基于ADAMS与NASTRAN的刚柔耦合体动力学分析方法
基于ADAMS和ANSYS的机械臂刚柔耦合运动学分析
２０２０年９月第４８卷第１７期机床与液压ＭＡＣＨＩＮＥＴＯＯＬ＆ＨＹＤＲＡＵＬＩＣＳＳｅｐ．２０２０Ｖｏｌ ４８Ｎｏ １７ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ ｉｓｓｎ １００１－３８８１ ２０２０ １７ ００５本文引用格式：刘静，林冲，郭世财．基于ＡＤＡＭＳ和ＡＮＳＹＳ的机械臂刚柔耦合运动学分析［Ｊ］．机床与液压，２０２０，４８（１７）：２５－２８．ＬＩＵＪｉｎｇ，ＬＩＮＣｈｏｎｇ，ＧＵＯＳｈｉｃａｉ．Ｒｉｇｉｄ⁃ｆｌｅｘｉｂｌｅＣｏｕｐｌｉｎｇＫｉｎｅｍａｔｉｃｓＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＭａｎｉｐｕｌａｔｏｒＢａｓｅｄｏｎＡＤＡＭＳａｎｄＡＮＳＹＳ［Ｊ］．ＭａｃｈｉｎｅＴｏｏｌ＆Ｈｙｄｒａｕｌｉｃｓ，２０２０，４８（１７）：２５－２８．收稿日期：２０１９－０６－１０基金项目：江西省教育厅科学技术研究项目（ＧＪＪ１６０６１５）作者简介：刘静（１９６５ ），女，硕士，副教授，主要研究方向为机械设计制造及其自动化㊂Ｅ－ｍａｉｌ：ｌｉｕｊｉｎｇ１９６５＠１２６ ｃｏｍ㊂基于ＡＤＡＭＳ和ＡＮＳＹＳ的机械臂刚柔耦合运动学分析刘静，林冲，郭世财（江西理工大学机电工程学院，江西赣州３４１０００）摘要：针对机械臂的设计要求，设计了一种由两个铰链四杆机构组成的双自由度机械臂，利用ＡＤＡＭＳ建立机械臂的刚性体模型，仿真得到不同时刻的运动参数曲线；利用ＡＮＳＹＳ建立指定部件的柔性体模型，得到不同阶数的模态频率和模态振型值；利用ＡＤＡＭＳ和ＡＮＳＹＳ进行联合仿真后，得到机械臂的刚柔耦合模型，仿真结果表明：柔性体模型在ｚ方向发生了微小位移变化，ｘ㊁ｙ方向位移波动范围增加了１０ｍｍ㊂利用ＡｌｔｉｕｍＤｅｓｉｇｎｅｒ软件绘制控制电路图并进行了实物制作，实验结果表明该机械臂具有广泛的适用性㊂关键词：机械臂；刚柔耦合模型；仿真；ＡｌｔｉｕｍＤｅｓｉｇｎｅｒ中图分类号：ＴＨ１２２Ｒｉｇｉｄ⁃ｆｌｅｘｉｂｌｅＣｏｕｐｌｉｎｇＫｉｎｅｍａｔｉｃｓＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＭａｎｉｐｕｌａｔｏｒＢａｓｅｄｏｎＡＤＡＭＳａｎｄＡＮＳＹＳＬＩＵＪｉｎｇ，ＬＩＮＣｈｏｎｇ，ＧＵＯＳｈｉｃａｉ（ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌａｎｄＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＪｉａｎｇｘｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＧａｎｚｈｏｕＪｉａｎｇｘｉ３４１０００，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｏｒｔｈｅｄｅｓｉｇｎｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｏｆｔｈｅｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ，ａｄｏｕｂｌｅ⁃ｄｅｇｒｅｅ⁃ｏｆ⁃ｆｒｅｅｄｏｍｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒｃｏｍｐｏｓｅｄｏｆｔｗｏｈｉｎｇｅｄｆｏｕｒ⁃ｂａｒｍｅｃｈａｎｉｓｍｓｗａｓｄｅｓｉｇｎｅｄ．ＴｈｅｒｉｇｉｄｂｏｄｙｍｏｄｅｌｏｆｔｈｅｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒｗａｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄｂｙｕｓｉｎｇＡＤＡＭＳ，ａｎｄｔｈｅｍｏｔｉｏｎｐａｒａｍｅｔｅｒｃｕｒｖｅｓａｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔｍｏｍｅｎｔｓｗｅｒｅｏｂｔａｉｎｅｄｂｙｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ．ＡｆｌｅｘｉｂｌｅｂｏｄｙｍｏｄｅｌｏｆａｓｐｅｃｉｆｉｅｄｃｏｍｐｏｎｅｎｔｗａｓｂｕｉｌｔｂｙｕｓｉｎｇＡＮＳＹＳ，ａｎｄｍｏｄａｌｆｒｅｑｕｅｎｃｉｅｓａｎｄｍｏｄａｌｖｉｂｒａｔｉｏｎｍｏｄｅｖａｌｕｅｓａｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔｏｒｄｅｒｓｗｅｒｅｏｂｔａｉｎｅｄ．Ｔｈｅｒｉｇｉｄ⁃ｆｌｅｘｉｂｌｅｃｏｕｐｌｉｎｇｍｏｄｅｌｏｆｔｈｅｍａ⁃ｎｉｐｕｌａｔｏｒｗａｓｏｂｔａｉｎｅｄａｆｔｅｒｔｈｅｊｏｉｎｔｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆＡＤＡＭＳａｎｄＡＮＳＹＳ．Ｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｆｌｅｘｉｂｌｅｂｏｄｙｍｏｄｅｌｈａｓａｓｌｉｇｈｔｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｃｈａｎｇｅｉｎｚｄｉｒｅｃｔｉｏｎ，ａｎｄｔｈｅｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｆｌｕｃｔｕａｔｉｏｎｒａｎｇｅｉｎｘａｎｄｙｄｉｒｅｃｔｉｏｎｓｉｎｃｒｅａｓｅｓｂｙ１０ｍｍ．ＴｈｅｃｏｎｔｒｏｌｃｉｒｃｕｉｔｄｉａｇｒａｍｗａｓｄｒａｗｎｂｙｕｓｉｎｇＡｌｔｉｕｍＤｅｓｉｇｎｅｒｓｏｆｔｗａｒｅａｎｄｔｈｅｐｈｙｓｉｃａｌｐｒｏｔｏｔｙｐｅｗａｓｍａｄｅ．Ｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｒｏｂｏｔａｒｍｈａｓｗｉｄｅａｐｐｌｉｃａｂｉｌｉｔｙ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ；Ｒｉｇｉｄ⁃ｆｌｅｘｉｂｌｅｃｏｕｐｌｉｎｇｍｏｄｅｌ；Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ＡｌｔｉｕｍＤｅｓｉｇｎｅｒ０㊀前言机械臂是一个各构件联系紧密的运动部件，机械臂的结构及运动精度决定了末端执行器的工作范围和工作效率㊂国外研究机械臂已有数十年的历史，日本京都大学于２０世纪８０年代中期研究了５自由度关键型机械手，每个关节均由电机控制，编程难度较大［１－２］；韩国庆北大学研究的苹果采摘机械臂具有４个运动自由度，包括１个移动自由度和３个转动自由度［３－４］；在国内，由上海交通大学研究的空间双臂机器人，每个机械臂具有７个自由度，基于拉格朗日法得到机械臂在不同运动状态下的动力学参数［５］㊂本文作者对一种双自由度机械臂进行设计，借用ＡＤＡＭＳ和ＡＮＳＹＳ软件对机械臂进行联合仿真，为机械臂的运动精度控制提供了参考价值㊂１㊀机械臂的结构设计机械臂作为机器人的重要执行部件之一，由末端执行器㊁机械臂连杆㊁步进电机和底座组成［６］㊂两个对称布置的步进电机控制机械臂沿ｘ㊁ｙ方向运动，底座有一个直流电机，控制机械臂的旋转运动㊂为了提高其运动的平稳性，在大臂㊁小臂㊁连接臂的另一侧设计有同样对称分布的机械臂杆件，中间臂起辅助支撑的作用，在机械原理上可简化为两个对称的铰链四杆机构，图１是机械手装置示意图㊂设计末端执行器负载ｍＬ＝１ ５ｋｇ，大臂Ｌ１＝３５０ｍｍ，小臂Ｌ２＝３５０ｍｍ，连接臂Ｌ３＝３５０ｍｍ，中间臂Ｌ４＝３００ｍｍ㊂图１㊀机械手方案设计示意机械臂在结构原理上简化为两个铰链四杆机构，为简化分析过程，以其中一个铰链四杆机构为分析对象，机构运动简图如图２所示，舵机和底座视为机架，大臂１㊁连接臂３为连架杆，小臂２为连杆，其运动自由度计算如下：Ｆ＝３ｎ－２ＰＬ－ＰＨ＝１㊂式中：ｎ为活动构件数；ＰＬ为低副数；ＰＨ为高副数㊂图２㊀机械臂机构运动简图机械臂在运动过程中，其工作状态可分为起始状态㊁中间状态和终端状态，在电机驱动下，大臂１为主动件，做旋转运动，带动小臂２和连接臂３运动，当小臂２和连接臂３处于垂直状态时，机械臂控制末端执行器到达最大采摘高度，完成水果的采摘，图２中弧度虚线代表末端执行器的运动轨迹㊂２ 刚柔耦合模型的建立２ １㊀刚柔耦合模型的建立流程ＵＧ软件是一个在二维和三维空间无结构网格上进行三维建模的软件；ＡＤＡＭＳ是由美国ＭｅｃｈａｎｉｃａｌＤｙｎａｍｉｃｓＩｎｃ公司研制的集建模㊁求解㊁可视化技术于一体的虚拟样机软件，是世界上使用范围最广的机械系统仿真分析软件［７］；ＡＮＳＹＳ是一款大型有限元分析软件㊂三款软件均有各自的特点，将三款软件结合使用对机械结构进行设计和分析，可以得到更加精确的求解结果［８－９］㊂在ＵＧ软件中建立三维模型，导入至ＡＤＡＭＳ软件定义运动副㊁载荷和施加驱动，得到所需部件的位移㊁速度和加速度运动曲线；考虑到构件变形的特殊情况下，完全把模型当作刚性系统来处理不能达到精度要求，必须把模型的部分构件模拟成柔性体来处理，因此，借助ＡＮＳＹＳ软件，对所需构件进行模态分析，转换成模态中性文件，再导入到ＡＤＡＭＳ中替换原刚性构件，得到刚柔耦合模型，重新计算得到新的位移㊁速度和加速度运动曲线［１０－１１］㊂刚柔耦合模型建立流程如图３所示㊂图３㊀刚柔耦合分析流程２ ２㊀刚性体模型的建立在ＵＧ软件中建立好三维模型后，导出Ｐａｒａｓｏｌｉｄ（∗．ｘ＿ｔ）文件至ＡＤＡＭＳ软件，定义相应的材料属性，添加运动副㊁载荷和约束，然后施加驱动，建立好刚性模型，最后设置好仿真时间和步长后，进行求解，得到构件的位移㊁速度和加速度曲线，文中以大臂为研究对象，其运动曲线如图４所示㊂图４㊀大臂位移㊁速度和加速度运动曲线㊃６２㊃机床与液压第４８卷２ ３㊀柔性体模型的建立以大臂为研究对象，视为柔性体进行分析㊂将ＵＧ软件中的大臂连杆三维模型导出Ｐａｒａｓｏｌｉｄ（∗．ｘ＿ｔ）文件至ＡＮＳＹＳ软件，设置大臂的材料为铝合金，密度为２７７０ｋｇ／ｍ３，弹性模量为２ˑ１０５ＭＰａ，泊松比为０ ３３；然后对其进行网格划分，共生成６８１３个节点，１００２个单元，将大臂与电机连接的铰接孔设置为固定约束，设置模态阶数为６，最后对其进行求解㊂得到模态分析结果如表１所示，随着模态阶数的增加，大臂的振动频率增加，大臂的位移幅值呈阶梯形规律变化㊂表１㊀大臂模态分析结果模态阶数频率值／Ｈｚ幅值／ｍｍ１３０．９９１１５７．４２２１８０．８６１６５．５３３２１０．３５１５７．１６４４９５．５６１７０．９７５６５６．２５１６２．３１６９６４．６１１７６．１４２ ４㊀刚柔耦合模型的建立将２ ３节中建立好的模态中性文件保存为 ＭＮＦ（ＭｏｄａｌＮｅｔｕｒａｌＦｉｌｅ）文件格式，在ＡＤＡＭＳ中导入此柔性文件，替换原刚性文件，建立一个刚柔耦合模型，重新对部件添加运动副㊁载荷和约束，最后施加驱动，添加驱动函数：Ｆ（ｘ）＝６０㊃ｄ㊃ｓｉｎ（６０ｄ㊃Ｔｉｍｅ）通过新生成的位移㊁速度和加速度曲线与原曲线进行对比分析，得到机械臂在运动过程的运动特性㊂当柔性大臂替换刚性大臂后，大臂运动曲线如图５所示，由图５（ａ）可知，在柔性条件下，大臂６ｓ内在ｘ㊁ｙ方向位移参数与原曲线比较没有发生较大的振幅变化，变化范围在－４０ ４０ｍｍ之间㊂通过图５（ｂ）可知，大臂在ｚ方向上位移出现了微小波动，原因是在运动过程中，受到载荷力的影响，使部件出现微小变形㊂通过图５（ｃ）可知，柔性大臂在ｘ方向速度变化范围由－１５ １５ｍｍ／ｓ变化至－２０ ２０ｍｍ／ｓ，在ｙ方向的速度变化范围由原来的－４５ ４５ｍｍ／ｓ变化至－５０ ５０ｍｍ／ｓ㊂图５㊀柔性大臂相关运动参数曲线３ 实验验证根据机械臂的设计要求和刚柔耦合动力学分析的结果，制作出实物样机，以检验设计的准确性，机械臂采用两个步进电机控制，利用ＡｌｔｉｕｍＤｅｓｉｇｎｅｒ软件绘制控制电路图，采用两级降压电路供电：第一级采用大功率的ＸＬ４０１６将２４Ｖ电压稳定为５Ｖ，第二级采用ＬＭ１１１７将５Ｖ电压稳定为３ ３Ｖ，保证了单片机电源电压的稳定性㊂采用大功率的ＴＢ６５６０步进电机驱动器驱动，额定电流为３Ａ，最大峰值电流为３ ５Ａ，能够满足机械臂运动时的能耗需求，驱动器直接连接单片机，简单可靠，通过Ｃ语言直接编程控制，能够实现对步进电机的开环控制，确保了采摘过程中机械臂运作的可靠性和平稳性，电路控制原理图如图６所示㊂㊃７２㊃第１７期刘静等：基于ＡＤＡＭＳ和ＡＮＳＹＳ的机械臂刚柔耦合运动学分析㊀㊀㊀图６㊀机械臂控制原理㊀㊀将此实物样机应用于柑橘水果的采摘，如图７所示，通过实验验证，发现该机械臂灵活性较高且控制简单，通过控制机械臂的运动，末端执行器可以快速达到指定位置，完成相关动作，采摘一次平均时间是５ ３５ｓ，每次采摘柑橘１ ２个，实验部分结果如表２所示㊂图７㊀机械臂实验表２㊀实验结果统计实验次数采摘总时间／ｓ采摘数量／个１４．