ADAMS刚柔耦合多体系统动力学建模

Ｖ０１．２４Ｎｏ．１Ｊａｎｕａｒｙ２００７

安徽工业大学学报

Ｊ．ｏｆＡｎｈｕｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ

第２４卷第１期

２００７年１月

文章编号：１６７卜７８７２（２００７）０１—００４３—０３

ＡＤＡＭＳ刚柔耦合多体系统动力学建模

石珍强。徐培民

（安徽工业大学机械工程学院，安徽马鞍山２４３００２）

摘要：刚柔耦合是多体系统最常见的力学模型，探讨其建模规律是多体系统动力学研究的重要内容。用ＡＮｓＹｓ和ＡＤＡＭｓ软件为一四杆机构分别建立了一个多柔体模型和刚柔耦合模型，以前者动特性为参考，研究刚柔耦合模型对系统动态特性的影响，探索多体系统刚柔耦合建模规律。结果表明，从低阶模态来看，各构件经恰当处理后刚柔耦合模型能够较好地反映系统的动态特性。

关键词：刚柔耦合；ＡＮｓＹｓ—ＡＤＡＭｓ；多体系统

中图分类号：ＴＰ３９１．９文献标识码：Ａ

ＤｙｎａｍｉｃａｌＭｏｄｅｌｉｎｇｏｆＣｏｕｐｌｅｄＲｉｇｉｄ—ｎｅｘｉｂｌｅＭｕｌｔｉｂｏｄｙＳｙｓｔｅｍｓＵｓｉｎｇＡＤＡＭＳ

ＳＨＩＺｈｅｎ—ｑｉａｎｇ，ＸＵＰｅｉ—ｍｉｎ

（ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＡｎｈｕｉＵｎｉＶｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏＩｏｇｙ，Ｍａ７ａｎｓｈａｎ２４３００２，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｍｏｄｅｌｓｏｆｒｉｇｉｄ—ｎｅｘｉｂｌｅｃｏｕｐｌｉｎｇａｒｅｇｅｎｅｒｉｃｄｙｎａｍｉｃａｌｏｎｅｓｏｆｍｕｌｔｉｂｏｄｙｓｙｓｔｅｍ．Ｉｔｉｓａｎｉｍｐｏｒｔａｎｔｊｏｂｆｏｒａｎａｌｙｓｉｓｏｆｍｕｌｔｉｂｏｄｙｓｙｓｔｅｍｔｏｅｘｐｌｏｒｅｔｈｅｇｅｎｅｒｉｃｍｅｔｈｏｄｏｆ—ｇｉｄ—ｎｅｘｉｂｌｅｃｏｕｐｌｉｎｇｍｏｄｅｌｉｎｇ．Ａｍｕｌｔｉ—

ｎｅｘｉｂｌｅ

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ｍｏｄｅｌａｎｄａｒｉｇｉｄ—ｎｅｘｉｂｌｅｃｏｕｐｌｉｎｇｍｕｌｔｉｂｏｄｙｓｙｓｔｅｍｍｏｄｅｌａｒｅｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄｆｂｒａｆｏｕｒ—ｂａｒｌｉｎｋａｇｅｕｓｉｎｇＡＮＳＹＳａｎｄＡＤＡＭＳｓｏｆ【ｗａｒｅ．ＣｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈｔｈｅｄｙｎａｍｉｃｂｅｈａＶｉｏｒｏｆｔｈｅｆｏｒｍｅｒｍｏｄｅｌ，ｔｈｅｉｎｎｕｅｎｃｅｏｆｒｉｇｉｄ—ｎｅｘｉｂｌｅｃｏｕｐｌｉｎｇｍｏｄｅｌｏｎｄｙｎａｍｉｃｐｒｏｐｅｒｔｙｏｆｔｈｅｓｙｓｔｅｍｉｓｅｘａｍｉｎｅｄａｎｄｔｈｅｍｌｅｓｏｆｍｏｄｅｌｉｎｇａｒｅｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｒｉｇｉｄ—ｎｅｘｉｂｌｅｃｏｕｐｌｉｎｇｍｏｄｅｌｔｈａｔｉｔｓｐａｒｔｓｗｅｒｅｔｒｅａｔｅｄｐｒｏｐｅｒｌｙｃａｎｒｅｎｅｃｔａｐｐｒｏｘｉｍａｔｉｖｅｌｙｄｙｎａｍｉｃｐｒｏｐｅｒｔｙｏｆｔｈｅｓｙｓｔｅｍａｔｔｈｅｌｏｗｅｒｍｏｄａｌ－

