基于ANSYS与ADAMS的柔性体联合设计与仿真

田伟华¹ 田军伟²张松锋³

（1.周口职业技术学院 机电工程学院 河南 周口 466000； 2. 浙江舜宇光电股份有限公司产品研发部 浙江 宁波

 3.周口师范学院 机械与电力工程学院，河南 周口466000；）

摘要: 利用ADAMS与ANSYS在各自领域的优势进行联合仿真，采用建立柔性体的方法对振动工作台进行动力学仿真分析，避免了传统分析时复杂数学模型的建立，不但可以精确的模拟整个系统的运动，更能在对ADAMS与ANSYS仿真结果的比较中得出基于精确动力学仿真的应力应变分析结果, 为进一步进行振动钻削装置结构与误差的分析奠定了基础。

关键词：联合仿真；振动工作台；ADAMS；ANSYS

Co-simulation and design of Flexible Body Based on ANSYS and ADAMS.

(1. College of Mechanical Engineering, Zhoukou Vocational and Technical College, Henan Zhoukou 466000 China;

2. Shunyu Photoelectric body corporate company of Zhejiang，Zhejiang Ningbo 315400, China;3. College of Mechanical and Electrical Engineering，Zhoukou Normal University; ,Henan Zhoukou，466000，China；)

Abstract：Based on the advantages of ADAMS and ANSYS in their respective fields, the dynamic simulation analysis of vibration table is carried out by using the method of establishing flexible body, which avoids the establishment of complex mathematical model in traditional analysis, not only can simulate the whole system movement precisely, In the comparison of ADAMS and ANSYS simulation results, the results of stress and strain analysis based on precise dynamic simulation are obtained, which can be used to analyze the structure and error of vibration drilling device.

Key words :co-simulation；vibration table；ADAMS；ANSYS

引言

近年来，柔性体仿真已成为仿真领域的一个研究重点和热点^[1-2]，它在机械、航空、船舶等领域都有着广泛的应用前景。在机械系统中，柔性体会对整个系统的运动产生重要影响，在进行运动学分析时，如果不考虑柔性体的影响将会造成很大的误差，同样整个系统的运动情况也反过来决定了每个构件的受力状况和运动状态，从而决定了构件内部的应力应变分布。因此，本文采用ANSYS和ADAMS软件的联合仿真应运而生，它不但可以精确的模拟整个系统的运动，而且可以基于运动仿真的结果对运动系统中的柔性体进行应力应变的分析。

    振动工作台是振动钻削装置中的关键部件，所以它的运动仿真以及所受应力应变的分析就显得至关重要。本文通过ANSYS和ADAMS的联合仿真，建立振动工作台的柔性体模型，对其进行运动仿真并进行了应力应变分析，仿真结果验证了该方法的有效性。

1 柔性体仿真的数学模型和运动微分方程

为了计算构件弹性变形对其大范围运动的影响，人们提出用混合坐标来描述柔性体位形。首先，对柔性构件建立一浮动坐标系，将构件的位形认为是浮动坐标系的大范围运动与相对于该坐标系的变形的叠加，提出了用大范围浮动系的刚体坐标与柔性体的节点坐标(或模态坐标)建立动力学模型。在具体的建模过程中，先将构件的浮动坐标系固化，弹性变形按某种理想边界条件下的结构动力学有限元进行离散，然后仿照多刚体系统动力学的方法建立离散系统数学模型^[3]。

1.1柔性体的表示  

    ADAMS中的柔性体是用离散化中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^[4,5]。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，对于物体坐标系的位置，用它在惯性坐标系中的笛卡尔坐标X=（x ，y，z），以及反映刚体方位的欧拉角ψ=(ψ,Ө,Ф)来表示，模态坐标q={q₁,q₂,…,q_M}^T(M为模态坐标数)来表示，则柔性体的广义坐标可选为^[6]: 

ε={x,ψ,q}^T  ={x,y,z,ψ,Ө,q_j,j=1,…,M}^T

那么柔性体上任一结点(如第i点)的位置向量可表示为:

r_i=x+ A(s_i+φ_iq)                                  

