基于ANSYS与ADAMS的柔性体联合仿真

第20卷第17期 2008年9月 系统仿真学报◎ JournalofSystemSimulation 、，01．20NO．17 Sep．，2008 基于ANSYS与ADAMS的柔性体联合仿真 张永德，汪洋涛，王沫楠，姜金刚 (哈尔滨理工大学机械动力工程学院，黑龙江哈尔滨150080) 摘要：针对多操作机排牙机器人系统中的牙弓曲线发生器难以用刚体形式进行运动仿真并进行 应力应变分析的问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 ，基于柔性体仿真的基本原理，采用ANSYS和ADAMSOn(-对其进行了联合仿 真。运行结果 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明柔性体运动仿真问题已得到解决，并通过ANSYS软件分析了牙弓曲线发生器在 静态和动态下的应力应变分布，为进一步进行机器人系统结构与误差的分析奠定了基础。 关键词：联合仿真；排牙机器人；ANSYS；ADAMS 中图分类号：TP391．9 文献标识码：A 文章编号：1004．731X(2008)17-4501．04 Co—simulationofFlexibleBodyBasedonANSYSandADAMS ZHANGYong-de,WANGYang-tao，WANGMo—nan，JIANGdin-gang (SchoolofMechanical＆PowerEn百neeringCollege，HarbinUniv．Sei．Tech．，Harbin150080，China) Abstract：Inordertosolvetheproblemofthekinematicsimulationandanalysisofstressandstrainofdentalarchcurve generatorwi也也eformoffi#dbodvwhichisinthesy’stemofmulti-manipulatorteetharrangementrobotsvstern,the co-simulationwasdonetothegeneratorbyusingthesoftware《ANsYSandADAMSbasetheprincipleofflexiblebody simulation．Themsultsofoperationindicatethattheproblemo／．：flexible6D咖kinematicsimulationhasbeensolved,andthe distributionofstressandstrainofdentalarchcurvegeneratorunderthestaticanddynamicsituationwasanalyzedthrough thesoftwareofANSYS．Theresultsprovidedthefoundationtoanalyzethestructureanderrorofrobotsystemuheriorly． Keywords：CO．simulation；teetharrangementrobot；ANSYS：ADAMS 引言 1柔性体仿真的数学模型和运动微分方程 近年来，柔性体仿真已成为仿真领域的一个研究重点和 热点Il捌，它在机械、航空、船舶等领域都有着广泛的应用 前景。在机械系统中，柔性体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。因此采用ANSYS和ADAMS软件的联合仿真应蕴 而生，它不但可以精确的模拟整个系统的运动，而且可以 基于运动仿真的结果对运动系统中的柔性体进行应力应变 的分析。 本文中的牙弓曲线发生器是多操作机排牙机器人系统 中的关键部件，牙弓曲线的获得正是通过它的变形得到的， 而它与真正牙弓曲线的吻合程度是系统中误差产生的重要 原酬瓦41，所以它的运动仿真以及所受应力应变的分析就显 得至关重要。本文通过ANsYs和ADAMS的联合仿真，建立 牙弓曲线发生器的柔体模型，对其进行运动仿真并进行了应 力应变分析。仿真结果验证了该方法的有效性。 收稿日期：2007—04—25 修回日期：2007一ll-08 基金项目一国家自然科学基金项目(50675054)，黑龙江省科技攻关 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 (GC03A514)． 作者简介：张永德(1965．)．男，辽宁人，博导，研究方向为机器人机构、 仿真及摔制：汪洋涛(1984．)，男，浙江人，研究生，研究方向为机器人仿 真：王沫楠(1973．)