虚拟样机详述Adams中接触的定义

第一章ADAMS简介 (1)一、ADAMS分析流程 (1)二、ADAMS的分析和计算方法 (1)三、ADAMS特点 (2)四、Adams模块 (2)第二章ADAMS建模及仿真运行 (5)第一节 ADAMS几何建模 (5)一、基本几何形状 (5)二、简单几何体 (6)三、复杂几何体 (9)四、修改构件属性 (11)第二节添加运动副 (11)一、运动副类型 (11)二、定义运动副的一些技巧 (13)第三节 Adams载荷 (14)一、添加单向作用力和力矩 (15)二、添加力或力矩 (15)三、添加柔性连接 (16)四、特殊载荷 (17)第四节仿真参数控制及仿真 (18)一、仿真分析输出设置 (18)二、模型检查 (21)三、模型仿真 (21)第五节仿真后处理 (25)一、后处理基本操作 (26)二、仿真过程回放 (27)三、仿真曲线 (27)第三章 ADAMS应用 (31)第一节车盖及其杠杆联动机构 (31)一、参数化建模 (31)二、设计研究 (31)三、试验设计 (31)四、优化分析 (32)五、车盖及其杠杆联动机构分析 (33)第二节航空飞行器夹紧机构 (40)一、工作原理 (40)二、建立几何模型 (41)三、挂锁仿真分析 (42)四、测试验证 (45)五、参数化模型及优化设计 (47)第三节内燃机配气机构设计与优化 (51)第一章ADAMS简介ADAMS (Automatic Dynamic Analysis Mechanical Systems)软件是美国MDI公司(Mechanical Dynamics Inc)开发的虚拟样机分析软件，是世界上应用最广泛的机械系统仿真分析软件。

利用ADAMS ，设计人员能够建立机械系统虚拟样机，在物理样机制造之前，分析其工作性能，帮助用户更好地理解系统的运动，进行多种设计方案比较和优化等。

ADAMS软件使用交互式图形环境和零件库、约束库、力库，创建机械系统运动学/动力学模型，进行系统的静力学、运动学和动力学分析，输出位移、速度、加速度和反作用力曲线。

4.3.2.2接触与摩擦力1. 摩擦力（考虑是否画示意图）。

运动副一般只限制两个构件的部分自由度，在没有限制自由度的方向上，两个构件可以相对运动，在能够产生相对运动的自由度上定义摩擦力，使系统在做动力学仿真时，考虑摩擦力的存在，这样使得仿真更加符合实际，摩擦力需要设置如下参数：（1）静摩擦系数（Mu Static）和动摩擦系数（Mu Dynamic）。

（2）摩擦圆半径(Friction Arm) 和轴颈半径(Pin Radius )。

摩擦圆半径等于轴颈半径与当量摩擦系数的乘积。

（3）弯曲作用力臂(Bending Reaction Arm)。

（4）静摩擦移动速度(Stiction Transition Velocity)，指在出于静摩擦状态时，运动副的最大位移。

（5）摩擦力矩预载荷(Stiction Torque Preload)。

例如由过盈装配而产生的装配压力等。

（6）引起摩擦力的因素(Input Forces to Friction)。

可以选择预载荷、方作用力或弯矩。

（7）禁用摩擦力的情况(Friction Inactive During)。

（8）Reaction Arm（反作用力力臂）。

指扭转力矩除对应的力臂。

（9）Initial Overlap（移动副的初始位移）。

指弯曲力矩对应的力臂。

（10）Overlap Will（移动副的位移变化情况）。

有三个选项，即常数（Remain Constant），增加（Increace）、减少（Decerase）。

其中，1-7为转动副摩擦的参数选项，1、4-10为移动副摩擦的参数选项。

2. 设置接触力当两个构件的表面发生接触时，就会在接触的位置参数接触力（Concact），接触力有两种计算方法，即基于回归的接触算法(Restitution-basecontact)和基于碰撞函数的接触算法(IMPACT-Function-based contact)。

接触力采用采用impact函数提供的非线性等效弹簧阻尼模型作为计算模型。

虚拟样机技术在ADA M S 中的实践3林建冬,原思聪,王发展(西安建筑科技大学机电学院,陕西西安　710055)摘　要:运用虚拟样机技术,可简化机械产品的设计开发过程,缩短产品的开发周期和降低开发成本,获得最优化和创新的设计产品。

