ADAMS柔性体-刚柔耦合模块

 

ADAMS柔性体-刚柔耦合模块

一、         ADAMS柔性体理论

1、 ADAMS研究体系：

a）刚体多体系统（低速运动）

b）柔性多体系统（考虑弹性变形，大轻薄，高速）

c）刚柔耦合多体系统（根据各个构件情况考虑，常用普遍仿真类型）

大部分仿真分析都采用的是刚性构件，在受到力的作用不会产生变形，现实中把大部分构件当做刚性体处理是可以满足要求的，因为各个零件之间的弹性变形对于机构各部分的动态特性影响微乎其微。

但是需要考虑构件变形，变形会影响精度结果，需要对构件其应力大小和分布以及载荷输出研究的时候，以及薄壁构件，高精密仪器部件等，则需要当做柔性体对待，这样计算结果会准确一些。对于柔性体机构，变形对动态影响起着决定性作用，刚柔耦合系统约束的添加必须考虑各个零部件之间的连接和受力关系，更可能还原实际工况，从而使模型更真实还原。

2、 柔性体

柔性体是由模态构成的，要得到柔性体就需要计算构件的模态。柔性体最重要的假设就是仅考虑了相对于连体坐标系得晓得线性变形，而连体坐标系同时也在做大的非线性运动。

对于柔性体变形，模态中性文件必然存在某一些模态不响应，没有参与变形或者变性太大，参与系数非常小，比如前六阶或者不正常的阶数，如果去掉贡献较小的模态阶数，便可以提高仿真的效率。

…………

3、 模态

谈到柔性体，就必然脱不了模态的概念，构件的模态是构件自身的一个物理属性，一个构件一旦制造出来，他的模态就是自身的一种属性，再将几何模型离散成有限元模型以后，有限元模型的各个节点有一定的自由度，这样所有的节点自由度的和就构成了有限元模型的自由度，一个有限元模型有多少自由度，它就有多少阶模态。由于构件各个节点的实际位移是模态的按一定比例的线性叠加，这个比例就是一个系数，通常成为模态参与因子，参与因子越大，对应的模态对于构件变形的贡献量越多，因此对构件的振动分析，可以从构件的模态参与因子大小来分析，如果构建在振动时，某阶模态的参与因子大，可以通过改进设计，抑制改接模态对振动贡献量，可以明显降低构件的振动。

利用有限元技术，通过计算构件的自然频率和对应的模态，按照模态理论，将构件产生的变形看作是由构件模态通过线性计算得到的。在计算构建模态时，按照有限元理论，首先要将构件离散成一定数量的单元，单元数量越多，计算精度越高，单元之间通过共用一个节点来转递力的作用，在一个单元上的两个点之间可以产生相对位移，再通过单元的材料属性，进一步计算出构建的内应力和应变。

…………柔性体模态与有限元模态区别不同？

…………约束模态？

…………正交模态？

 

ADAMS中建立柔性体的三种方法：离散柔性连接杆、ADAMS/ViewFlex模块生成mnf文件、FEA有限元软件输出mnf文件

二、         离散柔性连接杆

1、定义：将一个构件离散成几段或者许多段小刚性构件，每个小刚性构件之间通过柔性梁连接，变形也只是柔性梁的变形，并不是那些刚性体的变形，刚性体上任意两点的之间并不会产生位移，本质上依旧是刚性构件柔性连接不算真的柔性体，该方法只限于简单构件的使用。

2、使用方法（ADAMS软件实例解说操作）

3、每段离散件都有自己的质心坐标系、名称、颜色和质量信息等属性，每段离散件都是独立的，可以分别编辑。

4、优点：可以模仿物体的非线性变形，可以直接帮助使用者计算横截面属性，比直接使用柔性梁连接两个构件起来方便。

5、实例讲解（汽车悬架横拉杆离散柔性连接件替换原来刚性件）

 

 

 

三、         View/ Flex生成柔性体

ADAMS中柔性体使用的模态文件MNF（model neutral file），可以在Flex中生成，也可以借助有限元软件生成，在ADAMS/View中有简单和详细方法，根据个人操作和实际需要可采用以下三种不同方法：简单方法创建、拉伸法创建、构建几何外形创建。

另外可以导入有限元模型的网格文件创建柔性体。

1、 简单方法创建（实例讲解）

只需要选择构件、材料和计算模态阶数就可，

 

