ADAMS柔性绳索建模仿真解决方案

ANSYS与ADAMS联合柔性仿真详细步骤基本思路：在ANSYS中进行模态中性文件(.mnf)文件的输出，然后把输出的.mnf文件输入到ADAMS中，进行零件更换。

最后在ADAMS中进行加载约束，仿真，查看结果。

建模仿真软件:ANSYS14.0 , ADAMS 2012具体步骤：1 ANSYS输出.mnf柔性文件1.1 ANSYS导入模型（.x_t）或者建立模型1.2 建立单元单元1：Solid(Brick 8 node 185)或者其他3D单元;单元2：Structural Mass(3D mass 21),此单元只用于连接点单元;设置材料属性：密度，弹性模量，泊松比3个参数，以N,mm,kg,s作单位,EX为2.1e5，PRXT 为0.3，DENS为7.85e-6。

1.3 创建连接点在两个圆柱孔的中心，创建2个keypoint（注意是圆柱体的中心，不是某个面的中心）。

1.4 划分单元对体用3D单元划分。

1.5 设置实常数这个参数设置，一定要到等到3D网格划分完后再设置。

对mass21进行设置，Real constant Set No. 要大于2，下面的值要非常小。

1.6 对连接点（即keypoints）进行单元划分先设置keypoints 属性，然后再划分。

1.7 建立刚性区域刚性区域都是节点，即连接节点和刚柔接触的面上所有节点。

在ANSYS里面，这一步，连接点为主节点，刚柔接触面上的所有节点为从节点。

1.7.1 建立主节点component选择1个主节点，即连接节点。

按照此方法，对另外一个连接点，建立一个componet。

在这个例子里，命名为m2.1.7.2 建立从节点componet首先选中2个圆柱面（对1个圆柱孔操作）。

然后选择这2个面上所有节点。

按照上述方法，对另外一个连接点和圆柱面上的节点，建立componet。

1.7.3组装主节点和从节点Component，形成1个Assembly按照这个方法，对另外一对主节点和从节点component进行组装。

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。

从Adams2014版本开始，引入ANCF （Absolute Nodal Coordinate Formulation ）算法，基于该种方式，可在Adams 中快速实现柔性索和柔性梁等类型模型的创建，并且在计算时具备更快地速度，提升效率。

基于这种方法创建的模型在Adams 中叫做FEpart ，即有限元构件模型，可同其他刚体模型进行碰撞或其他约束关系等的定义，还可在其上施加分布载荷，可将其看作为Adams 刚柔耦合功能的补充，可处理大变形、自接触等现象。

Adams 中刚柔耦合功能架构，如下所示：在多体动力学中考虑构件大变形时往往采用传统的离散方法，将本来完整的模型离散成一个个小刚体，刚体之间通过力元连接，该种方法可以一定程度上模拟几何非线性现象，但基于FE Part 可以更进一步，在精度与计算速度方面都有更好地表现。

同时，FE Part 相对于MNF 方法也有很多不同之处，首先其可以更加精确地模拟大变形问题，而线性模态方法则不可，另外，建摸时不需要有限元软件，直接在Adams环境下即可完成。

在口令许可方面，也有了专门的Feature加以明确，如下：FEATURE ADAMS_Nonlinear_Part MSC 2014.1118 18-nov-2014 uncounted \4484928C4511 HOSTID=5c260a527247 ISSUED=20-may-2014 \NOTICE="For the exclusive use of MSC Software employee Zhiwei \Chen" ck=62 SN=1195221-09a6300b72a93741ab53-598b下面基于FE part功能创建说明模型。