式中:  A—物体坐标系到惯性参考系的转换矩阵;

         s_i—结点在物体坐标系中未变形时的位置;

φ_i—对应于结点i的移动自由度的模态矩阵子块。

1.2 柔性体的运动微分方程

柔性体的动能可表示为:

T=^TvdV≈_iv_i^Tv_i+w_i^TI_iw_i）                      

式中:m_i是结点i的模态质量；I_i是结点i的模态惯量。

运用拉格朗日乘子法建立柔性体的运动微分方程:

M+-[]^T+K+f_g+D+[]^Tλ=Q                  

其中:K, D—为模态刚度矩阵和模态阻尼矩阵;

 Kξ，Dξ—代表物体内部由于弹性变形和阻尼引起的广义力;

 f_g— 广义重力;

λ— 对应于约束的拉格朗日乘子;

 Q— 对应于外力的广义力；

2 振动钻削装置实体模型建立与分析

2.1振动钻削装置的结构分析

图1（a）所示为振动钻削装置,在此装置中，变频电机带动主动轴4旋转，主动轴4与套筒7之间通过花键连接，在套筒7上开设有正弦封闭的曲线（图1b），其振幅为0.5mm，小轮3通过压缩弹簧与正弦封闭曲线紧密接触，振动轴6在直线轴承2的作用下做轴向振动，进而使振动工作台按要求做正弦振动。由于工件是装夹在振动工作台上进行加工的，振动工作台上每一点振动的幅值都必须保持一致，所以必须对振动工作台进行运动特性仿真研究。

（a）                              （b）

1，振动工作台 2，直线轴承 3，小轮 4，主动轴  5，上箱体  6，振动轴  7，套筒 8，下箱体

图1 振动钻削装置简化示意图

2.2振动钻削装置有限元模型建立

2.2.1  ADAMS与ANSYS的联合仿真

    目前，各大型软件均提供了较好的通信接口，可进行相互间的文件传输、调用以充分发挥各软件优势，提高计算精度。因此，采用联合仿真的方法对振动工作台进行分析，具体步骤如下。

首先，在Solidworks中进行实体建模，模型导入ANSYS中生成ADMAS可读取的MNF模态文件，并将MNF文件导入ADAMS进行运动学和动力学仿真，得出应力应变结果，同时生成ANSYS可直接调用的*.lod载荷文件，最后，将*.lod文件导入ANSYS中进行再次分析，并对ADAMS与ANSYS仿真结果进行比较，得到基于精确动力学的应力应变分析结果。

2.2.2  模型的简化和导入

    在Solidworks中完成振动钻削装置的实体建模，并做出必要简化。简化情况如下: 去掉对实际分析影响不大的部分结构以及特征，如滚动轴承、螺纹与部分倒角等，图1（a）所示。为便于有限元分析，在零件建模前应进行单位和密度的统一，建好模型后将文件存为Parasolid格式，拓展名为*.X_T 类型的文件。

2.3  创建ANSYS柔性体文件

    ADAMS/Flex模块允许在ADAMS模型中根据模态频率数据创建柔性体部件，而ANSYS程序则提供了一种方便的创建柔性体部件的方法^[7-11]：

1） 导入模型

把solidworks创建的三维模型另存为*.X_T格式的文件，打开ANSYS的经典界面，导入模型文件，设置单位MKS，选择PlotCtrls/Style/Solid Model Facets选项，修改Areas的现实属性为Normal Faceting,这时再点击Plot下的Volumes,就会发现刚开始导入的线变成了实体。

2)设置单元类型

ANSYS网格划分选择六面体八结点的Solid45的单元类型，设定好振动工作台的材料属性，由于采用的是45号钢，定义其弹性模量E=2.1e+11pa，泊松比u=0.31，密度ρ=7850kg/m³。

3) 建立接口点

接口点是指在ADAMS中施加运动副或力的Mark点。如果在ADAMS中施加力或运动副的位置上没有Mark点，则需在该位置重新建立，所建接口点需满足界面点与振动工作台接触面连接恰当,以使界面点的力分布在附近区域上。

