ADAMS柔性体运动仿真分析及运用

ADAMS中的柔性体分析研究论文0 引言ADAMS是美国MDI公司开发的机械系统动力学仿真分析软件，其求解器采用多刚体动力学理论中的拉格朗日方程方法，建立系统动力学方程，对虚拟机械系统进行静力学、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。

对系统动力分析而言，结构本身的弹性变形与系统的宏观刚体运动同等重要。

ADAMS中的所有物体均以刚体定义，忽略结构柔度对系统的影响，一般的有限元分析软件对包含大位移运动的系统动力学分析又无能为力，因此在ADAMS中实现刚体和柔体相结合的系统动力学分析是一个较可行的解决方法。

1996年，ADAMS推出ADAMS/Flex莫块，实现了同时包含刚体和柔体的机构动力学分析。

ADAMS中的柔性体分为离散式和模态式两种。

离散式柔性体以梁单元方式串接，单元数目越多越能模拟实际变形。

这种柔性体可以模拟物体的非线性变形，但只适用于简单结构;模态式柔性体是由外部有限元软件生成的，是有网格的物体，能根据物体的实际结构进行复杂建模。

由于采用的是模态线性叠加来模拟物体变形，因此模态式柔性体仅适用于线性结构的受力行为。

1、ADAMS/FIs柔性体ADtALSFSx采用CJmehod柔性体基本理论和模态叠加合成理论，可以根据不同外力状态适时反应出正确的变形结果。

其基本思想是赋予柔性体一个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表示物体的弹性位移，通过计算每一时刻物体的弹性位移来描述其变形运动。

物体的弹性变形是相对于物体坐标系的弹性小变形，同时物体坐标系又经历大的非线性整体移动和转动。

ADASFlex中的柔性体采用有限元模态中性文件（ModalNdcra1Fid;MNF)描述。

MNF文件是一个独立于操作平台的二进制文件，包含如下信息：几何信息节点位置及其连接；节点质量和惯量；模态;模态质量和模态刚度。

有限元分析结果可以用程序控制生成模态中性文件，更为实用的是使用ADAM 与ANSYSNASIRANPDEAS等商业有限元软件的数据交换接口利用这些软件进行分析后将结果转换成模态中性文件。

一.ADAMS软件简介 (2)1.1ADAMS软件概述 (2)1.2用户界面模块（ADAMS/View） (3)1.3求解器模块（ADAMS/Solver） (5)1.4后处理模块（ADAMS/PostProcessor） (6)1.5控制模块（ADAMS/Controls） (8)二.典型机器人虚拟实验 (9)2.1串联机器人 (9)2.1.1 运动学分析 (9)2.1.2 动力学分析 (14)2.1.3 轨迹规划 (17)2.1.4 基于ADAMS和MATLAB的联合运动控制 (22)一.ADAMS软件简介虚拟样机仿真分析软件ADAMS（Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems）是对机械系统的运动学与动力学进行仿真的商用软件，由美国MDI （Mechnical Dynamics Inc.）开发，在经历了12个版本后，被美国MSC公司收购。

ADAMS集建模、计算和后处理于一体，ADAMS有许多个模块组成，基本模块是View模块和Postprocess模块，通常的机械系统都可以用这两个模块来完成，另外在ADAMS中还针对专业领域而单独开发的一些专用模块和嵌入模块，例如专业模块包括汽车模块ADAMS/Car、发动机模块ADAMS/Engine、火车模块ADAMS/Rail、飞机模块ADAMS/Aircraft等；嵌入模块如振动模块ADAMS/Vibration、耐久性模块ADAMS/Durability、液压模块ADAMS/Hydraulic、控制模块ADAMS/Control和柔性体模块ADAMS/AutoFlex等[3]。

1.1ADAMS软件概述ADAMS是以计算多体系统动力学（Computational Dynamics of Multibody Systems）为基础，包含多个专业模块和专业领域的虚拟样机开发系统软件，利用它可以建立复杂机械系统的运动学和动力学模型，其模型可以是刚体的，也可以是柔性体，以及刚柔混合体模型。