５１２５．０１３６．０２４６．５２５５．３１６４．８１４㊀小结设计了一种由两个铰链四杆机构组成的双自由度机械臂，利用ＡＤＡＭＳ虚拟样机技术建立机械臂的刚性体模型，并对其进行运动学分析，仿真得到不同时刻机械臂的运动参数；然后利用ＡＮＳＹＳ建立指定部件的柔性体模型，得到不同阶数的模态频率和模态振型图，最后进行联合仿真，得到一个刚柔耦合模型，为机械臂的运动精度控制提供了参考价值㊂最后进行实物制作，将该机械臂应用于水果采摘，可以顺利的采摘柑橘，通过设计不同的末端执行器可以将其应用于不同的领域，说明了该机械臂具有广泛的适用性㊂参考文献：［１］丁祥青，马莉．采摘机器人机械手结构设计与分析［Ｊ］．机床与液压，２０１７，４５（２３）：４０－４２．ＤＩＮＧＸＱ，ＭＡＬ．Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｄｅｓｉｇｎａｎｄａｎａｌｙｓｉｓｏｆｍｅ⁃ｃｈａｎｉｃａｌａｒｍｆｏｒｐｉｃｋｉｎｇｒｏｂｏｔ［Ｊ］．ＭａｃｈｉｎｅＴｏｏｌ＆Ｈｙｄｒａｕ⁃ｌｉｃｓ，２０１７，４５（２３）：４０－４２．［２］夏小品，王海．四自由度柔性关节机械臂的动力学分析［Ｊ］．安徽工程大学学报，２０１２，２７（４）：２１－２４．ＸＩＡＸＰ，ＷＡＮＧＨ．Ｍｏｄｅｌｉｎｇａｎｄｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆ４－ＤＯＦｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒｓｗｉｔｈｆｌｅｘｉｂｌｅｊｏｉｎｔｓ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＡｎｈｕｉＰｏｌｙ⁃ｔｅｃｈｎｉｃＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，２０１２，２７（４）：２１－２４．［３］蒲筠果，王志刚，朱良．基于农业采摘的机械臂结构设计研究［Ｊ］．农机化研究，２０１８，４０（９）：３９－４３．ＰＵＪＧ，ＷＡＮＧＺＧ，ＺＨＵＬ．Ｒｅｓｅａｒｃｈｏｎｔｈｅｄｅｓｉｇｎｏｆｍｅ⁃ｃｈａｎｉｃａｌａｒｍｓｔｒｕｃｔｕｒｅｂａｓｅｄｏｎａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌｐｉｃｋｉｎｇ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＡｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌＭｅｃｈａｎｉｚａｔｉｏｎＲｅｓｅａｒｃｈ，２０１８，４０（９）：３９－４３．［４］王振荣，荚启波，张雷刚，等．七自由度机械臂动力学分析与仿真［Ｊ］．计量与测试技术，２０１８，４５（４）：１８－２３．ＷＡＮＧＺＲ，ＪＩＡＱＢ，ＺＨＡＮＧＬＧ，ｅｔａｌ．Ｄｙｎａｍｉｃａｎａｌｙｓｉｓａｎｄｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｓｅｖｅｎ⁃ｄｅｇｒｅｅ⁃ｏｆ⁃ｆｒｅｅｄｏｍｍａｎｉｐｕｌａｔｉｏｎ［Ｊ］．ＭｅｔｒｏｌｏｇｙａｎｄＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔＴｅｃｈｎｉｑｕｅ，２０１８，４５（４）：１８－２３．［５］吴长征，刘殿富，岳义．空间双臂机器人运动学及动力学分析与建模研究［Ｊ］．上海航天，２０１７，３４（３）：８０－８７．ＷＵＣＺ，ＬＩＵＤＦ，ＹＵＥＹ．Ｋｉｎｅｍａｔｉｃｓａｎｄｄｙｎａｍｉｃｓｍｏｄ⁃ｅｌｉｎｇｆｏｒｄｕａｌ⁃ａｒｍｓｐａｃｅｒｏｂｏｔ［Ｊ］．ＡｅｒｏｓｐａｃｅＳｈａｎｇｈａｉ，２０１７，３４（３）：８０－８７．（下转第１０７页）㊃８２㊃机床与液压第４８卷５㊀结束语根据某离心式空气压缩机叶轮的结构特点，通过分析叶轮加工区域的尺寸及形状，使用Ｈｙｐｅｒｍｉｌｌ软件编制了分层分区域的粗加工刀具路径，通过计算得出了流道精加工时的步距值，使用侧刃驱动的面铣方式编制了叶片精加工刀路㊂在ＡｄｖａｎｔＥｄｇｅ软件中完成了三要素三水平切削仿真实验，得出了最优的切削参数㊂经过实际加工测试，叶轮加工时间从９ ５ｈ降低到７ ２ｈ，加工误差从０ １ｍｍ降低到０ ０７ｍｍ，有效提高了加工效率和加工质量㊂参考文献：［１］肖善华．叶轮高速开粗加工路径优化设置研究［Ｊ］．机床与液压，２０１８，４６（２）：４９－５３．ＸＩＡＯＳＨ．Ｒｅｓｅａｒｃｈｏｎｉｍｐｅｌｌｅｒｈｉｇｈ⁃ｓｐｅｅｄｒｏｕｇｈｉｎｇｍａ⁃ｃｈｉｎｉｎｇｐａｔｈｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｓｅｔｔｉｎｇ［Ｊ］．ＭａｃｈｉｎｅＴｏｏｌ＆Ｈｙ⁃ｄｒａｕｌｉｃｓ，２０１８，４６（２）：４９－５３．［２］吕博鑫，吴雁，陈青云，等．减小轴流式整体叶轮铣削颤振的工艺优化研究［Ｊ］．机床与液压，２０１７，４５（２３）：８６－８９．ＬＶＢＸ，ＷＵＹ，ＣＨＥＮＱＹ，ｅｔａｌ．Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｒｅｓｅａｒｃｈｏｆｒｅｄｕｃｅｃｕｔｔｉｎｇｃｈａｔｔｅｒｏｆａｘｉａｌｆｌｏｗｉｎｔｅｇｒａｌｉｍ⁃ｐｅｌｌｅｒ［Ｊ］．