基于刚柔耦合的自动化动力学仿真分析研究

第６期（总第１６９期）２０１１年１２月机械工程与自动化ＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬ　ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ　＆　ＡＵＴＯＭＡＴＩＯＮＮｏ．６Ｄｅｃ．文章编号：１６７２－６４１３（２０１１）０６－００７１－０３基于刚柔耦合的自动化动力学仿真分析研究张士存１，付月磊２（１．南车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东　青岛　２６６１１１；２．安世亚太科技（北京）有限公司，北京　１０００２６）摘要：刚柔耦合是多体系统最常见的力学模型，在其建模分析过程中存在一定的复杂性与重复性。

以三连杆机构为例，通过ＡＮＳＹＳ和ＡＤＡＭＳ实现刚柔耦合全分析过程，并利用ＭｏｄｅｌＣｅｎｔｅｒ的ＱｕｉｃｋＷｒａｐ技术对整个分析过程的功能点进行组件封装，最后通过封装好的组件搭建刚柔耦合分析流程，最终实现自动化的刚柔耦合分析，为进一步的ＤＯＥ及优化分析奠定了基础。

关键词：刚柔耦合；自动化；动力学；ＡＮＳＹＳ；ＡＤＡＭＳ中图分类号：ＴＰ３９１．９ 文献标识码：Ａ收稿日期：２０１１－０６－２８；修回日期：２０１１－０７－０８作者简介：张士存（１９７９－），男，山东济南人，工程师，本科，主要从事仿真集成及高性能计算集群应用工作。

０　引言在机械系统中，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。

因此采用ＡＮＳＹＳ和ＡＤＡＭＳ软件的联合仿真应运而生，它不但可以精确地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分析［１，２］。

本文基于柔性体仿真的基本数学模型［３，４］，以三连杆机构为例，进行刚柔耦合动力学仿真分析全过程研究。

１　刚柔耦合分析本文所要分析的模型为三连杆机构，其中中间的连杆考虑作为柔性体，具体分析模型如图１所示。

１．１　柔性体模态中性文件生成进行刚柔耦合分析的第一步便是创建柔性体的模态中性文件＊．ｍｎｆ文件，模态中性文件是ＡＤＡＭＳ软件进行刚柔耦合分析所需要的文件，它包含了柔性体的质量、质心、转动惯量、频率、振型以及对载荷的参与因子等信息，该步骤是在ＡＮＳＹＳ中完成的。

首先，将柔性体模型导入到ＡＮＳＹＳ中，并定义单元类型与材料属性；其次，对柔性体划分网格，定义外部节点并建立刚性区，以确保柔性体进入ＡＤＡＭＳ能够正确定位并且避免后期应力应变分析出现应力集中的情况；最后，确定分析单位，调用中性文件，生成宏命令进行模态求解。

图１　三连杆机构模型分析过程中需要注意的地方有：①一般情况下通过蜘蛛网法建立刚性梁的材料要遵循刚度大、质量轻的原则，也即密度小、弹性模量大（一般应当与柔性体材料相差５个数量级）；②在调用宏文件生成模态中性文件前先要通过／ｕｎｉｔｓ命令确定分析的单位。

图２为柔性体模态分析有限元模型。

图２　柔性体模态分析有限元模型１．２　动力学分析及载荷输出在ＡＤＡＭＳ软件中导入三连杆机构装配模型，按照传统刚体动力学分析方法，依次进行分析前处理，然后导入上一步分析产生的模态中性文件，依据创建的外部节点进行定位，转换相关约束关系，删除对应的刚体零件，进行求解设置并求解。

图３为刚柔耦合动力学分析结果。

图３　刚柔耦合动力学分析结果图３中的３条线分别表示外部节点１０　００１随着时间的变化在ｘ、ｙ、ｚ三个方向上的速度变化情况。

完成刚柔耦合动力学求解后我们需要进行后处理，输出我们所关心的数据、图表等。

在ＡＤＡＭＳ软件中打开Ｆｉｌｅ　Ｅｘｐｏｒｔ对话框，输出外部节点载荷。

图４为输出ＦＥＡ载荷的具体参数设置。

图４　输出ＦＥＡ载荷的具体参数设置在图４中我们最需要关心的就是Ｏｕｔｐｕｔ　ａｔ　ｔｉｍｅｓ参数，这是ＦＥＡ输出的瞬时点，输出的每一个瞬时点都对应柔性体应力应变分析的一个载荷步，这样，输出的瞬时点越多那么应力应变分析的时间也就越长，因此这里应当选择最为关键的瞬时点进行输出。