ANSYS和ADAMS柔性仿真详细步骤解析步骤1：建立模型首先需要建立汽车悬挂系统的模型，包括车轮、悬架、车体等组成部分。

可以使用ANSYS的建模工具进行几何建模，也可以导入CAD模型进行后续处理。

步骤2：定义模型属性在ANSYS中，需要为模型定义材料属性、约束条件和加载条件。

对于悬挂系统，材料属性可以定义弹簧、阻尼器和悬挂臂的材料特性；约束条件可以设置车体和地面间的边界条件，例如固支或可移动支撑；加载条件可以设置车轮的载荷和运动。

步骤3：网格划分接下来需要对模型进行网格划分，将模型离散成小的单元，这些单元可以是三角形、四边形或立方体等形式。

网格划分的精细程度直接影响到仿真的准确性和计算速度。

步骤4：设置运动学和约束在ANSYS中，可以设置模型的运动学和约束条件，即定义汽车悬挂系统中各个部件的运动关系和限制。

例如，可以设置车轮的旋转和转向运动以及悬挂臂的运动自由度。

这些设置可以通过定义关节、连接、驱动器等方式来实现。

步骤5：施加载荷在ANSYS中，可以施加各种静态和动态的载荷，模拟实际工作条件下的受力情况。

例如，可以施加车轮产生的垂直载荷、离心力、横向力等。

载荷可以施加在车轮、悬挂臂或车体上，可以是静态的或随时间变化的。

步骤6：求解模型设置好加载条件后，可以开始求解模型并进行分析。

ANSYS会根据模型的几何形状、材料特性、约束条件和加载条件等参数进行计算，得到模型在各种受力情况下的应力、变形、振动等结果。

求解模型可能需要较长的计算时间，特别是对于复杂的模型。

步骤7：分析结果在求解完成后，可以对模型的分析结果进行后处理和可视化。

ANSYS提供了各种图形和数据输出选项，可以将结果以图像、表格或动画的形式展现出来。

在分析结果中，可以观察汽车悬挂系统各个部件的受力、变形、振动等情况，从而评估其性能和安全性。

ADAMS是一种基于多体动力学的仿真软件，能够模拟和分析多体系统的运动、受力、碰撞等特性。

这里以汽车悬挂系统为例进行详细解析。

ADAMS-柔性体运动仿真分析及运用ADAMS 柔性体运动仿真分析及运用焦广发，周兰英（北京理工大学机械与车辆工程学院100081）摘要介绍了ADAMS柔性体基本理论及在ADAMS中生成柔性体的几种方法,并构建机械系统仿真模型.通过一个实例验证了ADAMS 柔性体运动仿真分析的实效.关键词:ADAMS 柔性体运动仿真继电器Application of ADAMS flexible body kinetic simulationJiao guangfa Zhou lanying (Beijing institute of technology ,school of mechanical and vehicular engineering , Beijing 100081 )Abstract Introduced the basic theory of ADAMS flexible body and some methods of adding flexible bodies to a model to study the dynamic characteristics of the mechanicalsystem1,constructed mechanical system simulation model1 Tested the validity of the ADAMS flexible kinematical simulation through an example1.Key words :ADAMS Flexible body Kinetic simulation relayADAMS全称是机械系统自动动力学分析软件,它是目前世界范围内最广泛使用的多体1系统仿真分析软件,其建基金项目：北京市重点学科建设（XK100070424）；北京理工大学基金（0303E10）模仿真的精度和可靠性在现在所有的动作者简介：焦广发（1982—），男，河北人，硕士，主要研究方向为动力学仿真，有限元分析和表面涂层技术.力学分析软件中也名列前茅.机械系统动力学仿真分析是机械设计的重要内容,过去分析时建立的模型,其构件都是属于刚体,在作运动分析时不会发生弹性变形.而实际上,在较大载荷或加、减速的情况下,机构受力后会有较大的变形和位移变化,产生振动.ADAMS的分析对象主要是多刚体,但ADAMS提供了柔性体模块,运用该模块可以实现柔性体运动仿真分析,以弹性体代换刚体,可以更真实地模拟出机构动作时的动态行为,同时还可以分析构件的振动情况[1].