ＭａｃｈｉｎｅＴｏｏｌ＆Ｈｙｄｒａｕｌｉｃｓ，２０１７，４５（２３）：８６－８９．［３］曹著明，顾春光，王刘菲，等．某航空整体叶轮高效数控加工关键技术研究［Ｊ］．机床与液压，２０１６，４４（８）：２６－３０．ＣＡＯＺＭ，ＧＵＣＧ，ＷＡＮＧＬＦ，ｅｔａｌ．ＲｅｓｅａｒｃｈｏｎｋｅｙｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓｏｆｈｉｇｈｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙＮＣｍａｃｈｉｎｉｎｇｆｏｒａｃｅｒｔａｉｎａｖｉａｔｉｏｎｉｎｔｅｇｒａｌｉｍｐｅｌｌｅｒ［Ｊ］．ＭａｃｈｉｎｅＴｏｏｌ＆Ｈｙｄｒａｕｌｉｃｓ，２０１６，４４（８）：２６－３０．［４］陈文涛，夏芳臣，涂海宁．基于ＵＧ＆ＶＥＲＩＣＵＴ整体式叶轮五轴数控加工与仿真［Ｊ］．组合机床与自动化加工技术，２０１２（２）：１０２－１０４．ＣＨＥＮＷＴ，ＸＩＡＦＣ，ＴＵＨＮ．Ｆｉｖｅ⁃ａｘｉｓＮＣｍａｃｈｉｎｉｎｇａｎｄｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｉｎｔｅｇｒａｌｉｍｐｅｌｌｅｒｂａｓｅｏｎＵＧ＆ＶＥＲＩＣＵＴ［Ｊ］．ＭｏｄｕｌａｒＭａｃｈｉｎｅＴｏｏｌ＆ＡｕｔｏｍａｔｉｃＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇＴｅｃｈｎｉｑｕｅ，２０１２（２）：１０２－１０４．［５］于斐，蒋玲玲．基于ＶＥＲＩＣＵＴ的整体叶轮五轴联动数控加工仿真［Ｊ］．机械设计与制造，２０１０（７）：１５９－１６０．ＹＵＦ，ＪＩＡＮＧＬＬ．Ｓｔｕｄｙｏｎｔｈｅｆｉｖｅ⁃ａｘｉｓｓｉｍｕｌｔａｎｅｉｔｙＮＣｍａｃｈｉｎｉｎｇｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｆｏｒｉｎｔｅｇｒａｌｉｍｐｅｌｌｅｒｂａｓｅｄｏｎｖｅｒｉｃｕｔ［Ｊ］．ＭａｃｈｉｎｅｒｙＤｅｓｉｇｎ＆Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ，２０１０（７）：１５９－１６０．［６］蔡永林，席光，樊宏周，等．任意曲面叶轮五坐标数控加工刀具轨迹生成［Ｊ］．西安交通大学学报，２００３，３７（１）：７７－８０．ＣＡＩＹＬ，ＸＩＧ，ＦＡＮＨＺ，ｅｔａｌ．Ｔｏｏｌ⁃ｐａｔｈｐｌａｎｎｉｎｇｆｏｒ５⁃ａｘｉｓｎｕｍｅｒｉｃａｌｃｏｎｔｒｏｌｍａｃｈｉｎｉｎｇｏｆａｒｂｉｔｒａｒｙｓｕｒｆａｃｅｉｍｐｅｌ⁃ｌｅｒ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＸｉ ａｎＪｉａｏｔｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，２００３，３７（１）：７７－８０．［７］曹利新，苏云玲，金玉淑．三元整体叶轮的几何造型与数控加工刀具路径规划［Ｊ］．推进技术，２００５，２６（２）：１８８－１９２．ＣＡＯＬＸ，ＳＵＹＬ，ＪＩＮＹＳ．Ｇｅｏｍｅｔｒｉｃａｌｄｅｓｉｇｎａｎｄｔｏｏｌ⁃ｐａｔｈｇｅｎｅｒａｔｉｏｎｏｆｔｈｒｅｅｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｉｍｐｅｌｌｅｒ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＰｒｏｐｕｌｓｉｏｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００５，２６（２）：１８８－１９２．［８］丁刚强．整体叶轮五轴数控加工技术的研究［Ｊ］．制造技术与机床，２０１３（４）：１００－１０３．ＤＩＮＧＧＱ．Ｓｔｕｄｙｏｎｔｈｅｆｉｖｅ⁃ａｘｉｓＮＣｍａｃｈｉｎｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｆｏｒｉｎｔｅｇｒａｌｉｍｐｅｌｌｅｒ［Ｊ］．ＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ＆Ｍａ⁃ｃｈｉｎｅＴｏｏｌ，２０１３（４）：１００－１０３．［９］吴宝海，王尚锦．自由曲面叶轮的四坐标数控加工研究［Ｊ］．航空学报，２００７，２８（４）：９９３－９９８．ＷＵＢＨ，ＷＡＮＧＳＪ．Ｒｅｓｅａｒｃｈｏｎ４－ａｘｉｓｎｕｍｅｒｉｃａｌｃｏｎｔｒｏｌｍａｃｈｉｎｉｎｇｏｆｆｒｅｅ⁃ｆｏｒｍｓｕｒｆａｃｅｉｍｐｅｌｌｅｒｓ［Ｊ］．ＡｃｔａＡｅｒｏｎａｕ⁃ｔｉｃａｅｔＡｓｔｒｏｎａｕｔｉｃａＳｉｎｉｃａ，２００７，２８（４）：９９３－９９８．（责任编辑：张楠）（上接第２８页）［６］杨武成，李媛，马翔宇．五自由度机械手动力学分析［Ｊ］．煤矿机械，２０１８，３９（８）：７０－７２．ＹＡＮＧＷＣ，ＬＩＹ，ＭＡＸＹ．Ｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒｄｙｎａｍｉｃｓａｎａｌｙｓｉｓｏｆｆｉｖｅｄｅｇｒｅｅｓｏｆｆｒｅｅｄｏｍ［Ｊ］．ＣｏａｌＭｉｎｅＭａｃｈｉｎｅｒｙ，２０１８，３９（８）：７０－７２．［７］陈峰华．ＡＤＡＭＳ２０１６虚拟样机技术从入门到精通［Ｍ］．北京：清华大学出版社，２０１７：１６１－１８３．［８］彭礼辉，李光，阳贵明，等．基于ＡＤＡＭＳ和ＡＮＳＹＳ的刚柔耦合模型分析［Ｊ］．湖南工程学院学报（自然科学版），２０１１，２１（３）：２２－２４．ＰＥＮＧＬＨ，ＬＩＧ，ＹＡＮＧＧＭ，ｅｔａｌ．Ａｎａｌｙｓｉｓｏｎｒｉｇｉｄ⁃ｆｌｅｘｉ⁃ｂｌｅｃｏｕｐｌｉｎｇｍｏｄｅｌｂａｓｅｄｏｎＡＤＡＭＳａｎｄＡＮＳＹＳ［Ｊ］．Ｊｏｕｒ⁃ｎａｌｏｆＨｕｎａｎＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ（ＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＥｄｉ⁃ｔｉｏｎ），２０１１，２１（３）：２２－２４．