第5卷,第4期
、,01.5.No.4
电子与封装
ELECTRONICS&PIACKAGING
总第24期
2005年4月
④⑧⑧④@⑧⑧
吣。一
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多体动力学仿真软件AD创ⅥS理论基础及其功能分析
刘银虎缪炳祺
(浙江工业大学强度工程及软件研究所,浙江杭州
310000)
摘要:本文对多体系统分析领域中最广泛使用的软件ADAMs,从理论基础、组成模块、分析功
能和建模元素等几个方面进行了详细阐述。应用ADAMS来仿真空间桁架展开和收拢的过程,仿真分
析了空间桁架的运动学和动力学特性,最后是仿真分析结果和性能参数评估的结论。关键词:ADAMs软件;多体系统;空间桁架;动力学仿真中图分类号:TP311.5
文献标识码:A
文章编号:1681-1070(2005)04—25-04
TheOreticalbasisandf.unctionaIanaIysisOfmuItibOdy
systemdynamicsimulation
“uYin-hu
software
Bing-qi
ADAMS
Miao
(Instituteofstrengthengineeringnnd
s咖nreofzJUT,HnngzhoH,zhejtQng
310000。Chtna)
A-bstract:ThispaperintroducesthebroadestlyusedsoftwareADAMSwithrespecttotheoreticalbasis,constitlltivemoduleandmodalbuildingelements.InthelaSt,a
dyn锄icsiInulationofSpaccmlssiSpe哟nmd。
Simulation
Keywords:ADAMS
MultibodySystem
SpaceTruss
Dyn锄ic
本文首先对舢)AMS的理论基础进行介绍,然后
1
引言
ADAMS(AutomatlcDynamlcAnalysis
of
对其主要功能进行详细的分析,包括使用触)AMs进行建模、分析的基本过程,ADAMS的建模功能,ADAMs的分析功能,以及ADAMs如何与其他
cAD、CAE软件进行数据交换等内容。
Mechanical
System)全称是机械系统自动动力学分析
Dynamics,Inc.’s
软件,是美国Mechanical
(MDI’s)公司生产的软件,它是目前世界范围内使
2
ADAMS的分析计算方法
ADAMS以刚体的质心笛卡尔坐标和反映刚体位
用最广泛的多体系统仿真分析软件,它为用户提供了强大的建模、仿真环境,使用户能够对各种机械系统
进行建模、仿真和分析。和其他CAD、CAE软件相比,ADAMS具有十分强大的运动学和动力学分析功能,其建模仿真的精度和可靠性在现在所有的动力学分析软件中也名列前茅。应用它可以方便地建立参数化的实体模型,并采用多刚体系统动力学原理进行仿真计算。
移的欧拉角或广义欧拉角作为广义坐标,即
Q仁[x,y,x,少,汐,痧];Q=[q;,A,q:]1
(1)(2)
其动力学方程采用拉格朗日乘子法建立如下:
鲁(期’一㈡劬蛳=Q
(3)
收稿日期:2004—05_07
万方数据
一25—
第5卷第4期电子与封装
完整约束方程少(g,f)=0(4)
(5)
突变的系统或高频系统。
非完整约束方程曰(q,q,f)=0
其中:丁一系统功能;
q一系统广义阵列;Q一广义力阵列;
p一对应于完整约束的拉氏乘子阵列;肛一对应于非完整约束的拉氏乘子阵列。
分析计算采用两种算法:
3
AD舢订S的主要组件
ADAMs系列软件包括ADAMS/view、ADAMS/
SolVer等组件。本文所用ADAMSl0.0版本包含的组
