刚柔耦合仿真分析流程及要点

本文主要介绍使用SolidWorks、HyperMesh、ANSYS和ADAMS软件进行刚柔耦合动力学分析的主要步骤。

一、几何建模
在SolidWorks中建立几何模型，将模型调整到合适的姿态，保存。

此模型的姿态不要改动，否则以后的MNF文件导入到ADAMS中装配起来麻烦。

二、ADAMS动力学仿真分析
将模型导入到ADAMS中进行动力学仿真分析。

为了方便三维模型的建立，SolidWorks中是将每个零件单独进行建模然后在装配模块中进行装配。

这一特点导致三维模型导入到ADAMS软件后，每一个零件都是一个独立的part，由于工作装置三维模型比较复杂，因此part数目也就相应的比较多，这样就对仿真分析的进行产生不利影响。

下面总结一下从三维建模软件SolidWorks导入到ADAMS中进行机构动力学仿真的要点。

（1）首先在SolidWorks中得到装配体。

（2）分析该装配体中，到底有几个构件。

（3）分别隐藏其他构件而只保留一个构件，并把该构件导出为*.x_t 格式文件。

（4）在ADAMS中依次导入各个*.x_t 文件，并注意是用part的形式导入的。

（5）对各个构件重命名，并给定颜色，设置其质量属性。

（6）对于产生相对运动的地方，建议先在此处创建一个marker，以方便后面的操作。

否则，三维模型进入ADAMS后，线条繁多，在创建运动副的时候很难找到对应的点。

部件的导入如下图1所示：
图1 文件输入
File Type选择Parasolid；
File To Read 找到相应的模型；
将Model Name 切换到Part Name，然后在输入框中右击，一次单击part →create 然后在弹出的新窗口中设置相应的Part Name，然后单击OK →OK 。

将一个部件导入，重复以上步骤将部件依次导入。

这里输入的技巧是将部件名称按顺序排列，如zpt_1、zpt_2、zpt_3. ，然后在图1中只需将zpt_1改为zpt_2、将PART_1改为PART_2即可。

三、HyperMesh中创建柔性体部件的有限元模型。

在SolidWorks中把其他部件隐藏，只显示将要柔性化的部件，模型另存为.iges 格式，导入到HyperMesh中进行前处理。

或者将整个模型都导入到HyperMesh中，但只创建需要柔性化的部件有限元模型。

(1) 选择单元类型，赋予材料属性：实体采用Solid185单元类型，壳单元采用shell181单元类型（其他亦可，根据需要选择）。

然后创建材料，赋予属性。

（2）单位的统一：因为在SolidWorks中建模一般使用的长度单位是mm，而ADAMS中使用mm的单位系统只有mm、 Kg、N、s、deg。

因此，通过换算和推导，在HyperMesh （ANSYS）中使用的单位为：mm、Kg、s、e-3N、e3Pa。

例如，钢材的弹性模量为2.1e8（e3Pa）、密度7.85e-6(Kg/mm3)、泊松比0.3。

（3）外部节点的设置：在柔性体与刚性体的铰接处必须有节点存在才能实现铰接，在ADAMS中将其作为外部节点使用，从模型的装配与约束方面考虑，一个铰接点只需要设置一个节点作为外部节点。

外部节点的生成选用mass21质量点加上刚性区域法（刚性蜘蛛网），如图2 所示。

图2 外部节点
四、MNF（模态中性文件）的生成
在HyperMesh中完成所有的前处理工作后，导出为ANSYS可读取的后缀为.cbd的文件。

然后打开ANSYS软件，读取该文件。

点击操作界面Main Menu-Solution - Adams Connection-Export to ADAMS，弹出reselect attachment nodes对话框，选取外部节点作为外连接点，有几个选几个。

然后弹出Export to ADAMS 对话框，在这一步中需要注意的是单位系统，在ADAMS与ANSYS中的单位系统需要保持一致。

选择自定义单位系统，打开
Define User Unit 对话框，设置Length Factor为1000，Force Factor为1000，如图3所示。

另外，根据实际需要在ANSYS中选择生成的模态的阶数。

Element Results 选择Include Stress and Strain，然后单击Solve and create export file to ADAMS，生成.MNF文件。

图3 Export to ADAMS
五、刚柔替换
将模态中性文件.MNF 导入ADAMS，替换掉刚性的部件，得到刚柔耦合模型。

由于采用替换刚性体的方法，导致原刚性体和柔性体的marker点发生变化，因此必须对边界条件重新审视，建议删除该柔性体上的全部边界条件，重新对柔性体施加约束，以防出错。

可通过以下途径来检查柔性体正确与否：检查质量、质心位置、惯性矩；比较ANSYS中模态分析结果与ADMAS中柔性体的模态和振型；比较最大静力变形量/应力值是否与有限元模型相同。

刚柔耦合替换步骤：在模型树上选择需要替换的刚性部件，然后右击选择Make Flexible，弹出Make Flexible 对话框，选择IMPORT MNF ，弹出Swap a rigid body for a flexible body 对话框，在MNF File 中选择对应的.MNF文件，点击OK按钮。

如图4所示
图4 刚柔替换
六、刚柔耦合动力学仿真分析
然后就可以进行刚柔耦合动力学仿真分析了。

根据计算机性能和实际仿真的需要，可以把多个部件设置成柔性体，也可以全部设为柔性体。