［９］侯越，熊晓燕，王绚，等．基于ＡＤＡＭＳ和ＡＮＳＹＳ的联合动力学仿真及应用［Ｊ］．矿山机械，２０１４，４２（１）：１１１－１１５．ＨＯＵＹ，ＸＩＯＮＧＸＹ，ＷＡＮＧＸ，ｅｔａｌ．Ｄｙｎａｍｉｃｃｏ⁃ｓｉｍｕｌａ⁃ｔｉｏｎｂａｓｅｄｏｎＡＮＳＹＳａｎｄＡＤＡＭＳａｎｄｉｔｓａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ［Ｊ］．Ｍｉｎｉｎｇ＆ＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＥｑｕｉｐｍｅｎｔ，２０１４，４２（１）：１１１－１１５．［１０］张雷，余克龙，陈少钟，等．基于ＡＮＳＹＳ和ＡＤＡＭＳ空间四连杆引纬机构的柔性动力学仿真［Ｊ］．纺织学报，２０１３，３４（５）：１１６－１２０．ＺＨＡＮＧＬ，ＹＵＫＬ，ＣＨＥＮＳＺ，ｅｔａｌ．Ｆｌｅｘｉｂｌｅｄｙｎａｍｉｃｓｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｆｏｒｓｐａｔｉａｌｆｏｕｒｂａｒｌｉｎｋａｇｅｗｅｆｔｉｎｓｅｒｔｉｏｎｍｅｃｈ⁃ａｎｉｓｍｂａｓｅｄｏｎＡＮＳＹＳａｎｄＡＤＡＭＳ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＴｅｘ⁃ｔｉｌｅＲｅｓｅａｒｃｈ，２０１３，３４（５）：１１６－１２０．［１１］梅菊，黄松和，李超军．基于ＡＤＡＭＳ与Ａｎｓｙｓ的凸轮连杆长摆臂系统的刚柔耦合分析［Ｊ］．包装工程，２０１６，３７（７）：１０３－１０６．ＭＥＩＪ，ＨＵＡＮＧＳＨ，ＬＩＣＪ．Ａｎａｌｙｓｉｓｏｆｒｉｇｉｄ⁃ｆｌｅｘｉｂｌｅｃｏｕ⁃ｐｌｉｎｇＣＡＭｓｙｓｔｅｍｗｉｔｈｌｏｎｇｓｗｉｎｇｒｏｄｂａｓｅｄｏｎａｎｓｙｓａｎｄＡＤＡＭＳ［Ｊ］．ＰａｃｋａｇｉｎｇＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０１６，３７（７）：１０３－１０６．（责任编辑：卢文辉）㊃７０１㊃第１７期顾涛等：考虑切削力的整体叶轮加工工艺规划及实践㊀㊀㊀。
基于ADAMS与NASTRAN的刚柔耦合体动力学分析方法
目 前 ， 成 熟 的 商 业 化 ＣＡＥ 软 件 有 许 多 ， 其 中 最 著 名 的 是 ＭＳＣ 公 司 推 出 的 ＡＤＡＭＳ、Ｐａｔｒａｎ／Ｎａｓｔｒａｎ。 其 中 ＡＤＡＭＳ 是 多 体
（ ６） 通 常 计 算 弹 性 体 的 固 有 频 率 需 要 添 加 约 束 条 件 消 除 刚 体位移。但在生成柔性体时， 不需要定义约束条件。由 Ｎａｓｔｒａｎ 计 算生成的模态中性文件 （ ＭＮＦ 文件） ， 包含了柔 性 体 的 几 何 信 息、节点质量、模态、模态质量、模态刚度等信息。将 ＭＮＦ 文件导 入 ＡＤＡＭＳ 就可生成相应的柔性体模型。
力学方程：
（ ５）
Ｌ＝Ｔ－ Ｗ， Ｔ 和 Ｗ 分 别 为 动 能 和 势 能 ， & 为 能 量 损 耗 函 数 ， % 为选定的广义坐标， Ｑ 为投影到 % 上的广义力， ’ 为约束方程， ( 为对应于 ’ 的拉氏乘子。得到最终的动力学微分方程：
ADAMS柔性体-刚柔耦合模块详解
ADAMS柔性体—刚柔耦合模块一、ADAMS柔性体理论1、ADAMS研究体系：a)刚体多体系统（低速运动）b）柔性多体系统（考虑弹性变形，大轻薄，高速）c）刚柔耦合多体系统（根据各个构件情况考虑，常用普遍仿真类型）大部分仿真分析都采用的是刚性构件，在受到力的作用不会产生变形,现实中把大部分构件当做刚性体处理是可以满足要求的，因为各个零件之间的弹性变形对于机构各部分的动态特性影响微乎其微。
但是需要考虑构件变形，变形会影响精度结果，需要对构件其应力大小和分布以及载荷输出研究的时候，以及薄壁构件，高精密仪器部件等，则需要当做柔性体对待，这样计算结果会准确一些。
对于柔性体机构，变形对动态影响起着决定性作用，刚柔耦合系统约束的添加必须考虑各个零部件之间的连接和受力关系，更可能还原实际工况，从而使模型更真实还原。
2、柔性体柔性体是由模态构成的，要得到柔性体就需要计算构件的模态。
柔性体最重要的假设就是仅考虑了相对于连体坐标系得晓得线性变形，而连体坐标系同时也在做大的非线性运动。
对于柔性体变形，模态中性文件必然存在某一些模态不响应，没有参与变形或者变性太大,参与系数非常小，比如前六阶或者不正常的阶数，如果去掉贡献较小的模态阶数，便可以提高仿真的效率。
…………3、模态谈到柔性体，就必然脱不了模态的概念，构件的模态是构件自身的一个物理属性，一个构件一旦制造出来,他的模态就是自身的一种属性，再将几何模型离散成有限元模型以后,有限元模型的各个节点有一定的自由度,这样所有的节点自由度的和就构成了有限元模型的自由度，一个有限元模型有多少自由度，它就有多少阶模态。
由于构件各个节点的实际位移是模态的按一定比例的线性叠加，这个比例就是一个系数，通常成为模态参与因子，参与因子越大,对应的模态对于构件变形的贡献量越多，因此对构件的振动分析，可以从构件的模态参与因子大小来分析,如果构建在振动时,某阶模态的参与因子大，可以通过改进设计，抑制改接模态对振动贡献量，可以明显降低构件的振动。
ADAMS刚柔耦合多体系统动力学建模
ｊｂｆ ｎｌｓ ｆ ｈｂ ｄ ｙｔ ｏｅｐｏｅｔｅｇｎ ｒ ｔｏ ｆ ｇｄ ｆ ｘｂｅｃ ｕ ｌ ｇｍ ｄ ｌ ｇ Ａ ｍｕｔ ｏ ｒａ ａ ｉ ｏ ｉｏ ｙｓｓ ｍ ｔ ｘ ｌｒ ｈ ｅｅｉ ｍｅ ｄｏ ｉ— ｅｉｌ ｏ ｐｉ ｏ ｅｉ ． ｌ－ ｏ ｙ ｓ ｍｕ ｅ ｃ ｈ ｉ ｒ ｌ ｎ ｎ ｉ
为一 四杆机构分别建立 了一个多柔体模 型和刚柔耦合模型 ， 以前者 动特性 为参考 ， 刚柔耦合模 型对 系统动态特性 的影 响 ， 研究
探索多体系统刚柔耦合建模规律。结果表明， 从低阶模态来看， 各构件经恰当处理后刚柔耦合模型能够较好地反映系统的动态
特性 。
关键 词： 刚柔耦合 ；Ｎ Ｙ — Ｄ Ｍ ； Ａ Ｓ Ｓ Ａ Ａ Ｓ多体系统