件如表1所示。ADAMS厂Ⅵew是ADAMS的主要模块,
用户可以用其建造机械系统的模型,并在计算机上模
拟机械系统的各种运动。同时,用户还可以对模型进
①三种功能强大的变阶、变步长求解程序:GS-TIFF积分器、DSⅡFF积分器和BDF积分器来求解稀
疏耦合的非线性微分代数方程,这种方法适用于模拟刚性系统(特征值变化范围大的系数)。
行运动学和动力学分析,定义多个设计参数,观察在
不同条件下模拟的运行状况,得到最优解。
ADAMS软件包括3个最基本的解题程序模块:ADAMS/View(基本环境)、ADAMS/SolVer(求
②ADAMs积分求解程序采用坐标分离算法来求解独立的微分方程,这种方法适用于模拟特征值经历
解器)和ADAMS/PostProcessor(后处理)。
表1ADAMs10.0包含的组件
ADAMs组件
ADAMS,View
组件主要功能
提供强大的建模仿真集成环境,并可对模型进行参数化分析,用测试数据验证模型。
是ADAMs系列软件的主要模块。
ADAMS/Solver
是ADAMs强大的数学分析器,可以自动求解机械系统的运动方程。ADAMS/solver可以集成到其他图形用户界面(GuI)中,如AI)AMS,view、ADAMS/Car、I.DEAs
MechanismDesign、uG
Mechanisms、MEcHANIS^直/Pm等。利用这些软件建模并传
到solver中仿真,再将仿真结果传回这些GUI中。
ADAMS/FlexADAMS/CarADAMS/RailADAMS/AnimatioinADAMS,、rehicle
附加的ADAMs模块,使用户能在模型中加入柔性件,从而得到更真实的仿真结果。
用于创建、分析汽车模型的模块。
用于创建、分析铁路模型的模块。
MDI’s的动画包,可以运行仿真的动画结果。
建造、分析、显示ADAMs/solver模型的结果,是不属于标准ADAMs/solver系列的独
立产品。
ADAMS/ControlsADAMS/Android
附加的ADAMS模块,使用户能在模型中加入复杂的控制系统。ADAMs/Andmid预处理程序用于创建人体模型。
此,用户可将ADAMs/solVer操作视为一个“黑匣子”。
ADAMS仿真分析结果的后处理,可以通过调用后处理模块ADAMs/PostProcessor来完成。ADAMs/PostProcessor模块具有相当强的后处理功能,它可以回放仿真结果,也可以绘制各种分析曲线。除了可以直接绘制仿真结果曲线以外,还可以对仿真分析曲线进行一些数字和统计计算;可输入实验数据绘制试验曲线,并同仿真结果进行比较;可以进行分析结果曲线图的各种编辑。
ADAMs厂Ⅵew提供了一个直接面向用户的基本操作对话环境和虚拟样机分析的前处理功能,其中包括样机的建模和各种建模工具、样机模型数据的输入与编辑、与求解器和后处理程序的自动连接、虚拟样机分析参数的设置、各种数据的输入和输出、同各种应用程序的接口等。
ADAMS/solVer是求解机械系统运动和动力学问题的程序。完成样机分析的准备工作后,ADAMs/Ⅵew程序可以自动调用ADAMS/SolVer模块,求解样
机模型的静力学、运动学和动力学问题,完成仿真
分析以后再自动地返回ADAMS/Ⅵew操作界面。因
一26一
万方数据
第5卷第4期刘银虎缪炳祺:多体动力学仿真软件ADAMs理论基础及其功能分析
4
用ADAMS建模、仿真的步骤
●
几何建模
机械系统建模●施加运动副和运动约束●
施加载荷
仿真分析
●设置测量和仿真输出●
进行仿真分析
仿真结粟分析
●回放仿真结果●
绘制仿真结果曲线
一
验证仿真●输入实验数据分析结果
●
添加实验数据曲线
..—≮二==_~
是
精制机械●增加摩擦力,改进载荷函数系统模型
●定义柔性物体和连接●
定义控制
重复仿真分析
