院 100081) 摘要 介绍了ADAMS柔性体基本理论及在ADAMS中生 成柔性体的几种方法,并构建机械系统仿真模型.
通过一个实例验证了ADAMS 柔性体运动仿真分析

的实效.
关键词 :ADAMS


柔性体 运动仿真 继电器

Jiao guangfa Zhou lanying (Beijing institute of technology ,school of mechanical and vehicular engineering , Beijing 100081 )
Application of ADAMS flexible body kinetic simulation

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 relay

ADAMS全称是机械系统自动动力 学分析软件 ,它是目前世界范围内最广 泛使用的多体1系统仿真分析软件 ,其建

基金项目：北京市重点学科建设(XK100070424)；北 京理工大学基金(0303E10)

模仿真的精度和可靠性在现在所有的动

作者简介：焦广发(1982— ) ，男，河北人，硕士，
主要研究方向为动力学仿真， 有限元分析和表面涂层
技术.

力学分析软件中也名列前茅 .机械系统 动力学仿真分析是机械设计的重要内容 , 过去分析时建立的模型 ,其构件都是属 于刚体 ,在作运动分析时不会发生弹性 变形.而实际上,在较大载荷或加、减速 的情况下 ,机构受力后会有较大的变形 和位移变化 ,产生振动 .ADAMS的分析 对象主要是多刚体 ,但ADAMS 提供了 柔性体模块 ,运用该模块可以实现柔性 体运动仿真分析 , 以弹性体代换刚体 ,可 以更真实地模拟出机构动作时的动态行 为, 同时还可以分析构件的振动情况 [1] . 一、 ADAMS 柔性体理论及生成 柔性体的几种方法
ADAMS 柔性模块是采用模态来 表示物体弹性的,它基于物体的弹性变 形是相对于连接物体坐标系的弹性小变 形 同时物体坐标系又是经历大的非线 性整体移动和转动这个假设建立的 .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 的线性组合来表示弹性位移 ,通过计算 每一时刻物体的弹性位移来描述其变形 运动.ADAMS 柔性模块中的柔性体是 用离散化的若干个单元的有限个结点自 由度来表示物体的无限多个自由度的 . 这些单元结点的弹性变形可近似地用少 量模态的线性组合来表示 .
ADAMS 提供了四种生成柔性体 的方法,对于外形简单的构件,可以采用 直接生成柔性件的方法, 即拉伸模式； 对 于外形复杂的构件,可以采用先建刚性 件, 再进行网格划分的模式, 即构件网 格模式(Solid).
1) 拉伸法生成柔性体:首先要确定 拉伸中心线,再定义截面半径、单元尺 寸、材料属性等,最后定义好柔性体跟其 它构件的连接点即外连点 ,就可以生成 柔性体.模型生成柔性件的同时生成模 态中性文件,该模态中性文件中包含了 柔性件的质量、 质心、 转动惯量、 频率、

振型以及对载荷的参数因子等信息 .将
模型中原有的刚体件上的运动副修改在
柔性件上,使柔性件与模型上的其它构
件连接起来, 同时删除无效的刚性件 .这
样可以使模型保持原有的自由度 ,从而
实现柔性构件的运动仿真运算 .
2)几何外形法生成柔性体:这种方
法是将几何体的外形所占用的空间进行
有限元离散化,几何体既可以是在
ADAMS/View中创建的,也可以是从其
他CAD软件中导入的模型.这种方法首先
要定义柔性件的附着点, 即柔性件与其
它构件的连接点.定义好附着点后,需要
在附着点的附近的网格结点上选取适当
数量结点作为力的作用点 ,作用点的数
量和位置根据模型精度的需要来选取 .
最后,将选取的结点转换成ADAMS 的标
识ID后,就可以生成模态中性文件 .用这
种方法与拉伸法相比,拉伸法创建的柔
性体是六面体单元,而几何外形法生成
的柔性体是四面体单元 .一般来说六面
体单元要比四面体单元要好些 .
3)导入有限元模型的网格文件创建
柔性体：在ADAMS/AutoFlex的
Flexbody中选择Import mesh项，然后输
入网格文件名，最后定义网格的材料属
性，壳单元的厚度和计算的模态数，就
可以导入柔性体，但是应用范围很小，
只能输入Natran的bdf网格文件和
I-DEAS的universal网格文件[2] .
4)利用ANSYS的宏命令生成
ADAMS柔性体： 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的应力应变
分析结果,从而提高分析水平 .通过
ADAMS软件与ANSYS软件之间的接口 ,
可以很方便的考虑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

