范文一:ansys和adams刚柔耦合详细步骤
ansys和adams刚柔耦合详细步骤
ANSYS与ADAMS进行联合柔性仿真
基本思路:在ANSYS进行.mnf文件输出,然后把输出的.mnf文件输入ADAMS,进行零件更换。然后在ADAMS进行加载约束,仿真,查看结果。
软件:ANSYS10,ADAMS 2007 R3
具体步骤:
一 ANSYS输出.mnf柔性文件
1.1 建立单元
单元1:solid45 或者其他3D单元 单元2:MASS21,此单元只用于连接点单元 设置弹性模量,泊松比,密度 3个参数
1.2导入模型(.x_t)或者建立模型
完成后,创建连接点,ANSYS要求必须是2或者2个以上的连接点
创建连接点:如下图,在下面2个圆柱孔的中心,注意是圆柱体的中心,不是某个面得中心,创建2个keypoints。具体方法,看个人而定。
1.3 划分单元
对体用3D单元划分,我选用meshtool方法
接下来设置real constants,这个参数设置,一定要到等到3D网格划分完后再设置
对MASS21 进行设置。
Real constant Set No. 要大于2,下面的值要非常小。
然后对连接点,即keypoints进行单元划分:先设置keypoints 属性,
如下
然后划分单元,用meshtool, 对keypoints划分单元,结果如下如下图
1.4建立刚性区域
刚性区域都是节点=连接节点+刚柔接触的面上所有节点
在ANSYS里面,这一步,连接点为主节点,刚柔接触面上的所有节点为从节点 首先得按如下2个图片进行主节点和从节点 节点组合。
(或者用循环语句也行)
1.4.1建立主节点
component
选择1个主节点,即连接节点。 接下来
Cname 命名就OK.componet就这样创建完毕。
按照此方法,对另外一个连接点,建立一个componet。在这个例子里,命名为m2.
1.4.2建立从节点componet
首先选中2个圆柱面。(对1个圆柱孔操作)
然后选择这2个面上所有节点,操作如下:
点击OK,就可以了。接下来
命名好,就完成从节点的componet
按照上述方法,对另外一个连接点和圆柱面上的节点,建立2个componet
1.4.3组装主节点和从节点component,形成1个
ASSEMBLY
按照这个方法,对另外一对主节点和从节点component进行组装。
1.4.4建立刚性区域,首先选择上述建立的一个assemble
然后显示这个组件上所有的节点
如下图,显示了这个组装的所有节点。
接下来,设定刚性区域,这个操作都是针对 节点。而上面的所有操作,都是把节点提出来。
先选择 主节点,点击apply,然后点击Pick ALL,后面的都点击OK,就完成了刚性区域建立。
重复1.4.4 对另外一个assemble上节点,也进行刚性区域设定。最后如下
1.5输出.mnf文件
设置分析类型和抽取模态数
这里么,设置No. of modes to extract 和 No. of modes to expand 设置一样就OK了。 然后进行下面操作。
选择2个主节点(如果有多个,就全部选择)点击OK,出现如下设置:
然后点击 Solve and create export file to ADAMS
到此完成.mnf文件输出。
二 ADAMS进行柔性仿真
版本,R2以及以前的版本都不能直接对柔性件加接触约束,而R3版本,已经解决了这个问题。所以采用R3版本进行仿真。
可以直接导入mnf文件,然后进行仿真,仿真方法跟刚性件一样。
在ANSYS建立的连接点,到ADAMS里面,变成了marker点。
2.1 导入.mnf柔性文件
另外可以采用柔性代替刚性件进行操作。
2.2 加边界条件
如同刚性体一样加载约束和力。
如果是采用替换刚性体的方法,必须对边界条件进行重新审视,因为原刚性体和柔性体的marker点已经不同了。
建议:删除该柔性体上的全部边界条件,重新加载,以防出错。