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｒｉｇｉｄ—ｎｅｘｉｂｌｅｃｏｕｐｌｉｎｇ；ＡＮＳＹＳ—ＡＤＡＭＳ；ｍｕｌｔｉｂｏｄｙｓｙｓｔｅｍ

目前，多刚体系统的建模理论已经相当成熟，在多柔体系统建模方面，尽管国内外许多学者做了大量的研究，但仍有一些问题未能得到有效解决。多体系统既存在构件大范围的刚体运动，又存在弹性变形，因而多柔体系统动力学与多刚体系统动力学分析及结构有限元分析均有密切关系。实际工程问题严格来说大多属于柔性多体动力学问题，为使问题易于求解，往往将其简化为多刚体动力学问题或结构动力学问题来处理。随着柔性多体动力学的发展，基于相关理论的许多大型通用分析软件（如ＡＤＡＭＳ，ＤＡＤＳ等）的出现为复杂机械系统动力学分析提供了可靠的手段【”。利用ＡＮｓＹＳ和ＡＤＡＭｓ软件，为同一平面四杆机构分别建立一个多柔体系统模型和一个刚柔耦合多体系统模型，探讨多体系统刚柔耦合建模的一般方法，研究刚柔耦合模型对系统动态特性的影响。

１ＡＤＡＭＳ刚柔耦合建模

机械系统动力学分析和仿真软件ＡＤＡＭｓ是一种用于虚拟样机分析的应用软件，可对整个机械系统进行静力学、运动学和动力学等分析，主要用于刚体动力学分析。为考虑实际机械系统中具有较大柔性构件的弹性变形对系统运动的影响，它同时提供了柔性体模块ＡＤＡＭｓ／Ｆｌｅｘ。该模块要求柔性体采用修正的ｃｒａ唔一收稿日期：２００６一０７一１７

基金项目：中科院机器人学重点实验室资助项目（ＲＬ２００５０４）

作者简介：石珍强（１９８１一），男，山东沂水人，安徽工业大学机械工程学院硕士生。

４４安徽工业大学学报２００７年

Ｂａｍｐｔｏｎ方法（动态子结构方法的一种），用模态展开法来描述柔性体的弹性变形㈣，主模态集通常是将高阶模态截断的低阶模态集，约束模态是对固定界面每次仅放松一个自由度得到的，数目等于子结构界面自由度的数目。

ＡＤＡＭＳ多体系统由几个部分组成：部件、约束、作用力、自定义的代数一微分方程。其中部件可以是任何刚体、集总质量或柔性体。多体系统建模首先是创建虚拟样机的各个刚体构件或柔性体构件，然后根据实际情况添加约束和施加作用力。ＡＤＡＭＳ将根据所建机械系统模型，自动生成基于笛卡儿广义坐标的系统拉格朗日运动方程。

多体系统中的构件是由各种铰链联接在～起的，描述构件运动的广义坐标并非完全独立。相关广义坐标之间的联系即约束方程。在列写约束方程时考虑柔性体的弹性变形，这是多柔体系统与多刚体系统的主要区别【４］。