2、拉伸横截面方法创建柔性体（实例讲解）

a）需要定义一个拉伸路径，即拉伸中心线，最好从Z轴的负方向沿着正方向拉伸，在定义界面半径、单元尺寸、材料属性等，最后定义柔性体和其他构件的连接点即外节点，横截面沿着拉伸路径扫略就可以创建一个柔性体，同时生成模态中性文件。

 

3、刚体构件几何外形创建柔性体（实例讲解）

利用构件自身的几何外形生成柔性体是将几何体的外形所占用的空间进行有限元离散化，构件可以是在ADAMS/View中建立的模型，也可以是其他三维软件建立的导入的模型。首先要定义柔性件的附着点、需要在附着点附近的网格节点上选取适当数量节点作为力的作用点，作用点的数量和位置根据模型精度需要来选取。最后选取的节点转换成ADAMS的标记ID后即可生成模态中性文件，该方法与拉伸法相比，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，一般来说六面体网格要比四面体网格好一些，因为四面体网格较六面体网格硬一些，但是拉伸法只能创建一些外形规则或者简单的柔性体，但是几何外形法没有这个限制。

 

 4、导入有限元模型网格文件创建柔性体（实例讲解）

    在ADAMS/Flex中Flexbodies有一个inport mesh选项，可以输入nastran和其他有限元软件生成的bdf、dat网格文件，在mesh properties中定义网格的材料属性、壳单元厚度和计算的模态数目，在输入关联的marker点，就可以创建柔性体。

5、FE大变形柔性体构件，2014后版本的新功能。

   FE（finite element）构件相对于线性柔性体不同的两个方面：可以准确的体现出线性模型方法不能达到的大变形；建模不需要FEA文件，即mnf模态中性文件。具体使用参见2014版本里面的HELP。

  

注：目前ADAMS中柔性体只支持节点在5°范围内的小变形，并不是多大变形都能参与计算;也不支持非线性的变形，如果导入的mnf文件含有非线性单元，ADAMS会自动去掉那些成分；也不支持断裂和破碎问题。

 

四、         有限元软件输出mnf文件

利用有限元软件将构件离散成细小的网格进行模态计算，并将模态计算结果保存成MNF文件，多数有限元软件都与ADAMS有连接接口，利用ANSYS与ADAMS双向数据接口可以方便的处理柔性部件对机械系统的影响，并得到基于精确动力学仿真结果的应力应变分析结果。

 

1、 ADAMS与ANSYS几何模型互导（软件实际操作演示）

这里介绍几何模型的导入导出，例如复杂模型要导出单个零件到有限元模型中去做柔性体，file-export-选择要导出的构件-xmt/txt格式，软件中parasoild格式被称为万能格式，个人觉得也很好用，另外ANSYS中的模型怎么导出几何模型等问题。

2、 ANSYS输出mnf文件（刚性区域法mass、蜘蛛网法beam、梁单元法）

从CAE软件输出mnf文件有很多都可以，目前大部分都支持，如ABAQUS/hypermesh/ANSYS等，本案例主要用ANSYS作为对象生成mnf文件。

现在ANSYS-ADAMS接口节点的选择有三种方式： 

a). 刚性区域法 （推荐学习资料：

http://wenku.baidu.com/view/7b55f1de6f1aff00bed51e49.html?re=view）

在要建立接口节点的地方建立关键点（keypoint），并赋属性MASS21属性，mesh关键点，然后建立刚性区域；

 b). 蜘蛛网法 （推荐使用此方法，实例讲解）

            在要建立接口节点的地方建立节点（直接建立节点就行，没有必要用MASS21），用该节点与对应的节点创建梁单元（beam188），之所以称为蜘蛛网法，是因为一个主节点发散到周围的很多节点建立梁单元，看起来就像蜘蛛网一样;

 c). 梁单元法 （不建议使用）

            在要建立接口节点的地方建立节点，然后用该节点与某一个节点创建一个梁单元。  

三种方法中，第二种是是ANSYS优选的，第三种是不推荐的。从图中看出第三种方法传递力的特性是比较差的，但是比第二种方法简单，不过要使用第二种方法的话，建议使用宏命令或者命令流。第一种方法比较容易出错，刚性区域要反反复复地的建立删除，目前大部分网上资料都是用刚性区域法，不过还是建议用蜘蛛网法。 

 

3、 ANSYS Help蜘蛛网法命令流解说演示（实例讲解）

针对ANSYS Help里面的蜘蛛网法输出mnf文件的案例，做分布操作演示，以及命令流的使用解释。

4、 ANSYS输出mnf文件Y一般错误原因解释以及解决办法。

a). Unable to open file genCMS.mode.  Unit 46 is already in use.  Please     send your data to your ANSYS Technical Support Provider.   