接触约束,必须重新加载。Contact type 选择 柔性VS刚性,或者柔性VS柔性
2.3 求解器
必须改成C++的
OK,保存,然后重启ADAMS/View
2.4 后处理
首先要查看 变形 模块是否开启,如果没有,按照下面操作。把Adams/Durability选上就OK了。
点击
Plotting
进入后处理模块。
2.4.1动画查看
选择Animation模块
选择Overlay
选择
Contour Plots
进行动画操作,可以看到应力随时间的变化。
2.4.2 曲线查看
查看具体某个节点的应力随时间变化。
上面这个表是节点应力的排序。
建立一个数据,可以显示。
这样就可以显示具体某个节点的应力情况了。
范文二:基于ANSYS-ADAMS的刚柔耦合仿真
在前面某篇博文中,我在 ANSYS WORKBENCH内部做了一个刚柔耦合仿真以后,有 朋友希望知道如何用 ANSYS 和 ADAMS 来做联合仿真。我这里做了双曲柄机构如下图。
上图中, 连杆是柔性体, 是从 ANSYS 经典界面中生成的。 而两个曲柄都是在 ADAMS 中生成的。下面说明主要的步骤。
1. 创建连杆的几何模型。(三维实体, ANSYS 经典界面,下同)
2. 添加两种单元类型。 SOLID185为连杆的实体单元, BEAM188用于创建蛛网结构。
3. 添加材料类型。第一种给连杆,第二种给蛛网结构的梁。
4. 创建截面类型。主要是设定面积,转动惯量等,为梁单元的截面。
5. 用 SOLID185给连杆划分网格。
6. 在两个圆孔中心创建两个节点。 这两个节点在后面用于与 ADAMS 中的刚体相连接。
7. 在第一个节点与周围的圆上节点之间创建 BAEM188蛛网单元。
8. 在第二个节点与周围的圆上节点之间创建 BAEM188蛛网单元。
这是创建完毕后的整体效果
9. 进入到 ANSYS 中的 ADAMS 接口设置。
首先选择两个圆心接口节点。
OK 后弹出下面的设置对话框
确定选择后,点击 “solve and create export file to ADAMS”
1分钟不到就生成了 ADAMS 所需要的模态中性文件,如下图。
下面进入到 ADAMS 。
1. 打开
ADAMS2012.
2. 在工具栏中选择 ADAMS/FLEX按钮以创建柔性体
3. 在下面对话框确定柔性体的名称,并指定前面的模态中性文件的位置,然后 OK.
4. 片刻之后,该模型生成,如下图。
5. 在 ADAMS 中加入两个曲柄。
6. 加入四个转动副。一定要注意,在曲柄和连杆之间添加转动副时,是在前面的两个 节点位置处创建的。
7. 对原动件的转动副施加转动约束。
8. 进行仿真。
9. 下面是仿真的结果。
到此结束。
可见,上面的步骤中, ANSYS 中的操作是关键。如果朋友们对里面的细节不清楚,只 需要查看 ANSYS APDL中关于 ANSYS-ADAMS 的帮助,我用的连杆就来自那个例子。
范文三:齿轮刚柔耦合建模计算
齿轮啮合及刚柔耦合分析 算例简介
1. 目前齿轮建模方面需要面临的挑战:
齿轮副在连续啮合过程中的受载性能、 齿根弯曲应力和齿面接触应力, 对齿轮的可靠性 和寿命有重要影响;
系统动力学特性与局部非线性因素的影响:齿轮啮合是一个边界条件高度非线性的力 学问题,包含接触、摩擦、碰撞等非线性因素。
由于弹性变形和动态载荷,齿轮实际的工作过程是动态的,齿轮实效(如:齿根疲劳折 断、齿面点蚀和磨损)与实际齿轮的动态应力有关。需要考虑动刚度、 冲击相应等动力学问 题。 另外,还应该考虑整个齿轮系统的动态载荷对齿轮动态应力的影响(如:轴承刚度、 齿轮啮合刚度、机匣振动)。
2. 解决方案:
采用基于 Samcef Mecano的刚柔耦合动力学建模:
(1) 非线性有限元模拟齿轮的动态啮合接触;
(2) 刚体单元、齿单元、轴承单元、用于多体系统动力学仿真。
2.1仿真模型:
共两对齿轮,分别定义为柔性体接触和齿单元运动副。采用的齿轮单元能够模拟工业 应用中的各种齿轮,包括直齿轮,斜齿轮,锥齿轮,内啮合齿轮,蜗轮蜗杆等。 通过仿真模型可以得到以下仿真结果:
齿间的法向接触力的模量;
齿间摩擦力;
齿间相对滑动速度;
齿间切向力;
扭矩;
接触力沿 X,Y , Z 方向的分量;
瞬时接触刚度;
2.2添加的边界条件
Constraint/Assembly
Contact: 使用 samcef 可以进行柔性体 -刚性体,柔性体 -柔性体的接触仿真。采用两种 算法:uncoupled iterations method/Coupled iterations method
两种算法的优缺点比较:
Uncoupled :适合柔性体 -刚性体, 柔性体 -柔性体的接触, 并且具有优良的收敛性。 需要较大的计算资源。
Coupled :只适用于柔性体 -柔性体的接触, 需要的计算资源较小,计算速度快。对 于高度非线性问题,如较大摩擦系数,强烈的几何非线性,塑性等问题,难收敛。 2.3结果
计算求解:
3. 优势总结
3.1与有限元软件对比
同一计算平台中, 对系统进行刚柔耦合建模与计算, 为有限元计算获取更在加准确的系 统载荷,从而得到更加准确有限元计算结果(如:动态应力等);
Samcef Mecano非线性求解器对各种非线性因素的处理方法、 稳健高效的求解算法以及优 异的收敛性,对问题的解决提供了很大的帮助。
3.2与多体动力学软件对比
能够处理机构中构件的相对运动和相互作用力等问题(如,啮合力、转速等)
基于 Samcef Mecano进行了的非线性刚柔耦合 /多柔性体动力学通过有限元的方法, 能够 处理构件在载荷作用下的变形等问题,使得机构间的载荷更加准确。
可以分析出齿轮在连续啮合过程中的受载接触性能, 如齿根处的动态弯曲应力、 齿面的 接触应力等。对于齿轮修形、可靠性和疲劳分析具有重要意义。
范文四:基于ADAMS和ANSYS的刚柔耦合模型分析
基于 ADAMS 和 AN S YS 的刚柔耦合模型分析
彭礼辉 , 李 光 , 阳贵明 , 刘领化
()湖南工业大学 机械工程学院 ,株洲 412008
摘 要 : 结合机械动力学分析软件 ADA M S 和有限元分析软件 A N S YS 进行联合仿真 . 利用动力学仿
真得到的载荷谱读入到 A N S YS 中 ,得到更为准确的结果 ; 另一方面 ,考虑到实际机械系统中柔性体的
影响 ,构建了一个刚柔耦合模型 ,从而可以更加真实地模拟机构的动态性能 ,提高了计算精度 ,结果表明
柔性体对机构运动精度的影响不容忽视 .
关键词 : 机械动力学 ;有限元 ;载荷谱
() 中图分类号 :文献标识码 :T H113 . 2 A 文章编号 : 1671 - 119 X 201103 - 0022 - 03
引言ADA M S 软件与 A N S YS 软件的结合0 1
( 机械系统动力学自动分析 A uto matic Dyna mic 在动力学仿真软件 ADA M S 中进行仿真分析 ,
) () A nal ysi s of Mecha nical Syst e ms, 是美 国 M SC 公 可以得到所需要的载荷文件 即 . lo d 文件,这就为 司开发的虚拟样机分析软件 . 在 ADA M S 中可以建 A N S YS 有限元软件进行分析提 供了 载 荷谱 、位 移 立机械系统的运动学 、动力学模型 ,其模型主要为刚 谱等信息 . 然后在 A N S YS 中利用得到的载荷谱信 性 体 , 也 可 以 是 柔 性 体 , 还 可 以 是 刚 柔 耦 合 模 息 作 为 边 界 条 件 , 就 可 以 完 成 应 力 、应 变 的 分 [ 1 ] [ 2 ] [ 5 ] [ 6 ] ( ) 型. 有限元分析 Fi nit e Ele me nt A nal ysi s的基 析. 这样一来 ,在基于精确动力学仿真结果基础 本概念是用较简单的问题代替复杂问题 ,然后再求 上得到的应力和应变结果更加准确 ,提高了计算精 解 . A N S YS 软件是一款集结构 、热 、流体 、电磁及多 度 .