・●设嚣!变参数点定义设计变量
L
机械系统●进行主要设计影响因素研究●优化分析
进行实验设计研究●
进行最优化研究
图1AD—气Ms建模分析的基本步骤
(1)建造模型建模包含三部分工作:a)创建零件
有两种途径:通过ADAMs/Ⅵew的零件库来创建各种简单的运动单元(零件);用ADAMS/Exchange引
b)给模型施加约束和运动。c)给模型施加各种作用力。(2)测试模型
定义测量量,对模型进行初步仿真,通过仿真
(3)校验模型
导入实际实验测试数据,与虚拟仿真的结果进行比较。
万
方数据(4)模型的细化
经过初步仿真确定了模型的基本运动后,可以在模型中加入更复杂的单元,如在运动副上加入摩擦,
用线性方程或一般方程定义控制系统,加入柔性连接件等等,使模型与真实系统更加近似。
(5)模型的重新描述
为方便设计,可以加入各种参数对模型进行描
述,当用户对模型进行了更改,这些参数自动发生变化,使相关改动自动执行。
(6)优化模型
对模型进行参数分析,优化设计。(7)定制用户自己的环境
用户可以定制菜单、对话框,或利用宏使许多重复工作自动进行。
5
ADAMS中的建模
ADAMs/View具有较为强大的实体建模功能,
能够对零件质量、质心、惯性矩等进行自动计算,并
能加入材料、色泽等特征信息。对于外形不是很复
杂的零件,用ADAMS/View建模较为方便。
5.1
ADAMS中的零件
模型中的零件具有质量、惯量(ineniapropenies)
并可以运动。在仿真中,所有力和约束都必须施加
在零件上。
ADAMs/Ⅵew提供了完整的零件库,用户可以
通过零件库创建三种不同类型的零件,包括:
刚体——具有质量和各种惯量的零件,不能变
形。
柔性零件——具有质量、惯量,且在力的作用
下可以发生变形的零件。基本的舢)AMS厂view可以创建离散的柔性连接件,如截面为方形、圆形或T字形的梁,更多柔性件的创建和使用需要用到ADAMS/Flex模块。
质点——只具有质量的零件,质点没有外形,也
没有惯量特征和角速度。另外,触)AMS厂View提供了一
个特殊的零件——地面(ground),用户创建模型
时,ADAMS/View将自动为用户创建它。“ground”零件没有质量及初始速度,不会增加系统的自由度,全局坐标系就建立在“ground”上。
当零件建好后,ADAMS可以自动算出零件的质量(零件的体积乘以零件的密度)、质心位置及沿各个轴的惯性矩、惯性积。当然用户也可以自己指
一27—
入复杂的cAD形体(会影响运行速度)。
结果检验模型中各个零件、约束及力是否正确。
第5卷第4期电子与封装
定这些量。
5.2给零件施加约束和运动
约束定义了零件(刚体、柔性体、质点)是
如何相互连接及零件之间如何相对运动的。ADAMs/Ⅵew中提供的约束模型库包括以下四种约束(含运
动):
・理想关节(Idealizedjoints)——具有实际的相配物,如转动关节(铰链)或平动关节(滑块)。
・原始关节(JointprimitiVes)——对相对运动进行限制,如限制一个零件的运动必须与另一个零件相平行,可能没有实际的相配物。
・接触(contacts)——定义在仿真过程中,当
零件相互接触时如何反应,包括凸轮副、接触力等。
・运动生成器(Motionsgenerators)——定义各种相对运动,用以驱动模型。
加入约束可以减少系统的自由度数,ADAMs/View中的每种约束都减少不同的自由度数。例如,一个旋转铰链去掉了三个平动自由度和两个转动自由度,使两个零件之间只有沿共同轴线转动的自由度。
这种只允许一种运动的约束叫做单自由度关节,
ADAMS/View中也提供了二自由度和三自由度的关节,如球铰限制了三个平动自由度,允许三个转动自
由度,属于三自由度关节。当进行仿真时,ADAMs的分析器——ADAMs/solVer能够自动计算模型系统总的自由度数及是否存在冗余约束。
