乾貨。ADAMS柔性體-剛柔耦合模塊

02-04

一、 ADAMS柔性體理論

1、 ADAMS研究體系：

a）剛體多體系統（低速運動）

b）柔性多體系統（考慮彈性變形，大輕薄，高速）

c）剛柔耦合多體系統（根據各個構件情況考慮，常用普遍模擬類型）

大部分模擬分析都採用的是剛性構件，在受到力的作用不會產生變形，現實中把大部分構件當做剛性體處理是可以滿足要求的，因為各個零件之間的彈性變形對於機構各部分的動態特性影響微乎其微。

但是需要考慮構件變形，變形會影響精度結果，需要對構件其應力大小和分布以及載荷輸出研究的時候，以及薄壁構件，高精密儀器部件等，則需要當做柔性體對待，這樣計算結果會準確一些。對於柔性體機構，變形對動態影響起著決定性作用，剛柔耦合系統約束的添加必須考慮各個零部件之間的連接和受力關係，更可能還原實際工況，從而使模型更真實還原。

2、 柔性體

柔性體是由模態構成的，要得到柔性體就需要計算構件的模態。柔性體最重要的假設就是僅考慮了相對於連體坐標系得曉得線性變形，而連體坐標系同時也在做大的非線性運動。

對於柔性體變形，模態中性文件必然存在某一些模態不響應，沒有參與變形或者變性太大，參與係數非常小，比如前六階或者不正常的階數，如果去掉貢獻較小的模態階數，便可以提高模擬的效率。

…………

3、模態

談到柔性體，就必然脫不了模態的概念，構件的模態是構件自身的一個物理屬性，一個構件一旦製造出來，他的模態就是自身的一種屬性，再將幾何模型離散成有限元模型以後，有限元模型的各個節點有一定的自由度，這樣所有的節點自由度的和就構成了有限元模型的自由度，一個有限元模型有多少自由度，它就有多少階模態。由於構件各個節點的實際位移是模態的按一定比例的線性疊加，這個比例就是一個係數，通常成為模態參與因子，參與因子越大，對應的模態對於構件變形的貢獻量越多，因此對構件的振動分析，可以從構件的模態參與因子大小來分析，如果構建在振動時，某階模態的參與因子大，可以通過改進設計，抑制改接模態對振動貢獻量，可以明顯降低構件的振動。

利用有限元技術，通過計算構件的自然頻率和對應的模態，按照模態理論，將構件產生的變形看作是由構件模態通過線性計算得到的。在計算構建模態時，按照有限元理論，首先要將構件離散成一定數量的單元，單元數量越多，計算精度越高，單元之間通過共用一個節點來轉遞力的作用，在一個單元上的兩個點之間可以產生相對位移，再通過單元的材料屬性，進一步計算出構建的內應力和應變。

…………柔性體模態與有限元模態區別不同？

…………約束模態？

…………正交模態？

ADAMS中建立柔性體的三種方法：離散柔性連接桿、ADAMS/ViewFlex模塊生成mnf文件、FEA有限元軟體輸出mnf文件

二、 離散柔性連接桿

1、定義：將一個構件離散成幾段或者許多段小剛性構件，每個小剛性構件之間通過柔性梁連接，變形也只是柔性梁的變形，並不是那些剛性體的變形，剛性體上任意兩點的之間並不會產生位移，本質上依舊是剛性構件柔性連接不算真的柔性體，該方法只限於簡單構件的使用。

2、使用方法（ADAMS軟體實例解說操作）

3、每段離散件都有自己的質心坐標系、名稱、顏色和質量信息等屬性，每段離散件都是獨立的，可以分別編輯。

4、優點：可以模仿物體的非線性變形，可以直接幫助使用者計算橫截面屬性，比直接使用柔性梁連接兩個構件起來方便。

5、實例講解（汽車懸架橫拉杆離散柔性連接件替換原來剛性件）

三、 View/ Flex生成柔性體

ADAMS中柔性體使用的模態文件MNF（model neutral file），可以在Flex中生成，也可以藉助有限元軟體生成，在ADAMS/View中有簡單和詳細方法，根據個人操作和實際需要可採用以下三種不同方法：簡單方法創建、拉伸法創建、構建幾何外形創建。

另外可以導入有限元模型的網格文件創建柔性體。

1、 簡單方法創建（實例講解）

只需要選擇構件、材料和計算模態階數就可，

2、拉伸橫截面方法創建柔性體（實例講解）

a）需要定義一個拉伸路徑，即拉伸中心線，最好從Z軸的負方向沿著正方向拉伸，在定義界面半徑、單元尺寸、材料屬性等，最後定義柔性體和其他構件的連接點即外節點，橫截面沿著拉伸路徑掃略就可以創建一個柔性體，同時生成模態中性文件。