，女，黑龙江人，教授，研究方向为虚拟现实；姜金刚 (1982．)．男，河南人，研究生，研究方向为机器人控制。 为了计算构件弹性变形对其大范围运动的影响。人们提 出用混合坐标来描述柔性体位形。首先。对柔性构件建立一 浮动坐标系。将构件的位形认为是浮动坐标系的大范围运动 与相对于该坐标系的变形的叠加。提出了用大范围浮动系的 刚体坐标与柔性体的节点坐标(或模态坐标)建立动力学模 型。在具体的建模过程中先将构件的浮动坐标系固化，弹性 变形按某种理想边界条件下的结构动力学有限元进行离散， 然后仿照多刚体系统动力学的方法建立离散系统数学模型51。 1．1柔性体的表示 ADAMS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16】。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。如果 物体世标系的位置用它在惯性坐标系中的笛卡尔坐标x=(x， y，z)和反映刚体方位的欧拉角旷(、I，，0，m)来表示，模态坐 标用q={ql仇，．．．，q。}7(肘为模态坐标数)来表示，则柔性体的 广义坐标可选为： ￡=仁，∥，们7=伽，y，z，％0，妒，吼J--埘}7 那么柔性体上任一结点(如第i点)的位置向量可表示为： rj=z+A(s，+仍g) (1) 其中A表示物体坐标系到惯性参考系的转换矩阵； 毋足结点i在物体坐标系中未变形时的位置： 识表示对应于结点f的移动自由度的模态矩阵子块。 ·4501· 万方数据 第20卷第17期 2008年9月 系统仿真学报 、，01．20NO．17 Sep．，2008 1．2柔性体的运动微分方程 柔性体的动能可表示为： r={／pv7、dy≈妻∑：(mM7vJ+∞7^∞) (2) 其中：巩是结点哟模态质量；^是结点f的模态惯量。 运用拉格朗日乘子法建立柔性体的运动微分方程： 麻妊；斟扛膨“+叫斟棚 (3) 其中：K，D分别为模态刚度矩阵和模态阻尼矩阵： K芒和D舌分别代表物体内部由于弹性变形和阻尼引起 的广义力： ‘是广义重力： A对应于约束的拉格朗日乘子； Q对应于外力的广义力。 2柔性体联合仿真的具体实现 ADAMS与ANSYS以及其他的三维建模软件之间都具 有接口，它们之间的联合仿真主要包括以下四个基本步骤t 2．1ANSYS柔性体有限元模型的建立 ADAMS／Flex模块允许在ADAMS模型中根据模态频率 数据创建柔性体部件⋯31，而ANSYS程序则提供了一种方 便的创建柔性体部件的方法。由于本文中的多操作机排牙机 器人整体的三维实体模型(如图l所示)已经在UG中建立， 所以只需将其中的柔性体即牙弓曲线发生器从UG中导入 ANSYS以建立有限元模型。 图1 多操作机排牙机器人的三维实体模型 弓曲线发生器是一块u形弹簧薄板，如机构简图2所 示，牙弓曲线发生器通过变形来带动通过零件4卡在其上的 操作机运动并使牙齿到达一定的位置，而操作机中的构件l， 2，3可以通过电机驱动来调节牙齿的姿态，由此可见，牙 弓曲线发生器的变形对牙齿位姿的确定是非常重要的。 它的材料是60Si2Mn弹簧钢，属于中碳合金钢。其材 料属性定义如下： 弹性模量：E=2．06ellpa，泊松比：p=0．3，密度：DENS =7．9e3kg／m3。 单元类型选择空间体划分常用的线弹性10节点四面体 结构单元Solid92。采用智能网格划分的方法对其进行网格 划分。 图2机构简图 根据牙弓曲线发生器在静态下的实际承载情况加入约 束。在静态下其受14个操作机的重力，并在5个位置(10 个孔处)施加固定约束。它的有限元计算模型如图3所示。 图3牙弓曲线发生器的有限元模型 通过静态下的有限元模型就可以进行静态下牙弓曲线 发生器的应力应变分析，图4是静态下得到的等效应力云 图。 ‘ 图4静态下的等效应力云图 2．2柔性体模态中性文件的生成 在建立了柔性体部件的有限元模型之后，需要利用宏文 件生成ADAMS软件所需要的柔性体模态中性文件。模态 中性文件．mnfqb包含了柔性体的质量、质心、转动惯量、 频率、振型以及对载荷的参与因子等信息。模态中性文件 可以通过ANSYS中adams．mac宏命令获得。在运行该命令 之前，需要建立外部节点和刚性区域，这样在ADAMS中 刚性体与柔性体之间才能添加约束或力。根据实际工况， 给牙弓曲线发生器添加15个外部节点及其刚性区域，如图 5所示。完成节点和刚性区域的创建后，便可用宏命令创 建ADAMS所需要的模态中性文件。 ·4502· 万方数据 第20卷第17期 2008年9月 张永德，等：基于ANSYS与ADAMS的柔性体联合仿真 V01．20No．17 Sep．，2008 图5牙弓曲线发生嚣的外部节点和刚性区域 2．