中 图分 类 号 ：Ｐ ９ ． Ｔ３ １ ９ 文献标识码 ： Ａ
Ｄｙ ａ ｃ ｌＭｏ ｅｉ ｇ ｏ ｏ ｐ ｅ ｇｄ— ｅ ｉ ｌ ｈ ｂ ｄ ｙ ｔｍｓ Ｕｓｎ ｎ ｍｉａ ｄ ｌ ｆＣ ｕ ｌｄ Ｒｉｉ — ｘｂ ｅ Ｍｕ ｉ ｏ ｙ Ｓ ｓｅ ｉ ｇ ＡＤＡＭＳ ｎ ｌ ｆ
Ａｂ ｔａ ｔ ｓｒ ｃ ：Ｍｏ ｅｓｏ ｇｄ－ ｅ ｉｌ ｏ ｐｉｇ ａｅ ｇ ｎ ｒｃ ｄ ｎ ｍｉａ ｎ ｓ ｏ ｌ ｂ ｄ ｙ ｔｍ．Ｉ ｉ ａ ｍｐ ｒａ ｔ ｄ ｌ ｆｒ ｉ ｆ ｘｂ ｅ ｃ ｕ ｌ ｒ ｅ ｅｉ ｙ ａ ｃ ｌｏ ｅ ｆｍｕｔ ｏ ｙ ｓ ｓｅ ｉ ｌ ｎ ｉ ｔ ｓ ｎ ｉ ｏｔｎ
目 ， 前 多刚体系统 的建模理论 已经相当成熟 ， 在多柔体系统建模方面 ， 尽管 国内外许多学者做了大量的 研究 ， 但仍有一些 问题未能得到有效解决 。 多体系统既存在构件大范 围的刚体运动 ， 又存在弹性变形 ， 因而多 柔体系统动力学与多刚体 系统动力学分析及结构有限元分析均有密切关系。实 际工程问题严格来说大多属 于柔性多体动力学 问题 ， 问题易于求解 ， 为使 往往将其简化为多刚体动力学问题或结构动力学 问题来处理。 随着柔性多体动力学的发展 ， 基于相关理论的许多大型通用分析软件（ Ａ Ａ Ｓ Ｄ Ｄ 等） 如 Ｄ Ｍ ， Ａ Ｓ 的出现为复杂机 械系统动力学分析提供了可靠的手段［ 利用 Ａ Ｓ Ｓ和 Ａ Ａ Ｓ １ 】 。 ＮＹ Ｄ Ｍ 软件 ， 为同一平 面四杆机构分别建立一个多 柔体系统模型和一个刚柔耦合多体系统模型 ， 探讨多体系统刚柔耦合建模 的一般方法 ， 研究刚柔耦合模型对
刚柔耦合仿真分析流程及要点
FileTypeI Parasolid (* xmt txt • x FileToRead FileType| G \Ada ms\P [ASC H part 宀 create 然本文主要介绍使用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，至U 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 lx_t 格式文件。
（4）在ADAMS 中依次导入各个lx_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：Q File ImportFile 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‘ 一次单击后在弹出的新窗口中设置相应的Part Name,然后单击OK 宀0K 。
MSC-ADAMS与MSC-Nastran在汽车产品开发中的应用
MSC ADAMS与MSC Nastran在汽车产品开发中的应用作者：北汽福田汽车公司许先锋MSC.ADAMS以其强大的车辆动力学模拟技术广泛应用于悬架系、转向系、动力传动系和整车的运动学、动力学分析，MSC.Nastran以其成熟的有限元计算技术在汽车结构分析中占有重要的地位。
结合ADAMS与MSC.Nastran各自的技术优势，联合应用ADAMS与MSC.Nastran进行车辆动力学分析和汽车结构分析是一种新的技术趋势，能为车辆产品开发提供更高精度的计算结果、更深入的分析结论，在产品开发中的作用愈加明显。
1．悬架系与转向系的模拟在进行车辆动力学的分析中，建立高精度的悬架系与转向系尤为重要，特别是悬架系的刚度、阻尼和运动性能关系到整车的振动特性和操纵稳定性，是建模的重点。
在各类悬架的模拟中，板簧的建模较为困难。
一般少片簧具有较强的非线性特性，多片簧由于片数多存在模型自由度过大的缺陷，CHASSIS/LEAFSPRING工具包构建的板簧模型精度较差，且与ADAMS/CAR的接口不方便。
针对这些问题，我们开发出一套较为完善的板簧建模方法，其模型精度高、自由度少，在各类卡车动力学分析中广泛应用。
2．整车动力学分析整车动力学分析的基础是建立正确的悬架系、转向系、动力传动系、轮胎模型、路面模型及驾驶员操作指令。
对动力传动系而言，若仅考虑其动力输出，可建立较为简单的模型；若详细考虑发动机（不同油门开度下的扭矩、转速特性）、离合器、变速箱的工作过程，需要建立复杂的模型。
对轮胎而言，若要进行操纵稳定性分析，需要进行不同载荷、不同胎压下的纵向力与滑移率、侧向力与侧偏角（包括不同外倾角的影响）、回正力扭与侧偏角、径向刚度与载荷的关系测试，利用TNO的MF_TOOL工具包，拟合轮胎的特性；若要进行整车振动分析，则要进行相应的轮胎振动测试，利用SWIFT_TOOL工具包，或F_TYRE工具包，拟合轮胎的特性。
对路面而言，模拟任意不平度的路面较为困难，利用专业信号处理软件与自我开发软件相结合，我们开发出一套较为完善的路面生成方法，可以很好地解决这个问题。
基于ANSYS与ADAMS的并联机构刚柔耦合体动力学分析
（ ｖ ｉ ｉｎＵｎｖ ｒｉ ｆ ｉａ ＣｉｉＡｖａ ｏ ｉｅｓｙｏ ｎ ，Ｔｉ ｊｎ ０ ３ ０ ｈｎ ） ｌ ｔ ｔ Ｃｈ ａ ｉ ３ ０ ０ ，Ｃ ｉａ ｎ
Ａｂ ｔ ａ ｔ ｓｒ ｃ ：Ａ ｅｈ ｆｄ ｎａ ｉｓａ ｌｓ ｆｒｇｄ ｌｅ ｉ ｌ ｏｕ ｈ ｙ ｔｍ ｓｄ ｏｎ ＡＮ Ｓ Ｓ ａ ｄ ＡＤＡＭ Ｓ ｉ ｉ ｔｏ ｃ ｄ．Ｉ ｎ ｌｄ ｓｔ ｈｅ ｍ ｔ ｏｄ ｏ ｙ ｍ ｃ ｎａｙｉ ｏ ｉ —ｆ ｘ ｂｅ ｃ ｐ ｎｇ ｓｓｅ ｂａｅ ｓ ｉ Ｙ ｎ ｓ ｎｒ ｄｕ ｅ ｔｉｃｕ ｅ ｈｅｔ — ｏｙｏ ｒ ｆｍｕｌ —ｂ ｙ ａ ｎ￣ ｉｓｔ ｅ ｗａ ｏ ｅ ｎ ａｆｅ ｉ ｅ ｍ ｏ ａ ｎｄ ｔ ｔｐ ｏ ｍａ ｈｅ ａ ａｙｉ． ｎ ｌ ｂ ｓａ ｌ ｈｎｇ ｔ ｅ ｒｇｄ—ｆ ｘｂｅ ｔ ｉ ｏｄ ｙ ｃ， ｙ ｔ ｄ ｆ ｅ ｘｂｌ ｈ ｉ ｌ ｄ ｌａ ｈｅ ｓｅ ｓｔ ｋｅ ｔ ｎ ｓｓ ｌ Ｆｉａｌ ｙ ｅｔｂｉ ｉ ｈ ｉｉ ｌ ｉ ｌ ｙ， ｓ ｅ ｃ ｕｐｉ ｙｔｍ ｆａｔｒ ｅ ｏ ｌ ｎｇｓ ｓｅ ｏ ｈ ｅ —Ｄ Ｏ Ｆ ｐ ｒｌ ｌｍ ｅ ｈ ｎｉ ｄ ｄ ｂ ｔ ｉ ａａｌ ｃ ａ ｓ ａ ｄｅ ｙ ｉ ｓｍｕｌｔｏ ｎｄ ａ ａｙｓ ， ｔ ｓｍ ｅ ｏ ｓｐ ｏ ｄ ｅ ｅ ｔ ｅ ｅ ｍ ｓ ａｉ ｎ ａ ｎ ｌ ｉ ｓ ｈｉ ｔ ｄ ｉ ｒ ｖｅ ｆ ｃ ｖ ． ｈ ｉ Ｋｅ ｒ ：ｒｇｄ—ｆｅ ｉ ｅｃ ｕ ｌｎ ｙ ｔｍ ； ｄ ｎ ｍ ｉｓｓｍｕｌｔｏ ｙ ｗｏ ｄｓ ｉｉ ｌ ｘｂｌ ｏ ｐ ｇ ｓｓｅ ｉ ｙ ａ ｃ ｉ ａｉｎ； ｐ ｒｌ ｌｍ ｅ ｈ ｎｉｍ ； ＡＮ Ｓ ａａｌ ｃ ａ ｓ ｅ ＹＳ； ＡＤＡＭ Ｓ