5.3给零件施加作用力
ADAMS/View提供多种力的模型,包括各种方向力和力矩、重力、弹簧阻尼器等等。定义力时,可以指定力是平动的还是转动的,受力物体或施力物体,力的作用点、大小和方向。对于不同类型的力,
指定力的大小也有不同的方法,如弹簧力,可以简单定义弹性系数和阻尼系数,也可以用朋)AMS内置的函数表达式定义力。内置函数包括:位移、速度、加
速度函数,可使力和运动相关;力的函数,使力和其他力相关,如库仑摩擦力和正压力相关;数学函数,如呈正弦、余弦规律变化的力;插补曲线函数(Spline
function),力由曲线上的各点数据决定,如马达的力矩一速度曲线;碰撞函数(Impactfunction),力的作用如同一个压簧阻尼器(compression—onlysp血g・damper),当物体间歇接触时,阻尼器或开或关。
一28—
万
方数据6
仿真实例
大面积太阳电池阵(图2)主要由四部分组成:
可折叠桁架、收拢展开机构、太阳电池板和双向驱
动机构。电池阵由电机驱动,在机构的作用下,可折叠桁架带着太阳电池板一起收拢或展开。应用ADAMS软件,开展空间桁架展开机构展开收拢过程
的运动学动力学仿真分析,分析桁架式展开机构设计
的合理性,看其在空间环境下能否正常收拢和展开。
图2太阳电池板悬挂在桁架的一侧
图3、图4两曲线反映了桁架收拢过程中底框的
运动情况。随着桁架一节一节地收拢,底框被一步步地压向收藏箱箱底。速度曲线反映出底框与收藏箱之间存在摩擦。收拢过程是一个平稳的过程。
图3底框位置变化曲线
(下转第34页)
第5卷第4期
电子与封装
式还能使原设备上不易损坏的元件尽可能地利用,如继电器、电磁阀、气动阀、开关变压器等等,从而降低制造成本。因无足够的图纸无法分析设备内部原理,我们于是对该清洗机设备的控制系统进行了重新设计,把以前用清洗次数控制的清洗过程,改变为
由时间来控制的清洗过程,而这种改变对清洗的效果无任何影响。图4所示的是改进后的控制系统原理方框
图。
通过以上的工作,经过改造的清洗机已能达到设计所要求的功能,且操作简单、易学、安全可靠,极大地降低了设备的故障率,使工艺流水线的生产完全流畅地进行。同时这种改造的成本费用非常低,功能和效果与改造前相同。为便于比较,对改造后的清洗机运行状况进行了一段时间的统计。结果见表2:
表2改造后清洗机故障统计
月份1月2月3月4月5月6月7月8月9月10月11月
(嚣)3・。2
s2・。・。s
从表2中也可以看出,通过我们对俄罗斯清洗机改造后,设备的故障率明显下降到一个非常低的水平,因而保证了工艺生产的正常进行。
5
结束语
经过一年多的实际运行,目前该设备使用状况良
好,表明使用国产部件代替进口部件的方法是切实可
图4改造后清洗机原理框图
行的。此方法不仅大大地节省费用,且整机的操作性、安全性、可靠性均优于原系统。
4
效果
本文在写作过程中得到了王铁坤高T的精心指
导,在此表示衷心感谢。
本文对机械系统仿真分析领域中最广泛使用的软
件ADAMS从理论基础、组成模块、分析功能和建模元素等几个方面进行了分析,最后使用ADAMs仿
真了一个空间桁架的展开收拢过程,ADAMS为设计者提供了运动分析及动力学分析方面很好的信息,使得设计方案更加合理,效率更高。
参考文献:
[1]MechanicalDynamicsInco叩oration.ADAMs,view
Guide[z],1997.
[2]MechanicalDynamicsIncofporation.ADAMs/Getting
started[z],1997.
user
[3]Ryan
R
R.ADAMs——Multibody
systemAnalysis
Systems
Software.SchiehlenHandbook.1990.