这个让ANSYS软件犯傻的问题，具体是怎么回事，怎样解决我也不知道。但是在我确信我的模型没有问题后，它还是这样报错，实在是没有办法了。有那找技术支持的时间，还不够重启软件一次ANSYS？重启之后果然没有这种错误了；不知这是解决方法，还是巧合。  

b). Negative pivot encountered. This is  likely caused by insufficient displacement constraints or improper master dof selection to avoid rigid body motion of the superelement region currently selected 

以及：superelement file subelem.sub is not available. 

这种错误一般都是模型的连接有问题，特别是装配体，中间可能有自由的零部件，导致结构不能正常的传递力。另外就是模型中可能存在独立的节点（不在任何单元上的）；  

c). the number of modes expected (66)does not match the number found(61).Most likely, the model  has errors or there were more modes requested than exist. Please review the Prior modal  solution for warnings 

这个问题应该先明白ANSYS中Number of Modes to exatract 中的值X 、选取的接口节点个数Y与ADAMS中看到的柔性性的模态数量Z的关系: Z=6×Y+X； 

我的一个模型刚开始的时候我设置的X=6，选取了接口节点Y=8，然后就总是出现上面的报错，后面我减少了接口节点的个数，只选了三个，就没有报错了。这个方面我认为是能少选就少选，选得越多计算时间越长，越到高阶的模态对计算的结果影响也越少，到ADAMS中还得关闭一些高阶模态，所以能少则少！

5、 有限元软件输出的mnf文件是否正确

生成mnf文件后的模态振型和频率与原始模态振型和频率的对比

 

五、         mnf文件的使用

1、 ADAMS Flex对mnf文件的详细查看（实例解说）

无论是ADAMS中生成的mnf，还是有限元生成的mnf文件，都可以利用ADAMS/Flex模块进行查看，包括Flex工具箱的说明和优化器，有关输出的版本信息、文件头、单位、精度、输出节点、频率等

2、 柔性体mnf文件的替换和使用（实例解说）

如何导入mnf文件，如何将柔性体替换成刚性体，如何将柔性体替换成柔性体，以及柔性体柔性体替换

3、 柔性体mnf文件的编辑（实际软件操作解说）

对于柔性体的编辑与刚体的编辑差别很大，对于ADAMS中柔性体计算最重要的部分，需要用到哪些模态阶数参与计算，对还整个柔性或者刚柔耦合有很大的影响，包括柔性体的阻尼和有效性、名称位置、初始状况及速度、模态初始状况等等。

4、 ADAMS虚构件（哑体）的使用（实例操作演示）

在将柔性体导入ADAMS中后，需要将柔性体和其他刚性体或者柔性体之间建立运动副约束关系以及施加载荷等。如果直接使用柔性体与刚性体建立关系，由于理论条件限制和其他因素考虑，例如时间无限长以至于计算不出来，运动仿真不运行等。这时候需要构件一个虚构件，也有叫哑物体。意思就是建立一个和导入的柔性体一样或者类似的刚体构件，将刚体构件的的质量和转动惯量信息置0，然后将柔性体与刚性体固定在一起，其应该在柔性体上的运动副、约束和载荷都定义在虚构件上。

 

六、         刚柔耦合分析后节点应力应变信息查看

1、     ADAMS中危险节点以及节点应力应变报告信息（实例演示）

在ADAMS进行刚柔耦合分析以后，怎么查看柔性体中危险节点，以及某一些节点的的应力应变信息，这就要用到Durability和后处理模块，首先条件是不管是在adams还是CAE软件在生成mnf文件的时候，必须选择输出应力应变的选项，这样后面才有结果。以报告report的形式显示。

2、柔性体载荷导出，在CAE有限元软件计算获得受力状况及云图显示（实例演示）

   ADAMS只能显示应力应变的数值信息，生成报告，需要查看受力情况和云图显示，则需要将柔性体载荷文件导出，ADAMS支持模型中的刚性体和柔性体的动态载荷信息输出道FEA程序中，再在CAE软件中计算，来查看受力状况和云图显示。同样本案例以ANSYS软件进行操作演示。

本案例配备视频地址：http://www.jishulink.com/college/video/c10230