一、ADAMS柔性体理论及生成柔性体的几种方法ADAMS柔性模块是采用模态来表示物体弹性的,它基于物体的弹性变形是相对于连接物体坐标系的弹性小变形,同时物体坐标系又是经历大的非线性整体移动和转动这个假设建立的.其基本思想是赋予柔性体一个模态集,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柔性模块中的柔性体是用离散化的若干个单元的有限个结点自由度来表示物体的无限多个自由度的.这些单元结点的弹性变形可近似地用少量模态的线性组合来表示.ADAMS提供了四种生成柔性体的方法,对于外形简单的构件,可以采用直接生成柔性件的方法,即拉伸模式；对于外形复杂的构件,可以采用先建刚性件, 再进行网格划分的模式, 即构件网格模式(Solid).1) 拉伸法生成柔性体:首先要确定拉伸中心线,再定义截面半径、单元尺寸、材料属性等,最后定义好柔性体跟其它构件的连接点即外连点,就可以生成柔性体.模型生成柔性件的同时生成模态中性文件,该模态中性文件中包含了柔性件的质量、质心、转动惯量、频率、振型以及对载荷的参数因子等信息.将模型中原有的刚体件上的运动副修改在柔性件上,使柔性件与模型上的其它构件连接起来,同时删除无效的刚性件.这样可以使模型保持原有的自由度,从而实现柔性构件的运动仿真运算.2)几何外形法生成柔性体:这种方法是将几何体的外形所占用的空间进行有限元离散化,几何体既可以是在ADAMS/View中创建的,也可以是从其他CAD软件中导入的模型.这种方法首先要定义柔性件的附着点,即柔性件与其它构件的连接点.定义好附着点后,需要在附着点的附近的网格结点上选取适当数量结点作为力的作用点,作用点的数量和位置根据模型精度的需要来选取.最后,将选取的结点转换成ADAMS 的标识ID后,就可以生成模态中性文件.用这种方法与拉伸法相比,拉伸法创建的柔性体是六面体单元,而几何外形法生成的柔性体是四面体单元.一般来说六面体单元要比四面体单元要好些.3)导入有限元模型的网格文件创建柔性体：在ADAMS/AutoFlex的Flexbody中选择Import mesh项，然后输入网格文件名，最后定义网格的材料属性，壳单元的厚度和计算的模态数，就可以导入柔性体，但是应用范围很小，只能输入Natran的bdf网格文件和I-DEAS的universal网格文件[2].4）利用ANSYS的宏命令生成ADAMS柔性体：A NSYS是一个多重物理有限元分析软件,适用于各种复杂的、跨领域的分析设计.ANSYS与ADAMS之间的双向数据接口可以方便地处理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分析结果的应力应变分析结果,从而提高分析水平.通过ADAMS软件与ANSYS软件之间的接口,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.ANSYS程序在生成柔性体部件的有限元模型之后,利用ADAMS宏命令可以很方便地输ADAMS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[3].二、实例分析本文主要应用ADAMS提供的几何外形法生成柔性体.1.应用solidworks软件建立继电器三维实体模型，模型由衔铁、顶支架、底支架、触头、动簧片、动断静簧片、动何静簧片等组成，在建立模型过程中，对模型作了简化，省略了线圈、磁铁等部件，结构如图：1.顶支架2.动簧片3.动断静簧片4.触头5.动簧片6.动合静簧片7.衔铁8.挡圈9.底支架图1 三维软件模型2.建立模型后，生成Parasolid格式，保存于ADAMS的工作目录下.3.导入ADAMS中，并定义各部件的材料属性，同时ADAMS自动计算出转动惯量和质量.对各个部件进行约束.在这里对结构进行了简化，忽略了电学的干扰，只考虑机械结构之间的相互关系.首先用固定副把顶支架和底支架与大地固定在一起，然后固定动簧片，动断静簧片，动合静簧片，还要把触头与衔铁固定在一起，最后在衔铁与底支架之间施加旋转副，由于触头与动簧片接触，动合静簧片，动断静簧片之间也产生接触力，因此在这些部件之间也要定义接触.因为这次主要是为了验证柔性体的仿真，忽略了电磁学问题，同时也可忽略掉顶支架和底支架，因此把顶支架和底支架设置为哑物体，并对部分构件设为透明如图2所示.经简化后，在旋转副上加正弦驱动力来模拟电磁铁产生的吸附力，驱动力为9.5d *sin(1200* time)，再进行仿真.设置仿真时间为0.015s,步长为0.000025s,由于动簧片为刚性体，当触头与动簧片接触时就会发生错误，当时间步长足够小时，也会发生穿透现象.1.衔铁2.动簧片3.动合静簧片4.动断静簧片5.触头6.衔铁7.底支架图2 简化后的模型4.把关键部件改变为柔性体。