W0e0.Berlin:Mullibody
一34一
万方数据
多体动力学仿真软件ADAMS理论基础及其功能分析
作者:作者单位:刊名:英文刊名:年,卷(期):引用次数:
刘银虎, 缪炳祺, Liu Yin-hu, Miao Bing-qi
浙江工业大学强度工程及软件研究所,浙江,杭州,3100000电子与封装
EIECTRONICS & PACKAGING2005,5(4)6次
参考文献(3条)
1. Mechanical Dynamics Incorporation 19972. Mechanical Dynamics Incorporation 1997
3. Ryan R R ADAMS--Multibody System Analysis Software. Schiehlen W 0 ed 1990
相似文献(10条)
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变形,不但使问题简化,而且提高了精确度。
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对Huston多体方法进行了深入研究,给出了偏速度具有物理意义的表达形式,进而推导了Kane方程对应的矢量平衡方程。据此提出了低序体组的概念和以低序体组为分析对象的多体系统矢量力学建模方法,推导了多体系统动力学方程矩阵表达形式。Huston方法和基于低序体组的矢量建模方法可以相互补充,相辅相成。基于上述矢量力学建模方法,应用新的多体系统编号方式与拓扑结构描述方法,提出了多体系统动力学编程的新思路。根据多体系统矢量建模法推导了适于含铰链间隙多体系统的动力学方程,避免了矩阵求逆运算,可以提高计算的速度、精度和稳定性,并对含间隙的低速运动的平面机械臂和高速运动的空间机械臂系统进行动力学仿真,与Adams软件对不考虑间隙的仿真结果做了比较,验证了多体矢量建模方法的正确性。
基于对Huston方法矢量力学分析的结论,提出了三种空间离散方法,即集中质量法、有限元法和有限段法描述缆索的力学方程的统一形式,并通过对比各种方法对一缆索结构稳态分析的结果,分析了三种方法的精度,指出了缆索有限段法的优点和用于弹性缆索时精度欠佳。由于缆索有限段法是直接应用Huston多体方法,计算量大。针对缆索有限段法上述不足,本文将缆索视为多柔体系统,引入有限元法中对弹性体位移的描述方式,紧密结合缆索自身的特点,提出了改进的缆索有限段模型,选取合适的广义速率,推导了二维和三维缆索的动力学方程。改进的缆索有限段模型方程形式简洁,计算量少,精度高,尤其适用于弹性缆索。针对拖曳缆索释放—回收过程,建立了变拓扑结构的改进缆索有限段模型,通过可变长度缆段长度的变化和系统缆段数量的增减来真实的模拟缆索释放和回收过程。应用改进缆索有限段法,对典型的海洋缆索系统进行了动力学仿真。对拖曳系统启动、缆索释放、稳定运行、系统停止整个过程进行了仿真,并与海洋试验结果比较,验证了方法的正确性。对小型拉紧式系泊浮标系统进行了模型水池试验研究,同时进行了动力学仿真,试验与仿真结果吻合。以上工作对海洋缆索系统的设计和使用具有理论指导意义和实用价值。
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10.期刊论文 冉振亚. 庞迪. 赵树恩. 韩兆运. RAN Zhen-ya. PANG Di. ZHAO Shu-en. HAN Zhao-yun PRO/E、ADAMS软件在汽车操纵稳定性中的应用 -重庆大学学报(自然科学版)2005,28(11)
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引证文献(6条)
1. 洪鹃. 孙成通 基于iSIGHT的多学科设计优化技术研究[期刊论文]-临沂师范学院学报 2009(3)2. 周永新 基于ADAMS的行星齿轮系统的仿真计算[期刊论文]-电子机械工程 2009(3)
3. 孙红霞. 仪垂杰. 邢普 基于ADAMS的配气凸轮轮廓曲线的设计[期刊论文]-小型内燃机与摩托车 2007(05)4. 马连军 四连杆式棒材飞剪的力学性能分析[学位论文]硕士 2007
5. 汪伟. 宋嗣新 基于ADAMS和ANSYS的垃圾粉碎机运动部件设计[期刊论文]-郑州轻工业学院学报(自然科学版)2006(04)
6. 叶绍松 烧结混料机的有限元分析与剩余寿命研究[学位论文]硕士 2006
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