3运动仿真及载荷文件的输出 在ADAMS软件中建立好刚性体的模型，读入上一步模 态中性文件，指定好部件之间的连结方式，施加必要的约束 和驱动进行系统运动仿真。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 混凝土 养护记录下载土方回填监理旁站记录免费下载集备记录下载集备记录下载集备记录下载 了运动过程中柔性体 的运动状态和受到的载荷。由于本文中的多操作机排牙机器 人系统比较复杂，所以在不影响牙弓曲线发生器真实运动的 前提下，将不参加运动的构件去掉，从而使模型简化。模型 中包括牙弓曲线发生器和与其相连的14个排牙操作机和4个 移动机构。按照实际工况加入约束和驱动，简化后的仿真模 型如图6所示。 图6简化后的仿真模型 模型简化后，利用ADAMS2005中的RigidtoFlex功能， 导入牙弓曲线发生器的模态中性文件，用柔性体代替原来的 刚性体，接着根据实际工作情况给各运动副加驱动函数，四 个移动机构带动牙弓曲线发生器形成新的牙弓曲线，仿真结 束后通过EXPORT导出类型为FEALords的文件并选择柔性 体上的15个节点，生成它的载荷文件。 2．4仿真过程中的应力应变的分析 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。本文中载荷文件包 括15个节点在47个载荷步下的受力情况，图7和图8分别是是 第47个载荷步下牙弓曲线发生器的等效应力云图和应变云 图。由图7和图8所示，应力最大处为两侧的中间部分，最大 应力值为100176Pa，最大应变为0．499E一06。 联合仿真注意问题： (2)在刚性区域的建立过程中，在保证区域面积的前提 下，应尽量减少连接从节点的数量，以减小计算量并且避免 刚性区域的重叠交叉。 图7第47个载荷步下的等效应力云图 图8第47个载荷步下的应变云图 3仿真结果讨论 为了得知仿真过程中牙弓曲线发生器内部的应力和应 变的变化，通过ANSYS的时间历程后处理器绘制出应力和 应变随仿真载倚步变化的曲线。图9和图10分别显示了应力 最大节点和应变最大节点处应变随载荷步的变化曲线，其中 横坐标表示载衙步，纵坐标表示应力或应变值。 由图8可以看出，随着仿真的进行，应力和应变不断增 大，这与实际相符，因为不论牙弓曲线发生器是伸张还是压 缩，应力都会增大。由图9所示第47个载荷步的应力最大， 最大应力如图7所示为100176Pa。牙弓曲线发生器的材料 60Si2Mn的巩=130MPa，仃，=120MPa，所受最大应力远小 于巩和以，故此处安全。又由图10所示应变随着仿真步数 的加大也不断增大，由于仃=Far，所以应变曲线形状与应力 的基本相同。 (1)ANSYS和ADAMS在进行中性模态文件和载荷文件 的传输时，单位应保持一致。本文中所用单位是Kg，rflin， Newton，Second，Degree。 4503 √，／ f 0 10 20 30 40 50 载荷步STEP 图9应力最大节点处的应力变化曲线 !；∞∞弓LL∞姆R目 万方数据 第20卷第17期 2008年9月 系统仿真学报 V01．20No．17 Sep．，2008 蚕 善 遥 4结论 ／ ， 载荷步STEP 图10应变壤大节点处的应变变化曲线 本文采用ANSYS与ADAMS柔性体联合仿真的方法对 多操作机排牙机器人系统中的牙弓曲线发生器进行了运动 仿真。在ADAMs中建立了三维实体模型，在ANSYS中进 行了静态和动态下应力应变的分析。运用联合仿真的方法可 以方便的进行运动仿真和应力应变的分析，结合了两个软件 的优势并大大提高了分析效率。此外，本文的分析也为进一 步计算牙弓曲线发生器生成的牙弓曲线与理论的牙弓曲线 之间的误差奠定了良好的基础。 参考文献： [1】HeiseM(AerolabsAG)，MullerS，SachsGDynamicmodelingand visualizationofmulti-bodyflexiblesystems[c]／／Collectionof TechnicalPapers-AIAAModelingandSimulationTechnologies Conference．2004．USA：AIAA,2004：134·140． [21 HeckmannAndre船，ArnoldMartin，VaculinOndrej．Modalmultifield approachfor髓extendedflexiblebodydescriptioninmultibody dynamics【J1．MultibodySystemDynamics(S1384-5640)，2005，13(3)： 29乳322． 【3】 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