阐述虚拟样机的先进性及应用软件ADAMS 的设计流程,通过多功能开沟机工作臂的仿真设计给出虚拟样机的具体应用。

关键词:虚拟样机技术;ADAMS;开沟机;仿真中图分类号:T H166 文献标识码:A 文章编号:1007-4414(2006)06-0066-03The practi ce of v i rtua l prototyp i n g technology under ADAM SL in J ian -dong,Yuan Si -cong,W ang Fa -zhan(School of m ech .&elec .eng .,X i ′an univ .of arch .&tech .,X i ′an Shanxi 710055,China )Abstract:The app licati on of virtual p r ot otyp ing technol ogy can greatly si m p lify p r ocess of mechanical p r oduct devel opment,shorten circle of p r oduct devel opment,decrease cost as well as get the most op ti m ized and innovati onal of p r oduct .The essay expatiated the advantage of virtual p r ot otyp ing technol ogy as well as the design p r ocess of its app licati on s oft w are ADAMS .Fi 2nally,the si m ulati on design of ditching machine ′s operating ar m was given as an exa mp le of app licati on of virtual p r ot otyp ing technol ogy .Key words:virtual p r ot otyp ing technol ogy;ADAMS;ditching machine;si m ulati on 虚拟样机技术(V irtual Pr ot otyp ing Technol ogy )是指在产品设计开发过程中,将分散的零部件设计和分析技术结合在一起,在计算机上建造出产品的整体模型,并针对该产品在投入使用后的各种工况进行仿真分析,预测产品的整体性能,从而改进产品设计、提高产品性能的一种新技术[1]。

在Adams中，有两种计算接触力的方法：补偿法和冲击函数法（两者的差别并不大）。

在此主要对使用较广的冲击函数法进行说明。

在Adams中，接触力可分解成两部分：正压力和摩擦力。

正压力使用impact 函数法进行计算，摩擦力使用Coulomb法进行计算。

接触正压力的计算模型Adams根据Hertz contact theory，采用impact函数提供的非线性等效弹簧阻尼模型作为接触力的计算模型。

根据Impact函数来计算两个构件之间的接触力时，接触力由两个部分组成：一个是由于两个构件之间的相互切入而产生的弹性力；另一个是由相对速度产生的阻尼力。

其广义形式可以表示为：F ni=Kδi e+CV i式中：F ni—法向接触力，单位为N。

K（Stiffness）—Hertz接触刚度，表示接触表面的刚度，单位为N/mm。

一般来说，刚度值越大，积分求解越困难，但是如果刚度值过小，就不能模拟两个构件之间的真实接触情况。

刚度是一个常值，应使用后面介绍的公式进行计算。

δi（Penetration Depth）—接触点的法向穿透深度，单位为mm。

注意：接触定义界面中输入的是阻尼达到最大值时的穿透深度（由碰撞动力学模型可知，两物体接触后，阻尼很快就达到最大值，且在接触过程中保持不变，因此，此时输入的穿透深度的取值应该越小越好。

同时考虑到ADAMS中的数值收敛性，一般可采用ADAMS中推荐的取值0.01 mm），并不是最大穿透深度（阻尼达到最大值后，构件之间的相互切入还可以继续）。

当接触点的法向穿透深度小于其临界值（接触定义界面中的输入值）时，阻尼系数是穿透深度的三次函数，当大于等于临界值时，阻尼值也到达其最大值，如下图所示。

e（Force Exponent）—力的指数，刚度项的贡献因子。

对于刚度比较大的接触，e>1，否则e<1。

对于金属常用1.3～1.5，对于橡胶可取2甚至3。

一般用1.5。

C（Damping）—阻尼系数，单位为N*sec/mm。

ADAMS中接触的定义及参数设置一、接触的定义接触力类型1）二维(2D)接触：是指平面几何形体之间的相互作用(比如圆弧、曲线和点)。

2）三维(3D)接触：是指实体之间的相互作用(比如球、圆柱、封闭的shell、拉伸体和旋转体)。

接触力的计算方法1)基于回归的接触算法(Restitution-base contact)。

ADAMS/Solver 用这种算法通过惩罚参数与回归系数计算接触力。

惩罚参数施加了单面约束，回归系数决定了接触时的能量损失。

2)基于碰撞函数的接触算法(IMPACT-Function-based contact)。

ADAMS/Solver 运用ADAMS 函数库中IMPACT 函数来计算接触力。

接触碰撞模型碰撞函数的理论计算公式xC d x step x k contactF e⨯-∆⨯=),,0,0,()( contactF 为接触力；△x ：两碰撞物体的挤压变形；d 为渗入深度； 接触参数说明1）Stiffness 指定材料刚度。