基于ADAMS及ANSYS的柔性机器人动力学仿真系统一、本文概述随着科技的快速发展，机器人在工业、医疗、军事等领域的应用越来越广泛。

其中，柔性机器人以其独特的柔性和适应性，在众多应用场景中表现出显著的优势。

然而，柔性机器人的动力学特性复杂，传统的建模与仿真方法往往难以准确描述其运动行为。

因此，开发一套基于ADAMS及ANSYS的柔性机器人动力学仿真系统，对于提高柔性机器人的设计效率、优化运动性能、预测运动行为具有重要意义。

本文旨在介绍一种基于ADAMS及ANSYS的柔性机器人动力学仿真系统的设计与实现方法。

文章将对柔性机器人的动力学特性进行分析，明确仿真系统的需求和目标。

详细介绍仿真系统的总体架构和各个模块的功能，包括柔性机器人的建模、动力学方程的建立、仿真求解以及结果后处理等。

在此基础上，文章将重点探讨ADAMS和ANSYS在仿真系统中的应用，以及它们之间的数据交互和协同工作机制。

通过实际案例验证仿真系统的有效性，并对未来研究方向进行展望。

通过本文的阐述，读者可以深入了解柔性机器人动力学仿真系统的基本原理和实现方法，为相关领域的研究人员提供有益的参考和借鉴。

本文的研究成果也将为柔性机器人的设计、优化和控制提供有力的技术支持。

二、柔性机器人动力学建模柔性机器人的动力学建模是理解其运动行为并进行精确控制的关键。

建模过程中，需要同时考虑机器人的刚性部分和柔性部分的动力学特性。

在这个过程中，我们采用了ADAMS和ANSYS这两个强大的工程仿真软件。

我们利用ADAMS进行多体系统动力学建模。

ADAMS以其强大的刚体动力学仿真能力，可以精确模拟机器人的刚性部分运动。

我们根据机器人的实际结构，在ADAMS中建立了详细的多体系统模型，包括连杆、关节、驱动器等各个部分。

然后，通过定义各个部件之间的约束关系，如转动副、移动副等，以及设定驱动器的运动规律，我们能够在ADAMS中模拟出机器人的各种运动状态。

然而，对于柔性机器人来说，仅仅考虑刚性部分的动力学是不够的。

ADAMS是美国MDI公司开发的机械系统动力学仿真分析软件,其求解器采用多刚体动力学理论中的拉格朗日方程方法,建立系统动力学方程,对虚拟机械系统进行静力学、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。

对系统动力分析而言,结构本身的弹性变形与系统的宏观刚体运动同等重要。

ADAMS中的所有物体均以刚体定义,忽略结构柔度对系统的影响,一般的有限元分析软件对包含大位移运动的系统动力学分析又无能为力,因此在ADAMS中实现刚体和柔体相结合的系统动力学分析是一个较可行的解决方法。