约束方程的形式为一组非线性方程组Ｃ（甄￡）＝Ｏ（１）

式中：ｇ：［口１Ｔ口扑…ｇ”’ｎ为系统全部广义坐标，‰为多体系统的构件个数；ｃ：［Ｃ，Ｃ：…ｑ］Ｔ，％为约束方程的个数。各约束方程要求线性独立。

对系统的第ｉ个柔体或刚体，拉格朗日方程形式为

…，，ＴＴ

軎（詈）一（等）＋如Ｑ‘（２）式中：Ｋ为柔体或刚体的动能；Ａ为拉氏乘子；Ｑｆ为广义力，包括由单元弹性变形引起的广义力和由外加载荷引起的广义力。方程（１），（２）构成多体系统的动力学方程。

２四杆机构的模态分析

设计一个简单的平面四杆机构来探索应用ＡＤＡＭＳ进行刚柔耦合建模的一般方法。机构中至少应有一个杆件相对于其它杆件刚度较弱、柔性较大，如取连

杆。同时，要注意各杆件的质量和埙量相差不应过于

悬殊。

根据以上要求，设计出的四杆机构为图１所示

的双摇杆机构。各杆件的截面形状均取为矩形，几何

尺寸和所用材料如表１所示。相对来说连杆柔性较大，刚柔耦合建模时可作为柔性体来处理。

为考察刚柔耦合简化模型对系统动态特性的影响，分别采用全柔性体模型和刚柔耦合模型来计算双摇杆机构在某一典型位姿下的模态，比较两种模型下机构动态特性的异同。全柔性体模型将机构各

图１双摇杆机构示意图

表１双摇杆机构各杆件几何尺寸和材料

Ｃ注：宽度是指垂直于机构平面方向的尺寸。

构件均作为柔性体来处理，刚柔耦合模型将摇杆视

为刚体，连杆作为柔性体来处理。为便于说明，将前者简称为模型一，后者简称为模型二。

典型位姿下，双摇杆机构边界条件和各构件之间的约束关系：摇杆ＡＢ与机架在Ａ点（即轴承中心）以固定副连接，摇杆ＣＤ与机架在Ｄ点以旋转副连接。摇杆ＡＢ与连杆、摇杆ＣＤ与连杆分别在最ｃ点以旋转副相连接。

在ＡＤＡＭｓ中，要使用ｎｅｘ模块创建某构件的柔性体，必须先生成该构件的模态中性文件（ＭｏｄａｌＮｅｕｔｒａｌＦｉｌｅ）嘲。虽然摇杆和连杆的结构非常简单，可直接使用ＡＤＡＭＳ／Ａｕｔｏｎｅｘ模块生成它们的模态中性文件，但结构复杂的构件只能通过有限元软件生成模态中性文件，因此文中将通过有限元软件ＡＮＳＹＳ来生成摇杆和连杆的模态中性文件。