下图红色箭头所指即为FEPart建模图标：点击后出现向导对话框，在类型方面有3D和2D等类型供选择：然后，选择所建立模型的扫掠线：会形成三维模型。

adams建立柔性体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。

ANSYSMechanical绳索仿真技术绳索，俗称绳子，是通过扭或编等方式加强后，连成一定长度的纤维。

其拉伸强度很好但没有压缩强度，可用来做连接、牵引的工具。

绳索的用途数不胜数：从建筑中的材料固定、到岩土工程中的柔性锚索、汽车门窗的升降拉索、电缆导线等等。

如何在仿真中高效准确地模拟绳索，对很多行业都有着实际的意义。

下面就以笔者在工作中遇到的一个绳索仿真问题为例，说明在ANSYS Mechanical中新的绳索技术。

以往ANSYS缺乏专门的绳索单元，通常会以Link180单元模拟杆件，设定关键字选项KEYOPT来模拟受拉/拉压/受压等不同特征。

特殊情况下，也有工程师以Beam188单元模拟线缆。

ANSYS2020R1正式加入了新的绳索单元cable280,可以分析上述斜拉绝缘子、线缆等结构。

CABLE280适用于分析中等至极细的缆索结构（如海底缆索）。

该单元是三维空间中的二次三结点线单元。

每个节点有三个自由度：x、y和z方向上的平移。

相比于传统的线单元link180、beam188，cable280收敛性更好，也更贴近实际。

首先选择一根斜拉绝缘子做测试，测试模型由一根线体和两端面体构成，几何模型共享节点。

斜拉绝缘子材料如下表所示。

固定约束面体两端，施加重力加速度，并打开大变形（下同）。

斜拉绝缘子材料属性密度kg/m3弹性模量 Pa 泊松比1800 2.8e10 0.34ANSYS2020R1之后的版本，在线体下方的model type即可选择cable(默认为beam)，如下图所示。

即便选择cable类型，软件自动指定为只受拉不受压的LINK180杆单元，而非Cable280单元。

想必很多同学在这里会很疑惑，不妨可以选用下面的方法来使用cable单元。

即在线体下方插入command snippet：et,matid,cable280sectype,matid,link !Cable单元的截面类型为Link secdata,ARG1 !ARG1为截面面积然后就可以回到最初的阀塔装配体模型，在该复杂装配体中采用cable单元与link单元进行对比计算。