1996年,ADAMS推出ADAMS/Flex模块,实现了同时包含刚体和柔体的机构动力学分析。

ADAMS中，有3种建立柔性体的方法：1.利用柔性梁连接，将一个构件离散成许多段刚性构件，离散后的刚性构件之间采用柔性梁连接，只适用于简单的构件，其实质还是刚性构件柔性连接，不算是真正的柔性体；离散柔性连接件：把一个刚性构件离散为几个小刚性构件，小刚性构件之间通过柔性梁连接，离散柔性连接件的变形是柔性梁连接的变形，并不是小刚性构件的变形，小刚性构件的任意两点不能产生相对位移，所以离散柔性连接件本质是刚性构件的范畴内。

每段离散件有自己的质心坐标系、名称、颜色和质量信息等属性，每段离散件是一个独立的刚性构件，可以像编辑其他刚性构件一样来编辑每段离散件。

柔性连接件的优点：这种柔性体可以模拟物体的非线性变形,但只适用于简单结构，可以直接帮助用户计算横截面的属性，比直接使用柔性梁连接将两个构件连接起来方便Build——Flexible bodies——Discrete Flexible LinkName：Dis_flex，系统自动按照Dis_flex_elem1、Dis_flex_elem2......的顺序给每个离散连接件起一个名称，Dis_flex_beam1、Dis_flex_beam2.......的顺序给每个柔性梁连接起一个名字Damping Ratio 设置柔性梁连接的粘性阻尼和刚度之间的比值Attachment 确定起始端和中终止端与其他构件之间的连接关系：free、刚性rigid、柔性flexible2.利用其他有限元分析软件将构件离散成细小的网格，进行模态计算，将计算的模态保存为模态中性文件MNF(Modal Neutral File)，直接读取到ADAMS中建立柔性体；由于采用的是模态线性叠加来模拟物体变形,因此模态式柔性体仅适用于线性结构的受力行为。

基于 Adams刚柔耦合仿真分析及应用【摘要】：剪式稳定架系统常用于汽车车身输送线，可实现车身的升降与运输。

其上框架布置2台电机，通过皮带带动下框架和吊具，实现升降。

在实际运行过程中，由于存在升降皮带安装轮安装相位偏差、皮带缠绕驱动轮运行过程旋转半径波动、皮带不等长等因素，造成下框架倾斜。

在升降过程中，由于运动不平衡，4根剪式稳定架可能产生较大的作用力，存在安全隐患。

因为采用多刚体系统计算会产生卡死现象，所以对剪式稳定架进行柔性化处理，从而得到刚柔耦合的多体系统，然后进行动力学仿真分析，预测剪式稳定架的受力情况，为产品设计和优化提供参考。

【关键词】：剪式稳定架；Adams；刚柔耦合；仿真分析引言1996年，ADAMS推出ADAMS Flex模块，实现了同时包含刚体和柔体的机构动力学分析。

ADAMS中的柔性体分为离散式和模态式2种：离散式柔性体是把一个刚体构件离散为几个小刚性构件，小刚体构件之间通过柔性梁连接，离散式柔性体的变形是柔性梁的变形，并不是小刚体构件的变形，这种柔性体可以模拟物体的非线性变形，但只适用于简单结构；模态式柔性体是由ADAMS Flex模块或外部有限元软件生成，能根据构件的实际结构进行复杂建模，这种柔性体采用的是模态叠加法来模拟物体变形，故仅适用于线性结构的受力分析。

1刚柔耦合基本理论在外部载荷作用下，物体一定会发生弹性变形，所以，多体系统都可以等效认为是一个多柔性系统。

在这种情况下，如果所研究的部件刚度大并且不考虑部件的应力-应变响应，则可以将该部件视为刚体。

但是当所研究部件的弹性变形对系统的影响较大，或者在外部载荷作用下部件的变形较为明显时，则必须考虑部件的弹性系数。

此时，就需要把所研究部件进行柔性化处理，以使多体系统更接近实际情况。

本文进行刚柔耦合仿真时采用了RecurDyn中提供的有限元柔性体建模。

有限元柔性体实现了有限元技术与多体动力学的有机结合，克服了模态柔性体对接触问题建模不准确，柔性体变形后模态需要及时更新的缺点，采用节点之间的相对位移和旋转作为节点坐标来描述结构的变形，具有较高的计算精度。