取摇杆Ａ日转角拈６００时，系统构形作为典型位姿，假设机构位于铅垂面内，基于两种模型计算的该位姿时双摇杆机构的前６阶固有频率如表２所示，各模态振型如图２所示。

第１期石珍强等：ＡＤＡＭＳ刚柔耦合多体系统动力学建模

４５

图２双摇杆机构在两种模型下的模态振型

由表２和图２可见：模型一和模型二的前３阶及第５阶模态固有表２频率均十分接近，且振型定性一致，都表现为连杆在水平面内或铅垂

面内的弯曲振动：ｌ阶为水平面内连杆１阶弯曲振动，２阶为铅垂面内

连杆一阶弯曲振动，３阶为水平面内连杆二阶弯曲振动，５阶为铅垂面

内连杆２阶弯曲振动。

模型一的第四阶固有频率为３１４．９Ｈｚ，模态振型为双摇杆在铅垂

面内的左右摆动及连杆铅垂面内的１阶弯曲振动。文中设定的边界条

件和约束条件下，左侧摇杆在该阶模态中有明显的类似梁的弹性变

形，但它也有本不应存在的绕Ａ点左右摆动的刚体位移。原因是弹性双摇杆机构在某位置处的前６阶固有频率（Ｈｚ）

杆Ａ日只在／４处轴承中心节点与机架固连，邻近单元依然可发生较大弹性变形，看起来还像铰链连接一样。

刚柔耦合模型没有与上述第４阶对应的模态存在，发生了漏根现象。原因是，摇杆ＡＢ在轴承Ａ中心处与机架以固定副连接，一旦刚柔耦合建模中将摇杆ＡＢ刚化，整个Ａ召摇杆经由这一边界条件就变成了机架的一部分，再也不会出现铅垂面内的左右摆动。相应地右侧摇杆左右摆动、连杆铅垂面内一弯的模态再也不会出现，或者推后到高频段出现。

漏根现象的发生说明刚柔耦合模型存在一定的局限性。另外，模型一的第６阶模态与模型二相比，连杆振型定性一致，但固有频率相差较大，这也是由摇杆ＡＢ的固化引起。所以，漏根和模态频率升高现象在刚柔耦合简化建模过程中是不可避免的。在考虑构件作为柔性体处理时，还应考虑计入该构件的哪几阶模态，相邻构件的刚化处理是否会影响这几阶模态的出现及模态频率的升高。

３结论

（１）刚柔耦合建模过程中，系统中各构件作为刚体处理还是柔体处理的依据是各构件刚度的相对大小以及某构件刚化后对相邻弹性构件弹性变形的影响。

（２）刚柔耦合模型是全柔体模型的一种近似，不可避免地会出现漏根和模态频率升高现象，但只要正确处理好各构件的性质（刚体还是柔体），从模态分析的低阶模态来看，刚柔耦合模型能够较好地反映系统的动态特陛。

参考文献：

【１】陆佑方．柔性多体系统动力学【Ｍ】．北京：高等教育出版社，１９９６：１—７．

［２】陈新．机械结构动态设计理论方法及应用［Ｍ】．北京：机械工业出版社，１９９７：１１５—１１６．

［３】李军，邢俊文，覃文洁，等．ＡＤＡＭｓ实例教程嗍．北京：北京理工大学出版社，２００２：１９０—１９１．

［４】王国强，张进平，马若丁，等．虚拟样机技术及其在ＡＤＡＭＳ上的实践【Ｍ】．西安：西北工业大学出版社，２００２：８—２７．

［５］梁浩，余跃庆，张成新．基于ＡＤＡＭｓ及ＡＮｓＹｓ的柔性机器人动力学仿真系统田．机械科学与技术，２００２，２１（６）：８９２—８９５

ADAMS刚柔耦合多体系统动力学建模

作者：石珍强， 徐培民， SHI Zhen-qiang， XU Pei-min

作者单位：安徽工业大学,机械工程学院,安徽,马鞍山,243002

刊名：

安徽工业大学学报（自然科学版）

英文刊名：JOURNAL OF ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY(NATURAL SCIENCE)

年，卷(期)：2007，24(1)

被引用次数：3次

参考文献(5条)

1.陆佑方柔性多体系统动力学 1996

2.陈新机械结构动态设计理论方法及应用 1997

3.李军.邢俊文.覃文洁ADAMS实例教程 2002

4.王国强.张进平.马若丁虚拟样机技术及其在ADAMS上的实践 2002

5.梁浩.余跃庆.张成新基于ADAMS及ANSYS的柔性机器人动力学仿真系统[期刊论文]-机械科学与技术 2002(06)相似文献(5条)

1.学位论文潘虹基于虚拟样机技术的轧辊系动力学仿真2006

外螺纹钢管轧机是生产精轧外螺纹钢管的关键设备，深入研究其轧辊系，对促进新型锚固技术的快速发展，实现自钻注浆式外螺纹锚杆的国产化

，具有重要意义。

本文在分析轧辊系工作原理的基础上，采用基于虚拟样机技术及相关软件平台，建立了三辊外螺纹轧机辊系的三维数字化样机，并对其进行了较为系统的多体系统动力学仿真分析和研究。论文的主要工作包括：