基于ADAMS和ANSYS的刚柔耦合模型分析
（ 湖南工业大学 机械工程学院 ， 株洲 ４ ２ ０ ） １０ ８
摘 要 ：结合机械 动 力 学分析软 件 ＡＤ ＡＭＳ和有 限元 分析 软 件 ＡＮＳ ＹＳ进 行 联合仿 真． 用 动 力学仿 利
真得 到的载 荷谱读 入 到 ＡＮＳ ＹＳ中， 到更 为准确 的 结果 ； 得 另一 方 面 ， 考虑 到 实际机械 系统 中柔性 体 的 影响 ， 构建 了一 个刚 柔耦合模 型 ， 而可 以更加 真 实地模 拟机 构的动 态性 能 ， 高了计算精度 ， 果表 明 从 提 结 柔性体 对机 构运动 精度 的影 响不 容忽视 ． 关 键词 ：机械 动 力 学 ； 限元 ； 有 裁荷 谱 中图分 类号 ：ＴＨ１ ３ ２ １ ． 文献标 识码 ：Ａ 文章 编号 ：１ ７ —１ ９ （ Ｏ １０ 一ｏ ２ —０ ６１ １ Ｘ ２ １）３ ｏ２ ３
上得 到 的应 力和 应 变 结果 更 加 准 确 ， 提高 了计算 精
度． 另一方 面 ， 用 ＡＮＳ Ｓ进行 有 限元分 析 时 ， 利 Ｙ 可
解． ＡＮＳ ＹＳ软 件是 一款 集 结 构 、 、 热 流体 、 电磁 及 多
物理 场 耦合 为 一 体 的大 型 通用 有 限元 分 析 软件［ ． ３ ］ 其基 本分析 过 程 分 ３步 ： 处 理 （ ｒｐ ｏｅ ｓｒ ； 前 Ｐ ｅ ｒｃｓｏ ） 施
谱 等信息 ． 后 在 ＡＮＳ 然 ＹＳ中利 用得 到 的载 荷谱 信
息 作 为 边 界 条 件 ， 可 以 完 成 应 力 、 变 的 分 就 应 析［［ ． 。６ 这样 一来 ， 基 于精确 动力 学仿 真结果 基础 ］］ 在
本概 念是用 较简 单 的 问题 代 替 复 杂 问题 ， 后 再 求 然
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ＬＩＵ Ｘｉａｏ－ ｄｏｎｇ， ＺＨＡＮＧ Ｘｉａｏ－ ｍｉｎｇ（ Ｄｅｐｔ．ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｔｏｎｇｊｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０００９２， Ｃｈｉｎａ）
定的兼容性。当构件的弹性变形可以不计时， 退化为刚体系统， 而
当构件的大范围运动不存在时， 退化为弹性力学问题。
１ 柔性体运动学方程
图 １ 所示为混合坐标系描述柔性体上任一点 ｐ 的位移。混 合坐标系包括惯性坐标系 ｅｒ 和动坐标系 ｅｂ。ｐ 在 惯 性 坐 标 系 ｅｒ
内的位移为：
ｒ＝ｒ０＋Ａ（ ＳＰ＋ＵＰ）
（ １）
ｒ０ 为 ｅｂ 在 ｅｒ 中 的 位 置 ， ＳＰ 为 ｐ 在 ｅｂ 中 的 位 置 ， Ｕｐ 为 ｐ 在 ｅｂ
中的形变， Ａ 为 ｅｂ、ｅｒ 间的方向余弦矩阵。
＊ 来稿日期： ２００７－ ０５－ １４
若用模态坐标来描述变形位移
即 ｕｐ， ｕｐ＝!ｐｑｆ， !ｐ 为 模 态 矩 阵 ， ｑｆ 为 变 形的广义坐标， 代入有：
ｒ＝ｒ０＋Ａ（ ｓＰ＋!Ｐｑｆ）
（ ２）
上式对时间求一次导数得到 ｐ 点
速度矢量、求两次导数得到 ｐ 点加速
度矢量。
ｒ ＝ｒ! ０＋ＡＭ!（ ｓＰ＋!Ｐｑｆ） ＋Ａ!Ｐｑｆ
（ ３）
ｒ" ＝ｒ" ０＋Ａ"（ ｓＰ＋!Ｐｑｆ） ＋２Ａ! !Ｐｑ! ｆ＋Ａ!Ｐｑ" ｆ
（ ４）
２ 柔性体系统动力学方程
由运动学方程可知， 完全描述柔性体上一点位移所需要的 广 义 坐 标 包 括 ： 动 坐 标 系 的 平 动 自 由 度 ｘ ｙ ｚ， 动 坐 标 系 转 动 自 由 度 " # $， 以 及 描 述 变 形 的 广 义 坐 标 ｑ（ｉ ｉ＝１￣ｍ， ｍ 为 模 态 数） 。 因此广义坐标为 %＝（ ｘ ｙ ｚ " # $ ｑｉ） ， 共 ｍ＋６ 个， ｍ 为模态数 。 选 定广义坐标后， 根据第二类拉格朗日方程列写柔性体系统的动
及动力学参数就可完成刚体动力学和刚柔耦合体动力学的仿真
分析。从 Ｐａｔｒａｎ／Ｎａｓｔｒａｎ ２００４ 版起 ＭＳＣ 公司推出了柔性体定义
划分网格
功能， 并支持将其导入 ＡＤＡＭＳ 中 进 行 刚 柔 耦 合 体
建立多点约
动力学分析。
建立无质量点单元
Ｐａｔｒａｎ／Ｎａｓｔｒａｎ 中 生 成 柔 性体模态中性文件流程如图
貌。它不同于刚体动力学或弹性力学所描述的规律， 也不是两者
的简单叠加。因此单纯地运用刚体动力学或弹性力学都无法准
确描述构件的力学行为， 而必须采用柔体系统动力学才能描述
其力学特性。
柔性系统动力学在 ２０ 世纪 ７０ 年代逐渐引起人们的注意， 在
一些系统（ 如高速车辆、机器人、航天器、高速机构、精密机械等）
４ 基于 ＡＤＡＭＳ 与 ＮＡＳＴＲＡＮ 的刚柔耦 合动力学仿真流程
动力学分析软件， Ｐａｔｒａｎ／Ｎａｓｔｒａｎ 是有限元分析软件。利用多体动 力 学 分 析 软 件 ＡＤＡＭＳ 只 需 定 义 模 型 的 拓 扑 结 构 、约 束 、载 荷 ，
整个分析流程如图 ３ 所示。先用 ＣＡＤ 软件建立实体模型并 转换成 Ｐａｒａｓｏｌｉｄ 文件格式导入 Ｐａｔｒａｎ／Ｎａｓｔｒａｎ 与 ＡＤＡＭＳ， 导 入
ＣＡＤ 软件建立实体模型
８ 节点六面体单元和 ６ 节点 ５ 面体单元， 这些高阶单元具有二 次形函数， 可以获得较好的计算精度和速度。
ＡＤＡＭＳ 进性刚体动力学分析
（ ２） 定义铰点及其与相关节点间的多点约束关系（ ＭＰＣ） 。铰