[ 3 ] 物理场耦合为一体的大型通用有限元分析软件. 另一方面 ,利用 A N S YS 进行有限元分析时 ,可
( ) ( 其基本分析过程分 3 步 : 前处理 Prep roce sso r ; 施 以得到 ADA M S 使用 的 模态 中性 文 件 即 . mnf 文
( ) ( ) ) 加载荷与求解 Sol utio n;后处理 Po stp roce sso r.件,就生成了模型中的柔性体 ,建立一个刚柔耦合
ADA M S 是目前最具权威的机械系统动力学仿 模型. 这种考虑了弹性特征的动力学模型 ,仿真精度 真分析软件 ,分析对象主要是多刚体. A N S YS 是一 大大提高 . 两者之间的数据传递方式如图 1 所示. 种大型通用有限元分析软件 ,其主要功能是对柔性
体进行有限元分析.
大多数情况下 ,把样机当做刚性系统来处理都
可以满足要求. 但在一些需要考虑构件变形的特殊 图 1 ADA M S 和 A N S YS 之间的数据传递 情况下 ,完全把模型当做刚性系统来处理还不能达
到精度要求 ,还必须把模型的部分构件做成可以产 2 A N S YS 和 ADA M S 结合使用实例 [ 4 ] 生变形的柔性体来处理,因此 ,最好将两种软件结
合使用.如图 2 所示的机构为用于夹紧登月舱和宇宙飞
船的夹紧机构 . 该机构由 5 个构件组成 :原动件手柄
( ) ( ) ( ) ha ndle 、从 动 件 摇 臂 pivo t 、连 杆 li nk 、锁 钩
收稿日期 :2011 - 04 - 14 ( ) 作者简介 :彭礼辉 1985 - ,男 ,硕士研究生 ,研究方向 :包装机械设计理论与控制技术.
第 3 期 彭礼辉等 :基于 ADA M S 和 A N S YS 的刚柔耦合模型分析 23
表 1 摇臂模态分析结果 ( ) ( ) hoo k、机架大地 gro u nd. 施加在手柄上的力 F =
模态阶数 频率/ Hz 100 N , 通过摇臂和连杆的传动使得锁钩在大地平
1 9 . 7190 (面上向右滑动 锁钩左端用一个线性弹簧的拉力来 2 13 . 066 ) 模拟夹紧力,进而将登月舱与宇宙飞船夹紧 . 3 53 . 075 4 73 . 648 5 91 . 890 6 137 . 16
其中 ,摇臂第 1 阶 、第 6 阶振型如下图 4 所示 1
图 2 模型示意图
2 . 1 刚性体模型的建立
首先 ,在 从 Pro / E 中 建 立 机 构 的 三 维 实 体 模
型 ,进行装配后 , 通过从 Pro/ E 和 ADA M S 的接口 图 4 摇臂振型图
2 . 3 刚柔耦合模型测试 将模型导入 ADA M S 中 ,定义相应的约束和运动关
[ 7 ] ( ) 系 ,生成刚性体模型,如图 2 b所示 ; 然后设置好 建立好刚 柔耦 合模 型 后 , 设 置 好 相 关 参 数 , 在 仿真时间 和 步 长 , 利 用 ADA M S 进 行 机 构 仿 真 分 ADA M S 下对此机构进行动力学分析 ,通过数据曲
[ 10 ] 析 ,得到构件位移 、速度曲线 ,仅以连杆位移 、速度为 线来分析机构的运动性能.