分析了螺旋孔型斜轧的成形特点、成形过程以及斜轧的运动原理，并根据轧辊系的真实结构简化出适合动力学仿真的物理模型。

应用三维实体造型软件SolidWorks，建立了轧辊系的三维实体模型，并将其导入ADAMS软件。

在ADAMS软件平台上，综合考虑摩擦力、轧制力等因素对轧辊系性能的影响，对轧辊系各个部件施加约束和力，建立轧辊系虚拟样机，进行多刚体系统动力学三维可视化仿真，得到了整个轧制过程中轧辊受力的变化情况及受力最大时刻轧辊的情况。然后，利用ANSYS对该时刻的轧辊受力进行有限元分析，得出轧辊在受力最大时刻的应力分布及变形情况。

最后，通过使用ADAMS/AutoFlex模块和ANSYS-ADAMS-接口两种方法分别将钢管和轧辊柔性化，建立轧辊系的刚柔耦合虚拟样机，并在ADAMS中进行刚柔耦合系统的轧制过程变形分析与仿真。

本文的研究，为轧制系统的设计提供了较重要的参考依据。此外，本文综合利用三维设计软件(SolidWorks)、多体系统动力学仿真分析软件(ADAMS)及有限元分析软件(ANSYS)解决问题的思想和方法对类似研究具有一定借鉴意义。

2.学位论文潘震车身结构的静动态特性分析与研究2007

在总结国内外最新研究成果的基础上，本文探讨了CAE在白车身建模和仿真过程中的应用，主要内容及成果如下:

(1)对白车身建模进行了详细的研究，对建模过程中的常见特征提出了简化的原则及方法，由此建立了某白车身有限元模型，保证了精度和效率的统一.

(2)现代汽车产品开发中，车身结构必须同时满足弯曲刚度、扭转刚度和固有模态这些基本力学性能要求，基于此提出了车身刚度评价指标和评价方法.然后，对白车身进行了多种弯曲刚度和扭转刚度分析及模态分析，对该车身的静动态特性进行了深入的研究.为了验证模型的可靠性，进行了实车车身结构刚度及模态试验.

(3)在ANSYS/ADAMS环境下，采用有限元理论和多体系统动力学理论相结合的方法，利用有限元软件ANSYS生成模态中性文件，在ADAMS/Car中以白车身作为柔性体建立整车多柔体动力学模型，进行了整车刚柔耦合多体动力学分析，并比较了刚性与柔性车身在动力学方面的特性.实践证明，刚柔耦合系统模型的仿真结果更符合实际情况，分析的准确度得到了提高.

总之，基于虚拟样机技术进行整车系统的建模与仿真研究，是未来汽车系统设计开发的必要环节；以有限元理论和多体系统动力学理论为基础的CAE技术是研究汽车性能的重要方法；CAE分析软件的不断完善和计算机技术的飞速发展为汽车性能的仿真计算提供了有利的条件；不断进步的试验方法和手段为汽车性能的研究提供了可靠的保障；通过不断的探索与实践，对白车身性能的研究必将为汽车技术的发展做出巨大的贡献.

本文研究的课题属于工程应用型课题，需要在今后的车身设计和分析中进一步深入研究，对改善车身设计和提高分析水平较大的现实意义.

3.学位论文龙祥凸轮活塞发动机动力学仿真研究2007

基于对五缸凸轮活塞发动机结构和工作原理的了解，本文将发动机视为一个由缸体一外轴子结构、凸轮一内轴子结构、活塞子结构组成的轴系装配体，并借助MATLAB和主流CAD/CAE/CAM软件Pro/Engineer、ANSYS、ADAMS对其进行了仿真分析和研究，主要包括：①利用Pro/Engineer分别建立各子结构的三维实体模型，同时，通过对各子结构进行装配实现对发动机整机的三维建模。②利用ANSYS对各子结构进行有限元计算，得到其固有振动特性。③建立发动机整机基于ADAMS与MATLAB联合仿真的刚体动力学模型，且仿真模型具有多个外部可调参数。④建立发动机的刚柔耦合体模型，并以此研究整机的振动特性。