仿真结果的应力应变分析结果 ,提高分 析精度.ANSYS程序在生成柔性体部件 的有限元模型之后,利用ADAMS宏命 令可以很方便地输ADAMS软件所需要的 模态中性文件Jobname.mnf 此文件包 含了 ADAMS中柔性体的所有信息 . 在ADAMS软件中直接读入此文件即可 看到柔性体部件的模型,指定好柔性体 与其它部件的连结方式, 并给系统施加 必要的外载后即可进行系统的动力学仿 真[3.]
二、实例分析
本文主要应用ADAMS提供的几何 外形法生成柔性体 .
1.应用solidworks软件建立继电器 三维实体模型，模型由衔铁、顶支架、 底支架、触头、动簧片、动断静簧片、 动何静簧片等组成， 在建立模型过程中， 对模型作了简化，省略了线圈、磁铁等 部件，结构如图：

大地固定在一起，然后固定动簧片，动
断静簧片，动合静簧片，还要把触头与
衔铁固定在一起，最后在衔铁与底支架
之间施加旋转副，由于触头与动簧片接
触，动合静簧片，动断静簧片之间也产
生接触力，因此在这些部件之间也要定
义接触. 因为这次主要是为了验证柔性
体的仿真，忽略了电磁学问题，同时也
可忽略掉顶支架和底支架，因此把顶支
架和底支架设置为哑物体，并对部分构
件设为透明如图2所示.经简化后，在旋
转副上加正弦驱动力来模拟电磁铁产生
的吸附力，驱动力为9.5d *sin(1200*
time)，再进行仿真 .设置仿真时间为
0.015s,步长为0.000025s, 由于动簧片
为刚性体，当触头与动簧片接触时就会
发生错误，当时间步长足够小时，也会
发生穿透现象.

1.顶支架2.动簧片3.动断静簧片4.触头5.动簧片6. 动合静簧片7.衔铁8.挡圈9.底支架
图1 三维软件模型
2.建立模型后， 生成Parasolid格式， 保存于ADAMS的工作目录下.
3.导入ADAMS中，并定义各部件 的材料属性，同时ADAMS自动计算出 转动惯量和质量.对各个部件进行约束. 在这里对结构进行了简化，忽略了电学 的干扰，只考虑机械结构之间的相互关 系.首先用固定副把顶支架和底支架与

1.衔铁2.动簧片3.动合静簧片4.动断静簧片5.触头
6.衔铁7.底支架
图2 简化后的模型
4.把关键部件改变为柔性体。对于这
个继电器模型而言，衔铁带动触头推动
动簧片与动断静簧片分离，同时动簧片
与动合静簧片接触接触，由于动簧片要
与动合静簧片接触，所以要发生变形，
当把动簧片设为刚性体时，是不能发生
变形的，不符合实际，也是为什么发生
错误的原因，因此要把动簧片替换为柔
性体，而在这个模型中，顶支架与底支
架，动断静簧片，动合静簧片几乎没有
发生生什么变形，所以把这几个部件看

发生了两次碰撞，而且每次都有回跳现 象，而且对于继电器而言，应该存在 X 与Y方向的力，而从图4(c)中可以看出， 存在Z方向的分力， 因此可以推断出当动 簧片与动合静簧片接触时动簧片产生了 侧倾，导致接触时产生Z方向的奋力 .对 于触头与动簧片的接触作用力如图 5所 示：

(a)触头与动簧片接触X方向作用力图

(b) 触头与动簧片接触Y方向作用力图

(c)触头与动簧片接触Z方向作用力图

簧片还要回弹与触头发生再次碰撞，在
这里会产生电弧，，破坏了接触面的光
洁性，导致磨损，关于这方面正在进一
步的研究中.
三、结论
本文以继电器为例，经过简化处理，
利用ADAMS 软件分析了柔性体的生成
方法，经过仿真，并分析了当部件为柔
性体时，仿真比较符合实际情况，同时
为进一步研究为什么发生磨损问题提供
了仿真依据.
参 考 文 献
[1]刘 俊，林砺宗
等.ADAMS 柔性体运动
仿真分析研究及运用.
现代制造工程， 2004，
(5)
[2] 李军等 .ADAMS 实例
教程.北京： 北京理工大
学出版社， 2002
[3] 李增刚 .ADAMS 入门
详解与实例.北京： 国防
工业出版社， 2006,(4)

(d)触头与动簧片接触合力图
图5触头与动簧片接触力图
从图5可以看出，当触头与动簧片接
触时发生弹跳现象，而且发生很多次，
第一次接触时作用力很小，但是第二次
作用力就很大，而且当触头返回时，动