１．３　柔性体应力应变分析在完成刚柔耦合动力学分析并输出ＦＥＡ载荷后，需要对柔性体进行应力应变分析。

首先，在有限元分析软件ＡＮＳＹＳ中打开第一步产生的工程文件；然后，在ＡＮＳＹＳ中读入第二步产生的ＦＥＡ载荷文件。

图５为柔性体应力应变分析结果。

２　自动化刚柔耦合分析前文所述的３个步骤构成了一个完整刚柔耦合分析的全过程，从中可以看出：完整的刚柔耦合分析是一个复杂的过程，并且每个步骤之间是相互衔接的，也即前一步骤出现错误，后面的每个步骤都需要改变。

基于此，将上面３个步骤分别封装为功能组件并搭建分析流程，实现刚柔耦合分析的自动化运行。

图５　柔性体应力应变分析结果２．１　组件封装将上述过程分为ＣＯＭ＿ＡＮＳＹＳ＿ＭＮＦ、ＣＯＭ＿ＡＤＡＭＳ＿ＬＯＤ、ＣＯＭ＿ＡＮＳＹＳ＿ＳＯＬＶＥ三个功能组件，分别用来完成柔性体模态中性文件生成、刚柔耦合分析求解、柔性体应力应变分析。

然后，通过ＡＮＳＹＳ的ＡＰＤＬ语言和ＡＤＡＭＳ的Ｃｏｍｍａｎｄ脚本语言分别建立各功能组件的分析脚本。

最后，通过ＭｏｄｅｌＣｅｎｔｅｒ的ＱｕｉｃｋＷｒａｐ技术完成对三个功能组件的封装，提取设计参数。

图６为组件封装过程中的参数提取。

图６　组件封装过程中的参数提取２．２　自动化分析流程搭建接下来通过上一步封装好的三个功能组件搭建刚柔耦合自动化分析流程，如图７所示。

图７　自动化分析流程在搭建好的分析流程中还会涉及组件之间参数的传递情况（上一个组建的输出参数可能是下一个组件的输入参数），所以还需要进行组件参数之间的映射，如图８所示。

这样，一个完整的刚柔耦合自动化仿真分析流程就搭建完成了。

每次分析前只需修改输入参数即可完成整个分析过程。

３　结论验证了ＡＮＳＹＳ＋ＡＤＡＭＳ技术方案在进行刚·２７·机械工程与自动化 ２０１１年第６期　柔耦合分析过程中的有效性，并根据分析经验对刚柔耦合分析关键步骤进行了说明，对分析人员具有一定的指导作用。

图８　组件之间的参数映射参考文献：［１］　张永德，汪洋涛．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．［２］　Ｄｕｋ－ｊｉｎ　Ｋ，Ｍｏｏｎ　Ｗ　Ｍ，Ｍｏｌｌｅｒ　Ｄ，ｅｔ　ａｌ．Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓｏｆ　ｏｃｅａｎ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｗａｖｅｓ　ａｎｄ　ｅｔｔｒｒｅｎｔｓ　ｕｓｉｎｇ　Ｌ－ａｎｄ　Ｃ－ｂａｎｄａｌｏｎｇ－ｔｒａｃｋ　ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｉｃ　ＳＡＲ［Ｊ］．ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓ　ｏｎＧｅｏｓｃｉ　Ｒｅｍｏｔｅ　Ｓｅｎｓｉｎｇ，２００３，４１（１２）：２８２１－２８３２．［３］　邱志勇，黄华，董明明．履带张紧装置柔体动力学模型及其仿真［Ｊ］．计算机仿真，２００７（１）：２５４－２５７．［４］　李军，邢俊文，覃文洁．ＡＤＡＭＳ实例子教程［Ｍ］．北京：北京理工大学出版社，２００２．Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ　Ｄｙｎａｍｉｃｓ　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｒｉｇｉｄ－ｆｌｅｘｉｂｌｅ　ＣｏｕｐｌｉｎｇＺＨＡＮＧ　Ｓｈｉ－ｃｕｎ１，ＦＵ　Ｙｕｅ－ｌｅｉ　２（１．ＣＳＲ　Ｓｉｆａｎｇ　Ｌｏｃｏｍｏｔｉｖｅ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ，Ｑｉｎｇｄａｏ　２６６１１１，Ｃｈｉｎａ；２．Ｐｅｒａ　Ｇｌｏｂａｌ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１０００２６，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｍｏｄｅｌｓ　ｏｆ　ｒｉｇｉｄ－ｆｌｅｘｉｂｌｅ　ｃｏｕｐｌｉｎｇ　ａｒｅ　ｇｅｎｅｒｉｃ　ｄｙｎａｍｉｃａｌ　ｏｎｅｓ　ｏｆ　ｍｕｌｔｉｂｏｄｙ　ｓｙｓｔｅｍ　ｗｈｉｃｈ　ｅｘｉｓｔ　ｓｏｍｅ　ｃｏｍｐｌｅｘｉｔｙ　ａｎｄ　ｒｅｐｅａｔａｂｉｌｉｔｙ　ａｔｔｈｅ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｏｆ　ａｎａｌｙｓｉｓ．Ｔａｋｉｎｇ　ｔｈｒｅｅ－ｂａｒ　ｌｉｎｋａｇｅ　ａｓ　ｅｘａｍｐｌｅ，ｔｈｅ　ｐａｐｅｒ　ａｐｐｌｉｅｄ　ｔｈｅ　ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　ｓｃｈｅｍｅ　ｏｆ　ＡＮＳＹＳ＋ＡＤＡＭＳ　ｔｏ　ｒｅａｌｉｚｅ　ｔｈｅｗｈｏｌｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｐｒｏｃｅｓｓ，ａｎｄ　ｕｓｅｄ　ｔｈｅ　ＱｕｉｃｋＷｒａｐ　ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　ｏｆ　ＭｏｄｅｌＣｅｎｔｅｒ　ｔｏ　ｐａｃｋａｇｅ　ａｌｌ　ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ．Ｂｙ　ｕｓｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐａｃｋａｇｅｄ　ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ，ｔｈｅｒｉｇｉｄ－ｆｌｅｘｉｂｌｅ　ｃｏｕｐｌｉｎｇ　ａｕｔｏｍａｔｅｄ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｗａｓ　ｒｅａｌｉｚｅｄ，ｗｈｉｃｈ　ｃｏｕｌｄ　ｐｒｏｖｉｄｅ　ｔｈｅ　ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ　ｆｏｒ　ＤＯＥ　ａｎｄ　ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ　ｓｔｕｄｙ．Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｒｉｇｉｄ－ｆｌｅｘｉｂｌｅ　ｃｏｕｐｌｉｎｇ；ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ；ｄｙｎａｍｉｃｓ；ＡＮＳＹＳ；櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀ＡＤＡＭＳ（上接第７０页）远远小于普通碳素结构钢的极限应力；主轴最大应变为０．１５４ｍｍ，对小车运转基本没有影响。