例 . 如图 3 所示 . 限于篇幅 ,不一一列出 . 当柔性体摇臂替代刚性体摇臂后 ,测量结果显
(示柔性体摇臂 、连杆和锁钩三者几乎同步运动 如图
) 5 所示,与刚性体摇臂不同的是 ,用柔性体替换后 ,
( ) 速度趋势变成了先反向加速 同样设向右为正,加
速至最大速度后再减速 ,再正向加速至最大值后又
减速.
图 3 连杆在 x 方向的速度和位移曲线图
进行完仿真分析以后 , 能够得到该夹紧机构中
各个构件上指定点在全局坐标系 x 、y 、z 方向上的
加速度 、作用力 、速度 、位移的分量曲线和合成曲线 .
2 . 2 柔性体模型的建立
接下来把从动件摇臂作为柔性体考虑再进行动
力学分析 . 首先对摇臂进行网格划分 ,然后进行模态
分析 、计 算 , 把 该 结 果 保 存 为 模 态 中 性 文 件 MN F 图 5 柔性体摇臂 、连杆与锁钩速度曲线图 ( ) Mo dal Ne ut ral File,最后读入到 ADA M S 中 ,代 接下来把刚性体和柔性体摇臂的运动进行对
() 比 . 从图 6 a可以看出 ,在力 F = 100 N 时 ,刚性体 替刚性体摇臂 ,建立一个刚柔耦合模型 ,对相应部位
摇臂与柔性体摇臂的速度变化趋势相似 ,但是滞后 施加驱动和约束 ,进行考虑了构件弹性特征的系统 性显著 ,相差较大 ; 当力增加到 F = 200 N 时 ,其速 [ 8 ] [ 9 ] 动力学仿真. 具体参数设置 : 弹性模量 11 17e11 ( ) 度曲线如图 6 b所示 ,其速度变化趋势更加相似 , 3 Pa ,泊松比 0 . 3 ,密度为 4500 kg/ m. 对其进行自由并且滞后性明显减小 ,相差不大 ;当力继续增加到 F
( ) 网格划分 Free , 得到该摇臂计算模型共有 20049= 300 N 时 ,刚 、柔性体摇臂的运动变化几乎一致 ,
个节点 ,12455 个单元 . 模态分析结果如表 1 所示.(() 如图 6 c所示 但是 ,力 F 并不是越大越好 , 具体情
) 况这里不再作介绍.
湖南工程学院学报 24 2011 年
术进行动力学仿真证明了这一结论 . 很明显 ,这种影
响是不能够忽视的.
参 考 文 献
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动精度以及机构寿命产生了很的大影响. 把摇臂构
件用柔性体替代后 ,在 ADA M S 中利用虚拟样机技
Analysiso n Rigid2f lexible Coup inlg Model B ased on ADAMS and NASYS
P EN G L i2hui , L I Gua ng , YA N G Gui2mi ng , L IU L i ng2hua ( )College of Mechanical Engineering , H una n U niver sit y of Technolo gy , Zhuzho u 412008 , Chi na Abstract : The mecha nical dyna mic s a nal ysi s sof t wa re of ADA M S a nd t he fi nit e ele me nt a nal ysi s sof t wa re of A N S YS a re co mbi ne d to co2si mulat e . The mo re act ual re sult s a re o bt ai ned t h ro ugh i mpo rti ng t he lo a d sp ect r u ms achieved f ro m dyna mic si mulatio n to t he fi nit e ele me nt sof t wa re of A N S YS. O n t he o t he r ha nd , it co n st r uct s a ri gi d2f le xi ble co up li ng mo del co n si deri ng t he i nf l ue nce of f le xi ble bo dy i n t he act uat mec ha n2 ical syst e m , get s a mo re real si mulatio n of t he i n stit utio n of t he dyna mic p erfo r ma nce a nd i mp ro ve s t he cal2 culatio n acc uracy. Re sult s sho w t hat t he i nf l ue nce o n ki ne matic acc uracy of t he mec ha ni sm p ro duce d by f le xi ble bo dy ca n no t be i gno red.