一般来说，刚度值越大，积分求解越困难。

2）Force Exponent 用来计算瞬时法向力中材料刚度项贡献值的指数。

≥，对于橡胶可取2通常取1.5或更大。

其取值范围为Force Exponent1甚至3；对于金属则常用1.3～1.5。

≥，通3) Damping定义接触材料的阻尼属性。

取值范围为Damping0常取刚度值的0.1~1﹪4)Penetration Depth定义全阻尼(full damping)时的穿透值。

在零穿越值时，阻尼系数为零；ADAMS/Solver运用三次STEP函数求解这两点之间的阻尼系数。

其取值范围为Penetration Depth≥0；刚度：K越大，两物体渗透的量越小；指数：e越大，两物体渗透的量越大，因为渗透量是小数；阻尼：C越大，渗透量曲线越平滑，碰撞力曲线越平滑；渗透量：§，当实际渗透量大于§时，阻尼值开始完全起作用接触刚度由hertz 理论计算Reference:H.M. Lankarani and P.E. Nikravesh, “Continuous Contact Force 2,1,1)(34k 5.1n 22/1212121=-=⎥⎦⎤⎢⎣⎡++==i E h R R R R h h i i i πνπimpactprior to rate gap gap n restitutio of t coefficien 4)1(k 3n 2===-=--δδδδ e e DModels for Impact Analysis in Multibody Systems”, Nonlinear Dynamics, 5: 193-207, 1994.不同指数的影响：指数影响刚度（斜率）指数影响接触力变化的连续性：各种材料接触碰撞参数推荐值：库伦摩擦特性及参数定义仿真时发生接触穿透现象发生穿透的原因：模型结构：参与接触的零部件结构过于复杂，使得现有判断准则难以正确判断接触是否发生；仿真步长的设置：求解动力学方程组时将接触力并入广义矩阵中求解。

ANSYS-ADAMS介绍及数据接口ANSYS软件是当今最著名的有限元分析程序,其强大的分析功能已为全球工业界所广泛接受，成为拥有最大用户群的CAE软件供应商。

其特点如：多场及多场耦合分析、多物理场优化、统一数据库及并行计算等等都代表着CAE软件的发展潮流。

ADAMS软件是目前最具权威的机械系统动力学仿真软件，通过在计算机上创建虚拟样机来模拟复杂机械系统的整个运动过程，从而达到改进设计质量、节约成本、节省时间的目的。

通过ANSYS软件与ADAMS软件之间的双向接口，可以很方便的考虑柔性体部件对机械系统运动的影响，并得到基于精确动力学仿真结果的应力应变分析结果，提高分析精度。

接口背景ADAMS/Flex软件允许在ADAMS模型中根据模态频率数据创建柔性体部件，柔性体部件可能会对机械系统的运动产生重大的影响，在ADAMS模型中考虑柔性体部件的影响会极大地提高仿真精度,而ANSYS程序则提供了一种方便的创建柔性体部件的方法.ANSYS程序在生成柔性体部件的有限元模型之后,利用adams.mac宏命令可以很方便地输出AD AMS软件所需要的模态中性文件jobname.mnf, 此文件包含了ADAMS中柔性体的所有信息, 在ADAMS软件中直接读入此文件即可看到柔性体部件的模型. 指定好柔性体与其它部件的连结方式,并给系统施加必要的外载后即可进行系统的动力学仿真.何时使用ANSYS-ADAMS接口在机械系统中,柔性体将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.因此如果要精确地模拟整个系统的运动,考虑柔性体部件对系统运动的影响,或者想基于精确的动力学仿真结果, 对运动系统中的柔性体进行应力应变分析则需要用到ANSYS与ADAMS两个软件.分析步骤利用ANSYS与AD AMS接口,对运动系统中的柔性体部件进行应力应变分析的完整步骤如下：在ANSYS软件中建立柔性体部件的有限元模型并利用adams.mac宏文件生成AD AMS软件所需要的柔性体模态中性文件(jobname.mnf)；在ADAMS软件中建立好刚性体的模型,读入模态中性文件,指定好部件之间的连结方式,施加必要的载荷进行系统动力学仿真,在分析完成后输出ANSYS所需要的载荷文件(.lod文件),此文件记录了运动过程中柔性体的运动状态和受到的载荷；在ANSYS程序中, 将载荷文件中对应时刻的载荷施加到柔性体上对柔性体进行应力应变分析。