3、剛體構件幾何外形創建柔性體（實例講解）

利用構件自身的幾何外形生成柔性體是將幾何體的外形所佔用的空間進行有限元離散化，構件可以是在ADAMS/View中建立的模型，也可以是其他三維軟體建立的導入的模型。首先要定義柔性件的附著點、需要在附著點附近的網格節點上選取適當數量節點作為力的作用點，作用點的數量和位置根據模型精度需要來選取。最後選取的節點轉換成ADAMS的標記ID後即可生成模態中性文件，該方法與拉伸法相比，拉伸法創建的柔性體是六面體單元，而幾何外形法生成的柔性體是四面體單元，一般來說六面體網格要比四面體網格好一些，因為四面體網格較六面體網格硬一些，但是拉伸法只能創建一些外形規則或者簡單的柔性體，但是幾何外形法沒有這個限制。

4、導入有限元模型網格文件創建柔性體（實例講解）

在ADAMS/Flex中Flexbodies有一個inport mesh選項，可以輸入nastran和其他有限元軟體生成的bdf、dat網格文件，在mesh properties中定義網格的材料屬性、殼單元厚度和計算的模態數目，在輸入關聯的marker點，就可以創建柔性體。

5、FE大變形柔性體構件，2014後版本的新功能。

FE（finite element）構件相對於線性柔性體不同的兩個方面：可以準確的體現出線性模型方法不能達到的大變形；建模不需要FEA文件，即mnf模態中性文件。具體使用參見2014版本裡面的HELP。

注：目前ADAMS中柔性體只支持節點在5°範圍內的小變形，並不是多大變形都能參與計算;也不支持非線性的變形，如果導入的mnf文件含有非線性單元，ADAMS會自動去掉那些成分；也不支持斷裂和破碎問題。

四、 有限元軟體輸出mnf文件

利用有限元軟體將構件離散成細小的網格進行模態計算，並將模態計算結果保存成MNF文件，多數有限元軟體都與ADAMS有連接介面，利用ANSYS與ADAMS雙向數據介面可以方便的處理柔性部件對機械系統的影響，並得到基於精確動力學模擬結果的應力應變分析結果。

1、 ADAMS與ANSYS幾何模型互導（軟體實際操作演示）

這裡介紹幾何模型的導入導出，例如複雜模型要導出單個零件到有限元模型中去做柔性體，file-export-選擇要導出的構件-xmt/txt格式，軟體中parasoild格式被稱為萬能格式，個人覺得也很好用，另外ANSYS中的模型怎麼導出幾何模型等問題。

2、 ANSYS輸出mnf文件（剛性區域法mass、蜘蛛網法beam、梁單元法）

從CAE軟體輸出mnf文件有很多都可以，目前大部分都支持，如ABAQUS/hypermesh/ANSYS等，本案例主要用ANSYS作為對象生成mnf文件。

現在ANSYS-ADAMS介面節點的選擇有三種方式：

a). 剛性區域法（推薦學習資料：

ANSYS和ADAMS柔性模擬詳細步驟_圖文_百度文庫）

在要建立介面節點的地方建立關鍵點（keypoint），並賦屬性MASS21屬性，mesh關鍵點，然後建立剛性區域；

b). 蜘蛛網法 （推薦使用此方法，實例講解）

在要建立介面節點的地方建立節點（直接建立節點就行，沒有必要用MASS21），用該節點與對應的節點創建梁單元（beam188），之所以稱為蜘蛛網法，是因為一個主節點發散到周圍的很多節點建立梁單元，看起來就像蜘蛛網一樣;

c). 梁單元法（不建議使用）

在要建立介面節點的地方建立節點，然後用該節點與某一個節點創建一個梁單元。

三種方法中，第二種是是ANSYS優選的，第三種是不推薦的。從圖中看出第三種方法傳遞力的特性是比較差的，但是比第二種方法簡單，不過要使用第二種方法的話，建議使用宏命令或者命令流。第一種方法比較容易出錯，剛性區域要反反覆復地的建立刪除，目前大部分網上資料都是用剛性區域法，不過還是建議用蜘蛛網法。

3、 ANSYS Help蜘蛛網法命令流解說演示（實例講解）

針對ANSYS Help裡面的蜘蛛網法輸出mnf文件的案例，做分布操作演示，以及命令流的使用解釋。

4、 ANSYS輸出mnf文件Y一般錯誤原因解釋以及解決辦法。

a). Unable to open file genCMS.mode. Unit 46 is already in use. Please send your data to your ANSYS Technical Support Provider.