可见主轴完全符合小车负载要求。

图９　主轴应变分布图４　结语通过ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ对小车进行建模更加直观地理解了小车的各个结构及装配方式。

通过ｍｏｔｉｏｎ对关键机构进行了运动学的可行性分析，使得机构选型更加准确。

通过ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ对支架结构的力学分析，可以使得小车力学设计更加可靠。

参考文献：［１］　机械设计手册编委会．机械设计手册［Ｍ］．第３版．北京：机械工业出版社，２００４．［２］　机械设计手册编委会．机械设计手册［Ｍ］．第５版．北京：机械工业出版社，２００４．［３］　二代龙震工作室．ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ实训教程［Ｍ］．第２版．北京：清华大学出版社，２００９．［４］　二代龙震工作室．ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ高级设计［Ｍ］．第２版．北京：清华大学出版社，２００９．Ｉｎｔｅｇｒａｌ　Ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆＴｒａｖｅｌｌｉｎｇ　Ｂｏｇｉｅ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓＧＵＯ　Ｔｉｅ－ｑｉａｏ，ＧＵＯ　Ｔａｏ－ｔａｏ，ＦＡＮＧ　Ｊｕｎ－ｙｕａｎ，ＺＨＡＮＧ　Ｌｅｉ（Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｎｏｒｔｈ　Ｃｈｉｎａ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｐｏｗｅｒ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂａｏｄｉｎｇ　０７１００３，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｉｒｓｔｌｙ，ａ　ｔｒａｖｅｌｌｉｎｇ　ｂｏｇｉｅ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ａｃｔｕａｌ　ｄａｔａ　ｆｏｒ　ｗｏｒｋｓｈｏｐ　ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ　ｉｓ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ，ａｎｄ　ｔｈｅｎ　ａ　３Ｄｍｏｄｅｌｉｎｇ　ｉｓ　ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ　ｕｓｉｎｇＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ，Ｆｉｎａｌｌｙ　ｔｈｅ　ｍｏｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｉｎ　ｔｈｅ　ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ　ａｒｅ　ｕｓｅｄ　ｔｏ　ｃａｒｒｙ　ｏｕｔ　ｍｏｔｉｏｎ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ｃｈｅｃｋｉｎｇ　ｆｏｒ　ｔｈｅｔｒａｖｅｌｌｉｎｇ　ｂｏｇｉｅ．Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：３Ｄｍｏｄｅｌｉｎｇ；ｍｏｔｉｏｎ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ｃｈｅｃｋｉｎｇ；ｔｒａｖｅｌｌｉｎｇ　ｂｏｇｉｅ；ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ·３７·　２０１１年第６期 机械工程与自动化。