钢丝绳建模几种方法探讨建模, 钢丝绳, 探讨建模, 钢丝绳, 探讨1、用直杆代替，如图中钢丝绳，如需要，也可将其柔性化。

2 、用多段圆柱代替，中间用旋转副或衬套连接。

为了美观，可将圆柱两端作成半球形。

如果要实现绕滑轮无移动缠绕，需要用接触碰撞来实现。

其中实现的关键是接触碰撞的参数选择和你的机器配置。

参数选择不对，圆柱要么被弹飞要么切入滑轮。

一段钢丝绳可以用几十段圆柱来实现，比较现实的方法是用循环命令。

以下是我曾经用过的循环命令。

（比较菜）1）复制第1个圆柱并循环偏移（注意偏移方向的控制）ariable set variable_name=$_self.num integer=1for variable_name=aaa start=1 end=30interface command_builder!interface dialog execute dialog=.gui.par_cop undisplay=yespart copy &part_name = .model_1.(eval("T_"//$_self.num)) &new_part_name = (eval("T_"//$_self.num+1))group modify group=SELECT_LIST obj=.model_1.(eval("T_"//$_self.num+1)) expand_groups=nointerface command_builder!interface dialog execute dialog=.gui.mov_tra undisplay=yesmove translation &part_name = (eval("T_"//$_self.num+1)) &c1 = 395.9797975 &c2 = 395.9797975 &c3 = 0variable set variable_name=$_self.num integer=(eval($_self.num+1))endvariable delete variable_name=$_self.num2）复制第一个圆柱绕滑轮旋转variable set variable_name=$_self.num integer=2for variable_name=aaa start=1 end=4interface command_builder!interface dialog execute dialog=.gui.par_cop undisplay=yespart copy &part_name = .model_1.(eval("PART_"//$_self.num)) &new_part_name = (eval("PART_"//$_self.num+1))group modify group=SELECT_LIST obj=.model_1.(eval("PART_"//$_self.num+1)) expand_groups=nointerface mode repeat=single mode=view_center!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! MODIFY View Centerundo beginview center view=.gui.main.front object = 0.0, 0.0, 0.0 adjust_view=yesundo end!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!var set var=.mdi.TmpDefOri int=10def unit orientation_type=body123move rotation group=select_list csview=main.front &a1=0.0 a2=0.0 a3=-18 about=yes.system_defaults.orientation_type = 10variable set variable_name=$_self.num integer=(eval($_self.num+1))endvariable delete variable_name=$_self.num3）在各段圆柱间施加旋转副variable set variable_name=$_self.num integer=1for variable_name=aaa start=1 end=4interface command_builderint cont und con=.gui.constraint_cre_joi_rev.c_position_by_using_markers interface dialog execute dialog=.gui.constraint_cre_joi_rev undisplay=yes constraint create joint Revolute &joint_name=.model_1.(eval("joint_"//$_self.num)) &adams_id=(eval($_self.num)) &i_part_name=.model_1.(eval("T_"//$_self.num)) &j_part_name=.model_1.(eval("T_"//$_self.num+1)) &location = .model_1.(eval("T_"//$_self.num+1)).MARKER_5 &orientation = 0.0, 0.0, 0.0if con=("" != "")int fie set fie= str=".model_1.JOINT_1"endvariable set variable_name=$_self.num integer=(eval($_self.num+1))endvariable delete variable_name=$_self.num3）在各段圆柱与滑轮间施加接触碰撞力variable set variable_name=$_self.num integer=1for variable_name=aaa start=1 end=4interface command_builderinterface dialog execute dialog=.gui.contact_cre undisplay=yescontact create &contact_name = .model_1.(eval("contact_"//$_self.num)) &adams_id = (eval($_self.num)) &i_geometry_name = .model_1.(eval("T_"//$_self.num)).ELLIPSOID_2 &j_geometry_name = .model_1.pan1.ELLIPSOID_113 &stiffness = 1000 &damping = 10 &dmax = 1.1 &exponent = 11 &augmented_lagrangian_formulation = no &coulomb_friction = onvariable set variable_name=$_self.num integer=(eval($_self.num+1))endvariable delete variable_name=$_self.nu4）删除力或圆柱或约束副（说明：“T_”是要删除的对象，根据不同的对象，做适当更改）variable set variable_name=$_self.num integer=1for variable_name=aaa start=1 end=4group modify group=SELECT_LIST obj=.model_1.(eval("T_"//$_self.num+1)) expand_groups=nomdi delete_macrointerface cmd_window display=togglevariable set variable_name=$_self.num integer=(eval($_self.num+1))endvariable delete variable_name=$_self.num3、用齿轮副或rack_pin或关联副代替。

ADAMS柔性体运动仿真分析研究及运用□刘　俊□林砺宗　刘小平　□王　刚摘要　介绍ADAMS柔性体基本理论及在ADAMS中调入柔性体的几种方法,着重分析如何在ADAMS中引入ANSY S模态中性文件,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　ANSYS　模态中性文件中图分类号:TP39129　文献标识码:A　文章编号:1671—3133(2004)05—0053—03Study and application of ADAMS flexible body kinetic simulation□Liu Jun　□Lin Lizong,Liu Xiaoping　□W ang G angAbstract　Introduced the basic theory of ADAMS flexible body and s ome methods of adding flexible bodies to a m odel to study the dy2 namic characteristics of the mechanical system1Analyzed how to apply ANSY S m ode neutral file in ADAMS,constructed mechanical sys2 tem simulation m odel1T ested the validity of the ADAMS flexible kinematical simulation through an example1K ey w ords:ADAMS　F lexible body　K inetic simulation　ANSYS　Model neutral file 机器人动力学仿真分析是机器人设计的重要内容,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。

ADAMS 柔性体运动仿真分析及运用焦广发，周兰英（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 mechanical system1,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,它是目前世界围最广泛使用的多体1系统仿真分析软件,其建模仿真的精度和可靠性在现在所有的动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,基金项目：北京市重点学科建设（XK100070424）；北京理工大学基金（0303E10）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. 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：ANSYS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。