這個讓ANSYS軟體犯傻的問題，具體是怎麼回事，怎樣解決我也不知道。但是在我確信我的模型沒有問題後，它還是這樣報錯，實在是沒有辦法了。有那找技術支持的時間，還不夠重啟軟體一次ANSYS？重啟之後果然沒有這種錯誤了；不知這是解決方法，還是巧合。

b). Negative pivot encountered. This is likely caused by insufficient displacement constraints or improper master dof selection to avoid rigid body motion of the superelement region currently selected

以及：superelement file subelem.sub is not available.

這種錯誤一般都是模型的連接有問題，特別是裝配體，中間可能有自由的零部件，導致結構不能正常的傳遞力。另外就是模型中可能存在獨立的節點（不在任何單元上的）；

c). the number of modes expected (66)does not match the number found(61).Most likely, the model has errors or there were more modes requested than exist. Please review the Prior modal solution for warnings

這個問題應該先明白ANSYS中Number of Modes to exatract 中的值X 、選取的介面節點個數Y與ADAMS中看到的柔性性的模態數量Z的關係: Z=6×Y+X；

我的一個模型剛開始的時候我設置的X=6，選取了介面節點Y=8，然後就總是出現上面的報錯，後面我減少了介面節點的個數，只選了三個，就沒有報錯了。這個方面我認為是能少選就少選，選得越多計算時間越長，越到高階的模態對計算的結果影響也越少，到ADAMS中還得關閉一些高階模態，所以能少則少！

5、 有限元軟體輸出的mnf文件是否正確

生成mnf文件後的模態振型和頻率與原始模態振型和頻率的對比

五、 mnf文件的使用

1、 ADAMS Flex對mnf文件的詳細查看（實例解說）

無論是ADAMS中生成的mnf，還是有限元生成的mnf文件，都可以利用ADAMS/Flex模塊進行查看，包括Flex工具箱的說明和優化器，有關輸出的版本信息、文件頭、單位、精度、輸出節點、頻率等

2、 柔性體mnf文件的替換和使用（實例解說）

如何導入mnf文件，如何將柔性體替換成剛性體，如何將柔性體替換成柔性體，以及柔性體柔性體替換

3、 柔性體mnf文件的編輯（實際軟體操作解說）

對於柔性體的編輯與剛體的編輯差別很大，對於ADAMS中柔性體計算最重要的部分，需要用到哪些模態階數參與計算，對還整個柔性或者剛柔耦合有很大的影響，包括柔性體的阻尼和有效性、名稱位置、初始狀況及速度、模態初始狀況等等。

4、 ADAMS虛構件（啞體）的使用（實例操作演示）

在將柔性體導入ADAMS中後，需要將柔性體和其他剛性體或者柔性體之間建立運動副約束關係以及施載入荷等。如果直接使用柔性體與剛性體建立關係，由於理論條件限制和其他因素考慮，例如時間無限長以至於計算不出來，運動模擬不運行等。這時候需要構件一個虛構件，也有叫啞物體。意思就是建立一個和導入的柔性體一樣或者類似的剛體構件，將剛體構件的的質量和轉動慣量信息置0，然後將柔性體與剛性體固定在一起，其應該在柔性體上的運動副、約束和載荷都定義在虛構件上。

六、 剛柔耦合分析後節點應力應變信息查看

1、 ADAMS中危險節點以及節點應力應變報告信息（實例演示）

在ADAMS進行剛柔耦合分析以後，怎麼查看柔性體中危險節點，以及某一些節點的的應力應變信息，這就要用到Durability和後處理模塊，首先條件是不管是在adams還是CAE軟體在生成mnf文件的時候，必須選擇輸出應力應變的選項，這樣後面才有結果。以報告report的形式顯示。

2、柔性體載荷導出，在CAE有限元軟體計算獲得受力狀況及雲圖顯示（實例演示）

ADAMS只能顯示應力應變的數值信息，生成報告，需要查看受力情況和雲圖顯示，則需要將柔性體載荷文件導出，ADAMS支持模型中的剛性體和柔性體的動態載荷信息輸出道FEA程序中，再在CAE軟體中計算，來查看受力狀況和雲圖顯示。同樣本案例以ANSYS軟體進行操作演示。