Key words : mecha nical dyna mic s ; t he fi nit e ele me nt ; loa d sp ect r u m
范文五:多轴车辆转向杆系刚柔耦合分析
202
文章编号:1001-3997(2011)11-0202-03
机械设计与制造
Machinery Design &Manufacture
第11期2011年11月
多轴车辆转向杆系刚柔耦合分析*
王超高秀华张小江王欢
)(吉林大学机械与科学工程学院,长春130025
Rigid-flexible coupling analysis for steering system of multi-axle vehicle
WANG Chao ,GAO Xiu-hua ,ZHANG Xiao-jiang ,WANG Huan
(School of Mechanical Science and Engineering ,Jilin University ,Changchun 130025,China )
【摘要】某采用机械式液压转向的多轴转向车辆,经常出现转向杆系损坏现象,为分析转向杆系
损坏原因,进一步提高系统的可靠性,需要对其转向杆系进行结构动力分析。通过采用刚柔耦合分析方法,在ADAMS 中建立了多轴转向系统传真模型,并将杆系主要刚性杆件替换为柔性体,通过刚柔耦合仿真分析得到转向杆系在转向时的应力分布云图,从而为设计改进提供帮助。
关键词:多轴转向;转向杆系;刚柔耦合分析
often experiences damage of steering tie rods.To find the damage reason ,it is required to analyze the struc -tural dynamic of steering tie.Therefore a virtual prototype model of steering tie was built by adopting rigid-flexible coupling analysis in ADAMS ,and its rigid member was replaced by the flexible body.Through which provides assistance for improving the design.
Key words :Muti-axle steering ;Steering tie rods ;Rigid-flexible coupling analysis
文献标识码:A
中图分类号:TH16,U463.4
【Abstract 】A type of multi-axle steering vehicle ,which adopts mechanical hydraulic steering system ,
Rigid -Flexible Coupling Analysis ,stress distribution cloud chart of Steering Linkage can be obtained ,
1引言
近代随着国家基础设施的的建设,大吨位的重型车辆不断出现,为了满足车辆行驶性能要求,重型车辆大多采用多轴转向全轮转向和多轴动态转向技术在提高重型车辆高速操纵稳技术。
定性和低速机动灵活性方面具有显著的功效。多轴转向车辆转向机构是车辆转向实现内、外轮理想转角关系的核心部件。通常根据汽车车轮转向特性,利用阿克曼定理,应用ADAMS 软件建立多轴转向车辆转向机构的仿真模型,对转向机构进行仿真分析。传统的仿真分析,转向各杆件常被假定为刚性体,但随着机械向重载化、高速化方向发展,构件的柔性加大,慢性力急剧增大,构件的弹性变形会给多轴转向控制带来误差,影响车辆操纵的稳定性,并加剧了轮胎的磨损。
*来稿日期:2011-01-04*基金项目:江苏省科技成果转化专项资金项目—大型移动式起重机研发与产业化(BA2007038)
5结论
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[7]张国智,胡仁喜,陈继刚,等.ANSYS10.0热力学有限元分析实例指导
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析,利用热分析求解器计算得到整机温度场分布,并把结果导入结构分析求解热变形,为高速精密数控冲床的精度保证提供理论支持。(2)通过单独曲轴系统和导轨系统对整机热变形的分析,可以看出导轨的发热对加工精度的影响要大,同时整机的最大热变形虽不在上滑块处,但是由热变形引起的加工误差也是不容忽视的。
参考文献
[1]Peklenik J ,Jerele A.Some basic relationships for identification of the
machining process [J ].Annals of the CIRP ,1992,41(1).