ADAMS接触力汇总ADAMS 接触力ADAMS 中的接触力(contact force)可用来描述运动物体接触时的相互作用力。

在ADAMS 中有如下两类接触力：1）二维(2D)接触：是指平面几何形体之间的相互作用(比如圆弧、曲线和点)。

2）三维(3D)接触：是指实体之间的相互作用(比如球、圆柱、封闭的shell 、拉伸体和旋转体)。

Contact force 运用两种不同的方法计算法向力：1)基于回归的接触算法(Restitution-base contact)。

ADAMS/Solver 用这种算法通过惩罚参数与回归系数计算接触力。

惩罚参数施加了单面约束，回归系数决定了接触时的能量损失。

2)基于碰撞函数的接触算法(IMPACT-Function-based contact)。

ADAMS/Solver 运用ADAMS 函数库中IMPACT 函数来计算接触力。

点击力库的按钮contact force ，弹出Create Contact 对话框，图1为对话框截取的部分内容：下面只对应用较广的IMPACT 型接触力的各参数作一说明，其参数如图1所示：1) Stiffness 指定材料刚度。

一般来说，刚度值越大，积分求解越困难。

2) Force Exponent 用来计算瞬时法向力中材料刚度项贡献值的指数。

通常取1.5或更大。

其取值范围为Force Exponent 1≥，对于橡胶可取2甚至3；对于金属则常用1.3～1.5。

3) Damping 定义接触材料的阻尼属性。

取值范围为Damping 0≥，通常取刚度值的0.1~1﹪4)Penetration Depth 定义全阻尼(full damping)时的穿透值。

在零穿越值时，阻尼系数为零；ADAMS/Solver 运用三次STEP 函数求解这两点之间的阻尼系数。

其取值范围为Penetration Depth 0≥下例为某金属材料在不同单位下的参数设置Stiffness 100000N/mm 1e8N/mExponent 1.3~1.5 1.3~1.5Damping 10~100N ·s/mm 1e6 N ·s/mPenetration 0.1mm 1e-3m图2部分内容为选定库伦摩擦时的内容，其含义如下：1) Coulomb Friction 。

ADAMS中接触的定义及参数设置在计算机科学领域，ADAMS（Advanced Dynamic Analysis of Mechanical Systems，机械系统的高级动力学分析）是一个用于电动力学、机械学等多学科系统建模和仿真的软件。

ADAMS软件的核心理论基础是多体动力学和有限元分析。

在ADAMS中，接触是一个重要的概念，用于描述物体之间的碰撞、摩擦等相互作用。

在ADAMS中，接触被定义为两个物体之间的距离小于一个指定的阈值时发生的相互作用。

接触可以包括碰撞、接触力和摩擦等不同的形式。

ADAMS提供了一系列的接触模型和参数设置，来模拟不同类型的接触行为。

接下来我将详细介绍ADAMS中接触的定义及常用的参数设置。

1.接触定义：在ADAMS中，接触可以通过定义多种形式的接触模型来实现。

常见的接触模型包括点接触、线接触和面接触。

点接触用于描述两个物体之间的点接触，线接触描述两个物体之间的线接触，而面接触则描述两个物体之间的面接触。

2.接触力模型：- Hertz模型：用于弹性材料之间的接触力计算。

- Coulomb摩擦模型：用于描述物体之间的干摩擦行为。

- Viscous模型：用于描述物体之间的粘性摩擦行为。

- Damping模型：用于描述接触过程中的阻尼行为。

3.接触参数设置：-接触刚度：描述物体之间的刚度系数，用于计算接触力大小。

-阻尼系数：描述物体之间的阻尼行为，影响接触过程中的能量耗散。

-摩擦系数：描述物体之间的干摩擦行为，用于计算摩擦力大小。

-弹性恢复系数：描述物体在碰撞或接触中的能量损失。

-接触间隙：物体之间的实际距离和碰撞检测阈值之间的差值，决定了接触的发生时机。

根据具体的仿真需求和物体属性，可以根据实际情况设置接触参数，以使得系统的仿真结果更加准确和可靠。

总结：ADAMS中接触是描述物体之间相互作用的重要概念。

通过定义不同的接触模型和参数设置，可以模拟出不同类型的接触行为，使得系统的仿真模拟结果更加真实和准确。