Ｐａｔｒａｎ／Ｎａｓｔｒａｎ 进行静动力学分析
点是一种特殊的关键点， 在 Ｐａｔｒａｎ 中用 Ｎｏｄｅ 来建立。其主要作
（ ４） 定义材料属性。定义柔性体所需要的材料属性有密度、
图 ３ 刚柔耦合动力学分析流程
５ 算例
下 面 将 用 ＡＤＡＭＳ 与 ＮＡＳＴＲＡＮ 分 析 某 卫 星 天 线 展 开 机 构
工作状态考虑柔性效应时的动力学特性。此卫星天线展开机构
有 ４ 个主要部件组成， 包括立柱、
固定铰 Ｈ４
方位运动部件、俯仰运动部件以 俯仰运
Ｋｅｙ ｗｏｒ ｄｓ： Ｍｕｌｔｉ－ ｂｏｄｙ ｄｙｎａｍｉｃｓ； Ｄｙｎａｍｉｃｓ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ； ＡＤＡＭＳ； Ｎａｓｔｒ ａｎ
""""""""""""""""""$
%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%$
中图分类号： ＴＨ１１３ 文献标识码： Ａ
中柔性体的变形对系统的动力学行为产生很大影响。三十多年来
柔体系统动力学一直是研究热点， 这期间产生了许多新的概念和
方法， 并形成了一些成熟的理论。目前对柔性体的描述采用的是
莱肯斯首先提出的混合坐标方法， 即选定一浮动坐标系描述构件
的大范围运动， 构件的弹性变形将相对该坐标系定义。这样柔体
系统的动力学模型与刚体系统模型及弹性体动力学模型就有一
现代机械的两大发展趋势是高速和轻量化。这两者都给机
械结构带来了如下的挑战： 即一方面， 机械构件的弹性变形将显
著地影响其运动 学 、动 力 学 特 性 ； 另 一 方 面 ， 机 械 构 件 的 大 范 围
高速运动加剧了构件的弹性变形。这两种因素相互影响， 相互作
用 ， 使 机 械 构 件 的 运 动 学 、动 力 学 、刚 度 、强 度 呈 现 出 全 新 的 面
－ １６９ －
Ｍ、Ｍ! 为柔性体的质量矩阵及其对时间的导数， Ｋ 为刚度矩 阵， Ｄ 为阻尼矩阵， 其余符号含义同上。解此微分方程， 可求得外 力作用下柔性体系统的所有广义坐标。带入运动学方程（ ３） 、（ ４） 可 得 到 所 有 的 广 义 速 度 、广 义 加 速 度 。
３ 用 Ｐａｔｒａｎ／Ｎａｓｔｒａｎ 定义柔性体
""""""""""""""""""$
－ １６８ －
机械设计与制造 Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ Ｄｅｓｉｇｎ ＆ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ
第２期 ２００８ 年 ２ 月 Nhomakorabea文章编号： １００１－ ３９９７（ ２００８） ０２－ ０１６８－ ０３
基于ＡＤＡＭＳ与ＮＡＳＴＲＡＮ的刚柔耦合体动力学分析方法
刘晓东 章晓明（ 同济大学 机械工程学院， 上海 ２０００９２）
关键词： 多柔体动力学； 动力学仿真； ＡＤＡＭＳ ； Ｎａ ｓ ｔｒａ ｎ 【 Ａｂｓｔｒ ａｃｔ】 Ａ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｆｌｅｘｉｂｌｅ ｍｕｌｔｉ － ｂｏｄｙ ｓｙｓｔｅｍ ｄｙｎａｍｉｃｓ ａｎａｌｙｓｉｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＡＤＡＭＳ ａｎｄ ＮＡＳＴＲＡＮ ｉｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ． Ｉｔ ｉｎｃｌｕｄｅｓ ｔｈｅ ｔｈｅｏｒｙ ｏｆ ｍｕｌｔｉ－ ｂｏｄｙ ｄｙｎａｍｉｃｓ， ｔｈｅ ｗａｙ ｔｏ ｄｅｆｉｎｅ ａ ｆｌｅｘｉｂｌｅ ｍｏｄａｌ ｉｎ Ｐａｔｒａｎ／Ｎａｓｔｒａｎ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｔｅｐｓ ｔｏ ｍａｋｅ ａｎ ａｎａｌｙｓｉｓ ｕｓｉｎｇ ＡＤＡＭＳ ａｎｄ Ｎａｓｔｒａｎ． Ｆｉｎａｌｌｙ， ａｎ ｅｘａｍｐｌｅ ｉｓ ａｐｐｌｉｅｄ ｔｏ ｓｈｏｗ ｔｈｅ ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｉｓ ｍｅｔｈｏｄ．
获取边界载荷数据
用是与无质量点单元一起将柔性体与其它刚体或柔性体通过各 定义柔性体， 生成 ＭＮＦ 文件
用柔性体替换刚体进行刚柔耦合分析
种铰连接起来， 实现运动与力的传递。相关节点是指在结构上与 铰点接近点。对圆柱铰和旋转铰一般选择铰孔内壁上的节点作
对比两种模型分析结果
为相关节点。多点约束（ ＭＰＣ） 定义了铰点与相关节点间的力与
输出分析结果
位移的关系即：
ｎ
! Ｕｉ＝ ｋｊＵｊｉ ｉ＝ｘ ｙ ｚ ｊ＝１
Ｆｉｊ＝ｌｊＦｉ ｉ＝ｘ ｙ ｚ ｊ＝１：ｎ
（ ７）
（ ３） 定义无质量单元。这是为了适应 ＡＤＡＭＳ 的解算要 求 。
Ｐａｔｒａｎ 中 定 义 的 ｎｏｄｅ 节 点 经 ＭＮＦ 文 件 转 换 后 导 入 ＡＤＡＭＳ 不
能用于定义铰、力元等力学模型， 因此需要引入无质量单元。
共同调整天线的姿态， 搜索跟踪 微 波 信 号 。 由 于 铰 链 Ｈ１ 在 工 作 时固定不动， 故在分析时将其简 化为固定铰。
旋转铰 Ｈ１ 卫星体
过一个铰连接， 为树型系统。部件 之间的拓扑构型如图 ４ 所示。
卫 星 进 入 工 作 状 态 时 ， 铰 Ｈ１ 将天线展开然后保持一定的展开 角度固定不动。方位运动部件和 俯仰运动部件在两台电机驱动下
旋转铰 Ｈ３ 方位运 动部件
立柱
旋转铰 Ｈ２
以提高计算精度， 但过高的模态会增加计算量， 如选取的固有频 率 包 含 １００００Ｈｚ 则 在 ＡＤＡＭＳ 中 计 算 时 间 步 长 至 少 需 设 为 ０．０００１ｓ 或更小。综合考虑精度和计算时间， 通常选取载荷频率 的 ５ 至 １０ 倍。
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