有一定的参考价值。
为使转向机构仿真更加准确,在建立了包括液压系统、悬架和转向杆系的整车虚拟样机模型基础之上,将ANSYS 与ADAMS 软件结合使用,引进柔性转向杆件,精确模拟转向机构的运动,对转向杆系进行结构动力分析,为提高车辆的操纵稳定性这种及减少轮胎的磨损提供设计依据。和传统的设计方法相比,方法提高了精度和效率。对其它多轴车辆转向机构的优化设计也
2多轴转向机构的虚拟样机模型建立
2.1虚拟样机多刚体系统动力学
ADAMS 是全球运用最为广泛的机械系统仿真软件,用户可以利用ADAMS 在计算机上建立和测试虚拟样机,实现事实再现仿真,了解复杂机械系统设计的运动性能。其采用拉格朗日乘子
(1)在ANSYS/Thermal模块中对高速冲床曲轴进行温度场分
第11期
法建立了多刚体系统动力学方程:
d 王超等:多轴车辆转向杆系刚柔耦合分析
坠T
觶坠q
T
T
T
T T T T T T T T T T T T
203
);几何信息(结点位置及其连接);界面点(interface point 结点质量和转动惯量;模态;模态质量和模态刚度。
(1)
T -
坠T
T
+准q p+θq μ=Q
T T
3.2刚柔耦合分析的基本流程
刚柔耦合分析的基本流程,如图2所示。首先在Pro/E中进行应用ADAMS/三维实体建模,并把各部件通过stp 格式输出,并定义各Exchange 接口将几何模型导入ADAMS/View进行装配,约束及运动副,建立重型车辆转向系统ADAMS 仿真模型。然后对生成模态中性需要柔性化的部件模型通过ANSYS 进行网格划分,文件MNF 。最后在ADAMS/View中进行刚柔替换处理。
Pro/E实体建模需要柔性化的部件模型
进行网格划分
建立ADAMS 多刚体系统
刚柔替换
ANSYS 求解模型文件
仿真分析
完整束方程准(q ,t )=0
非完整束方程θ(q ,q ,t )=0式中:T —系统能量;q —系统广义坐标列阵;Q —广义力列阵;ρ—
对应于完整约束的拉氏乘子列阵;μ—对应于非完整约束的拉氏乘子列阵。
为了求解式(1),把其写成更一般的形式:
T
T T T T T T T T T T
觶,u F (q ,u ,λ,t )=0觶)觶=0q G (u ,=u-q准(q ,t )=0
(2)
觶,觶—广义速度列阵;q u λ—约束反力及作用力列阵;准—描述式中:
约束的代数方程列阵。
如定义系统的状态矢量y=T u ,λq ,觶,y g (y ,t )=0矩阵方程:
T
T
T
图2刚柔耦合分析流程图
T ,式(2)可写成单一
(3)
T
3.3柔体部件的建立
大型工程车辆转向系统中转向拉杆直径较小,容易产生弹性变形,故需要对其进行柔性化处理。在处理过程中考虑到球头对杆件柔性影响不大,对其进行了简化处理。
柔性部件建立主要过程为:
(1)在ANSYS 里通过与Pro/e的接口导入实体模型,也可以通过ANSYS 建立实体模型。
(2)选择单元类型单元类型的选择是十分重要的环节,因三维实体建模须用实为它在很大程度上影响分析的速度和精度。
体单元划分,考虑到仿真时间,选择运算速度比较快的SOLID45单元,另外选择MASS21单元做为关键点的划分单元。
(3)定义材料属性、弹性模量和泊松比选取材料为45#钢(优泊松比为μ=0.3.质碳素结构钢),弹性模量通常选取E =210GPa,
(4)定义密度45#钢的密度为ρ=7800kg/m3。
(5)建立有限元网格柔性体中除界面点外的其他部分可采用常用的建模方法建立有限元模型。在定义界面点时应注意几何位置精确,用MASS21划分其网格。此外,建立的Keypoints 编号不能与模型单元节点号重合,划分完网格后需要在对应于界面点进行单位转的杆件上建立刚性区域。然后运行ADAMS 宏命令,
换:/UNITS,USER ,1000,选取建立的两个界面点:NSEL ,S ,,,XXX ,XXX ,生成柔性体:ADAMS ,20,就可以得到柔性体的MNF 文件。
在ADAMS/View中通过Rigid to Flex 方法导入柔性体。采用了Align Flex Bod CM of Current Part 方法进行装配替换。
在进行动力学分析时,ADAMS 采用两种算法:
(1)提供三种功能强大的变阶、变步长积分求解程序:GS-TIFF 积分器,DSTIFF 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,这种方法适于模拟特征值变化范围大的刚性系统。