4) 划分网格与建立刚性区域

采用Solid45对振动工作台实体进行网格划分，在Mark点处采用Mass21对界面点进行网格划分，Mass21设置为高刚度和小质量。通过Preprocessor/Coupling/Cequ/Rigid Region，将界面点分别与振动工作台各接触面上节点进行刚性联接，图2所示，为界面点位置与刚性连接区域。所建立刚性区域应在保证区域面积的前提下尽量减少连接从节点数量，以减小计算量并避免刚性区域的重叠交叉。

图2 界面点刚性连接区域

5) 生成MNF文件

利用Solution/Adams Connection /Export to Adams，选中所有界面点，在弹出菜单的Element Result栏中选择Include Strain and Stress，表明在ADAMS中可以显示动态应力和应变。

2.4  生成边界条件

启动ADAMS 2013，利用Build/Flexible Bodies/Rigid to Flex…导入上步建立的MNF柔性体文件，替换掉ADAMS中的刚体构件。重新建立各构件与柔性体的约束关系，图3为各构件位置与约束关系。

图3 ADAMS各构件位置与约束关系

进行刚—柔体动力学仿真，得到振动工作台质心位移以及应力图等信息，图4为刚—柔振动工作台在0.02s内的质心位移、速度、加速度曲线，由图可知，刚—柔振动工作台的质心位移、速度曲线较为吻合，而加速度曲线在开机的瞬间有较大的起伏，而后与刚体振动仿真的质心加速度较为吻合。出现这一现象的原因为作为刚体的构件在受力时不会产生变形，而柔性体构件在受力时是可以产生变形的，在以较高转速开机的瞬间，柔性体构件受到较大冲击力所导致的，由于边界条件处不具参考价值，故可以认为，刚—柔振动工作台质心加速度曲线是吻合的，为以后振动钻削装置结构与误差的分析提供了理论基础，具体曲线图如下。

（a）刚体振动工作台质心位移、速度、加速度曲线

(b)柔性体振动工作台质心位移、速度、加速度曲线

  (c)刚—柔振动工作台质心位移、速度、加速度曲线对比

图4  刚、柔振动工作台质心位移、速度、加速度曲线

    加载Adams/Durability，在后处理模块中右键单击“Load Animation"，在菜单栏中选择Component，获取振动工作台的应力应变信息，如图5、图6所示，绘制了振动工作台的Von Mises Strain与Von Mises Stress图。最后，选择File/Export/FEA Loads，导出振动工作台边界载荷信息，即*.lod载荷文件。由于ANSYS中采用的是国际单位制，故导出*.lod载荷文件时应注意输出单位统一。

         图5振动工作台的Von Mises strain                图6 振动工作台的Von Mises Stress              

2.5 ANSYS有限元分析

    进入ANSYS界面，通过Solution/Adams Connection/Import to Adams将上步导出的*. lod载荷文件导入ANSYS，在Solution/Define Loads/Structural/Displacement建立约束点，点击Solve/currentLs分析求解。

查看有限元分析结果。

图7  Ansys中振动工作台的应变         图8  Ansys中振动工作台的Von Mises Stress

图7、图8得出振动工作台在ANSYS中的应变、应力分别为0~0.453e-5m、13436.9~0.116e+09pa与振动工作台在ADAMS中的应变、应力分别为0~3.4e-6m、0~8.01e+007pa的结果几乎一致，因此可以认为ANSYS分析结果是可靠的。同时ADAMS的Von Mises Stress显示最大应力为80.1Mpa，小于45号钢的屈服强度与疲劳强度，符合应力要求，由此可以综合断定该振动工作台是合适的。

3结论

1)、通过ADAMS与ANSYS的联合仿真实现软件间的优势互补，基于运动仿真的结果对系统中柔性体进行了应力应变分析，避免复杂数学模型建立的同时更能得出较数学模型更具说服力的仿真结果，通过比较输出结果，更好地验证了结果的准确性。

2)、通过静态分析，了解振动工作台在工作过程中的形变在允许范围内，达到了设计要求，同时在结构设计与制造材料的选取上也完全满足设计要求，为进一步进行振动钻削装置结构与误差的分析奠定了基础。

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