本文建立的三维模型具有较大的修改灵活度，能满足多种应用需求；各子结构模态分析表明，发动机子部件具有明显的轴特征；建立刚体动力学模型的方案是可行的，该模型能用于研究各参数与发动机动力学性能之间的关系，而建立刚柔耦合体模型则为研究发动机整机的振动特性提供了新的途径和方法，它们是对将虚拟样机技术方法应用于鱼雷发动机研究的一次重要且有效的探索。

4.期刊论文赵丽娟.王乘云采煤机截割部建模与动力学仿真研究-工程设计学报2010,17(2)

采煤机工况恶劣,载荷复杂,使得基于物理样机的试验危险性大且代价昂贵,而利用虚拟样机技术进行建模与仿真研究可以在物理样机产生前对产品的性能进行全面评估,从而获得系统级优化的产品.建立了采煤机截割部刚柔耦合虚拟样机,剖析了基于Pro/E建立三维实体模型、MATLAB模拟滚筒所受冲击载荷、ANSYS制作模态中性文件、ADAMS设置仿真参数等若干关键技术问题,大大提高了基于Pro/E,ANSYS,ADAMS和MATLAB等软件进行多领域建模和仿真的可操作性,对于研究多体系统工作的可靠性具有重要价值.

5.学位论文雷娜旋转冲压发动机虚拟样机设计与研究2008

旋转冲压发动机综合了燃气涡轮发动机、活塞发动机和冲压发动机的优点，具有结构简单、体积小、功率大、效率高、静止状态下也能自行启动等特点，可应用于飞行器和地面动力装置中。该发动机的主体结构为一内置有旋流燃烧室的高速旋转无叶无塞内燃转子，即能融压气、燃烧和排气做功于

一体的冲压转子。本文基于对旋转冲压发动机结构和工作原理的了解，借助主流CAD/CAE/CAM软件UG、ANSYS、ADAMS对旋转冲压发动机虚拟样机进行设计和仿真研究，主要包括：

冲压转子是旋转冲压发动机的核心部件，其工作在高温、高转速下，承受着较大气动力以及随机载荷较易引起各种形式的振动。所以必须对其进行在温度和转速共同影响下的振动模态分析。本文采用有限元分析软件ANSYS利用顺序耦合方法在温度和转速共同作用下同时考虑了在刚性和弹性两种不同支承条件下对冲压转子进行了模态分析。可知在仅有温度场存在的情况下，模态频率随着温度的增加而减小，而离心力又使轮盘刚性增强，固有频率增加。同时采用三维建模软件UG和机械系统动力学分析软件ADAMS建立了旋转冲压发动机机械系统虚拟样机，通过运动学和动力学仿真获得了冲压转子的角速度、角加速度等随时间变化的曲线，同时研究有限元分析软件ANSYS和ADAMS软件之间的数据传递，考虑了冲压转子的柔性变形建立了旋转冲压发动机的刚柔耦合体模型，对其进行了动力学分析，为发动机结构的改进提供有力依据。

本文的研究结论不仅对旋转冲压发动机物理样机的试制和性能评估提供了重要的参考数据，而且对其他复杂机械设备虚拟样机的建立及动力学分析具有一定的参考价值，也为新产品的开发提供了有效的方法和经验。

引证文献(3条)

1.李充宁.陈晓敏2K-V型摆线针轮减速机的动力学仿真研究[期刊论文]-机械传动 2009(2)

2.陈景锋.蒋德松基于联合动力的电力推进原动机并车过程研究[期刊论文]-船舶工程 2007(5)

3.林洪贵.蒋德松自动同步离合器阻尼-时间特性研究[期刊论文]-中国航海 2009(4)

本文链接：https://www.sodocs.net/doc/0a17982024.html,/Periodical_hdyjxyxb200701012.aspx

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