(2)提供ABAM 积分求解程序,采用坐标分离算法来求解独立坐标的微分方程,这种方法适于模拟特征值经历突变的系统或高频系统。
2.2多轴转向系统虚拟样机模型
某五轴转向的大型工程车辆虚拟样机模型,如图1所示。模液压助力系统、传动系统、油气悬挂系统、型包括转向拉杆系统、
轮胎和路面等。该车前三轴转向由转向杆系控制转向姿态,后两轴转向为PID 控制。
图1某五轴转向工程车辆虚拟样机模型
整个模型由175个部件组成,这些部件通过16圆柱副、49个66个球铰副、8个移动副、45个固定副、44个万向节副、17转动副、
个耦合副、4个齿轮副和4个运动驱动。整个系统自由度为82。
3刚柔耦合建模
3.1ADAMS/Flex中的柔性体
ADAMS/Flex是采用模态柔性来表示弹性体的。其基本思想是赋予柔性体一模态集,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/Flex中的柔性体可采用模态中性文件(MNF )来描述,该文件是一个独立于操作平台的二进制文件,包含有柔性体的以下信息:
4刚柔耦合仿真及结果分析
4.1刚柔耦合仿真
6
5
4
231
图3某时间转向杆系应力分布云图
204机械设计与制造
7000060000L i n k 5-F o r c e /N 5000040000300002000010000
00
Flex1Rigid1
400003500030000L i n k 6-F o r c e /N 2500020000150001000050000-5000
Flex2Rigid2
1
2Time/s
3
4
1
2Time/s
3
4
Flex5Rigid5
No.11Nov.2011
通过刚柔耦合仿真分析,可以得到转向杆系在任意姿态下的应力应变,转向杆系在某一时刻的应力分布云图,如图3所示。从图中可以看出,转向拉杆连接处应力分布较大,因而需要在设计时重点考虑。
4.2转向杆系受力分析
对液压助推缸施加驱动力,通过仿真分析得到重型车辆在原地转向时转向杆系的受力情况,通过与原刚性杆系受力分析对比,如图4~图9所示。
90
8580757065605550454035300
1
2Time/s
3
4
5
图8第五杆受力变化曲线图
Flex6Rigid6
L i n k 1-F o r c e /N
5
图4第一杆受力变化曲线图
125120115110105100959085807570656055504540
5
图9第六杆受力变化曲线图
L i n k 2-F o r c e /N
从图中可以看出杆件受力较小时,柔性杆件和刚性杆件受第一、二杆力差别比较明显,这是由于杆件的弹性变形所引起的。受力较小,后四杆受力均比较大。
这是由于该车型多轴转向方式采用的是液压助力转向方式,由液压缸推动梯形杆控制转向,而方向盘不对杆件施加驱动
1
2Time/s
3
4
5
力,因而连接方向盘的拉杆受力较小。
图5第二杆受力变化曲线图
2500020000L i n k 3-F o r c e /N 15000100005000
00
1
2Time/s
3
4
5
Flex3
Rigid3
5结论
刚柔耦合分析技术能够将有限元与多体动力学技术相结动力学的性能参数,而且能够为合,不仅能够求解机构的运动学、结构设计提供结构性能分析,更能为之后的耐久性分析提供载荷预测数据。
采用刚柔耦合分析方法针对重型车辆转向杆系进行分析,得出转向杆系应力分布云图,通过对刚性杆件和柔性杆件应力对比分析,可以看出柔性杆件比刚性更能准确的反映实际,对改进产品结构性能有较大的指导意义。
参考文献
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图6第三杆受力变化曲线图
3000025000L i n k 4-F o r c e /N 2000015000100005000
00
1
2Time/s
3
4
5
Flex4
Rigid4
[7]张永德,等. 基于ANSYS 与ADAMS 的柔性体联合仿真[J ]. 系统仿真
学报,2008,20(17):4501-4504.
图7第四杆受力变化曲线图
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