基于ANSYS和ADAMS的传动系统动力学分析

基于ANSYS和ADAMS的传动系统动力学分析
介绍了ADAMS柔性化理论，运用有限元软件ANSYS生成MNF中性文件，建立柔性体。

在ADAMS软件中进行传动系统的刚-柔混合建模，分别添加齿轮副和接触力对传动系统角速度和角加速度进行分析对比，使仿真结果更加贴近实际。

标签：ANSYS；ADAMS；柔性化；仿真
近年来，随着大型机械和汽车的发展，对于齿轮和传动系统的研究越来越多。

例如龚淼等人对航空发动机叶片的修复机床进行了动态建模和仿真，以提高机床传动动态稳定性；张会杰等人研究了有负载变化时的机床传动系统特性；黄露郎等人用拉格朗日法建立丝杠传动系统的动态模型，对系统振动进行了数值求解；袁文武等人研究了基于UG和ADAMS的齿轮啮合动力学仿真。

但是，以往研究均是将传动系统构件作为刚性体考虑，刚性体构件在力的作用下不会产生变形，在研究齿轮传动方面，将齿轮及轴完全作为刚性体来研究，不能完全达到精度要求，需要把模型的部分构件处理成柔性体，建立刚-柔混合模型。

1 ANSYS柔性化
柔性体是相对于刚体的概念，它强调了构件的可变形性。

ADAMS中将刚形体处理为柔性体有两种方法，一是利用ADAMS自身，建立离散柔性连接件；二是利用有限元软件建立柔性体。

ADAMS中柔性体是包含有构件模态信息的中性文件，构件的模态是构件自身的一个物理属性，构件被制造出来后，它的模态就已经确定，模态频率就是共振频率。

实际上模态反应了有限元模型中各节点位移的比例关系。

把几何模型离散成为有限元模型，有限元模型各节点都有各自的自由度，这样所有节点各自自由度的集和就构成了整个有限元模型的自由度。

在ADAMS中使用的模态中性文件必须借助于其他有限元软件。

在启动ANSYS后，我们导入传动轴模型，单元类型我们选择三维八节点单元SOLID45，材料为steel，其弹性模量为E=202GPa，泊松比μ=0.3，密度DENS=7800kg/m3；在划分网格时，设置网格尺寸为0.01，划分六面体单元，划分完成后共13440个单元，14839个节点；在两圆面上设置刚性面，选取圆心位置节点为连接点；最后在Solution中选择Export to ADAMS，生成所需的MNF文件。

2 柔性化后ADAMS仿真
在将模型文件和柔性体文件导入ADAMS后，我们需要对其施加必要的约束。

在齿轮处我们需要添加旋转副，传动轴和齿轮之间添加固定副，其他连接构件之间添加固定副，齿轮之间添加齿轮副。

对于驱动，我们为了更贴近实际，对输入轴输入角速度设置step函数：time，0，0，0.5，6000d*time。

表示时间从一开始时，转速为0；从0秒到0.5秒，角速度由0增加到6000d*time；0.5秒之后保持6000d*time。

由传动比很容易得到传动轴角速度为3750d*time，输出轴输出角速度为1875d*time。

仿真采用交互式仿真，设置仿真时长为5秒，步数为50。

从图中可以看出，输入轴从0秒开始增加，0.4秒左右达到峰值，0.4秒到0.5秒时降至6000d*time，其后保持不变；而传动轴从0秒开始增加，0.4秒左右达到峰值，和输入轴相符合，0.4秒到0.5秒时降至3750d*time，其后保持不变；输出轴从0秒开始增加，0.4秒左右达到峰值，和输入轴及传动轴相符合，0.4秒到0.5秒时降至18756000d*time，其后保持不变。

和理论角速度值完全符合。

角加速度曲线从0秒时开始增加，到0.5秒时和角速度曲线完全符合，至0.5秒后由于角速度保持不变，角加速度为0，和理论相符合。

3 柔性化后添加接触力
当两个构件表面发生接触时，两个构件在接触的位置会产生接触力，接触力是一种特殊的力。

对于齿轮之间约束，如果采用添加齿轮副的话，计算仿真得出的结果会过于理想化，不够贴近实际。

因此，我们采用添加接触力的方法，定义齿轮之间约束。

ADAMS/View中计算接触力有两种方法：一种是补偿法（Restitution），一種是冲击函数法（Impact）。

补偿法需要确定两个参数：惩罚系数（Penalty）和补偿系数（Restitution）。

惩罚系数施加单面约束，它确定两个构件之间相互接触部分的刚度，由于构件之间相互接触，构件的一部分体积要进入到另一个构件内，惩罚系数越大，则进入到另一个构件的体积就越小，接触的刚度也就越大。

补偿系数则决定两个构件接触时损失的能量。

冲击函数法是根据Impact函数计算构件之间的接触力，接触力由两部分组成：一是两构件之间相互切入而产生的弹性力；另一个则是由于构件之间的相对速度而产生的阻尼力。

这里我们采用冲击函数法。

从图中可以看出，传动系统各轴角速度在0秒到0.5秒期间，添加齿轮副和接触力变化不大。

在0.5秒之后，输入轴由于是添加了固定的输入值，在0.5秒之后保持6000d*time不变，而传动轴和输出轴在0.5秒之后不再是一条直线，由于轮齿之间的相互碰撞产生接触力，角速度不再是一个稳定的值，但都在375018756000d*time和18756000d*time上下波动，符合理论的值。

输入轴角加速度和添加齿轮副时相差不大，但由于齿轮之间碰撞力比较大，传动轴和输出轴角加速度有了较大的改变，有较大数量级的改变。

4 结语
本文采用ANSYS和ADAMS柔性体联合仿真的方法对传动系统进行动力学分析。

运用联合仿真的方法不仅可以缩短开发周期，提高设计效率，而且可以节省工程的时间成本和经济成本。

通过有限元软件建立ADAMS中所需柔性体。

在ADAMS软件中分别对传动系统添加齿轮副和接触力进行分析，计算得到传动系统各轴角速度和角加速度，为进一步研究传动系统动力学分析打下基础。

参考文献：
[1]龚淼，张涛.航空发动机叶片修复机床传动系动态建模及仿真[J].机床与液压，2018，42（5）：141-143.
[2]张会杰，刘海涛，张俊.赵万华.考虑负载变化的机床传动系统时变动特性研究[J].振动与冲击，2014，33（9）：173-178.
[3]黄露郎，查初亮.数控机床传动系统建模与分析[J].制造业自动化，2015，37（7）：92-95.。