研究者采用虛擬樣機對產品分析時，絕大多數都是對多剛體系統 進行分析，所獲得的仿真結果是一種理想預測狀態。為了提高對車銑加工中心的仿真準確度，更接近于實際情況，將有限元方法和虛擬樣機相結合，對車銑加工中心的關鍵部件進行有限元分析，產生柔性體，與 機床其他部件形成剛柔耦合系統，然后在虛擬樣機模型上進行車銑加工中心的運動學特性和動力學特性分析。因此為了獲得更準確的仿真結果，對車銑加工中心建立基于多柔體系統的虛擬樣機模塑是非常必要的。 ADAMS是機械系統動力學仿真軟件，主要用于剛體動力學分析，可用于研究整個機械系統的工作性能，在設計的早期階段通過虛擬樣 機進行仿真分析。其中ADAMS/Flex模塊是基于Craig - Bamplom方 法的，其基本思想是：首先按照工程的觀點或結構的幾何輪廓，遵循 某些原則（主要是便于計算或試驗），把完整的大型復雜結構抽象為 若干個子結構。然后對自由度大大減少的各個子結構進行模態分 析，保留其主要模態信息，略去高階模態以達到縮減自由度的目的。 接著根據各子結構交界面的位移協調條件，將其組裝成自由度大大 縮減的總體系統方程。求解此方程可獲得系統的固有頻率和模態坐 標下的主振型。最后，進行坐標變換求得用物理坐標表達的解，就可 以得出位移、速度、加速度及應力應變等動態信息。這種方法將柔性 體看做是有限元模型的節點的集合，其變形視為模態振型的線性疊加， 相對于整體坐標系有小的線性變形，而此局部坐標系做大的非線性整 體平動和轉動，每個節點的線性局部運動近似為振型或振型向量的線 性疊加。 ANSYS是世界上有較大影響的有限元分析（FEA)軟件之一。主 要采用圖形用戶接口（GUI)方式進行交互式操作，從建模、單元劃分、 加載、求解，到輸出結果的全過程都可以在一個平臺上完成。由于大多數實際問題難以得到精確解，而有限元不僅計算精度高，而且能適用于 各種復雜的形狀，因此成為行之有效的工程分析手段。因此，我們根據 ADAMS和ANSYS各自的功能特點，將兩者優點相結合實現機械系統 的多柔體動力學分析。ADAMS中的ADAMS/Flex模塊，其中一種須借 助有限元軟件獲取構件的模態，因此我們利用ANSYS進行有限元分 析，提取柔性體的模態，并將結果轉換成ADAMS可以識別的模態中性文件，然后導入到ADAMS進行動力學分析，多柔體系統協同建模仿真的流程圖。 1.ADAMS中柔性體的建立 在ADAMS中建立柔性體有兩種方法[36’135]:—種是自動柔性化 法，另一種是引人模態中性文件法。 (1)自動柔性化法。ADAMS提供兩種自動柔性件生成方法，對于外形簡單的構件，可以采用直接生成柔性件的方法，即拉伸模式(Extrusion);對于外形復雜的構件，可以采用先建剛性件，再進行網格 劃分的模式，即構件網格模式（Solid)。模型生成柔性件的同時生成模 態中性文件，該模態中性文件中包含了柔性件的質量、質心、轉動慣量、 頻率、振型以及對載荷的參數因子等信息。將模型中原有的剛體件上 的運動副添加到柔性件上，使柔性件與模型上的其他構件連接起來，同 時刪除無效的剛性件，這樣可以使模型保持原有的自由度，從而實現柔 性構件的運動仿真。 (2)引入模態中性文件法。ADAMS可以使用任何有限元模型作 為ADAMS/Flex中的柔性體，如ANSYS、ABAQUS等有限元分析軟件生 成的模型，而ANSYS可以直接生成MNF(模態中性文件），不會產生中 間數據文件，這樣就可以將產生的模態中性文件直接導入到ADAMS 中。在模態中性文件導入以后，ADAMS/Flex會將柔性體放在整體慣 性坐標系的原點上，并且與模型中其他零件沒有任何關系。接下來要 在柔性體與零件之間施加約束、作用力，施加約束、作用力，有時要通過 使用無質董（或者質M非常小）連接物體來間接施加。 2.模態中性文件的生成 多柔體系統的創建原則是對于細長的剛度小的構件生成柔性體部件，而對于剛性較大的零部件則采用剛性體模型。所以本文分析的多 柔體動力學模型，只將車削主軸和銑刀主軸進行了柔性化處理，其余 部件則為剛性體。由于ANSYS對有限元分析具有強大功能，因此采 用它建立模態中性文件。在ADAMS創建完車銑加工中心的多體系統 模型后，需要對其車削主軸和銑刀主軸在有限元軟件ANSYS中進行有 限單元的離散化處理，以便生成模態中性文件。在ANSYS軟件中有兩 種方式建立模型:①在ANSYS軟件中直接建立三維模型，缺點建模繁 瑣;②從三維建模軟件中以中性文件導入ANSYS中，優點是建模容易， 尤其分析復雜部件，更適用于該方法。本文采用第二種方法，在建模過 程中忽略一些次要的細節（如倒角簡化成直角，潤滑油孔、工藝孔、螺紋孔等均按實體處理），簡化主軸模型。首先在三維實體軟件中將車 44 銑加工中心零件單獨輸出成Parasolid模型中性文件，ANSYS通過專用 接口瀆入該中性文件，在ANSYS中完成單元、實常數、材料等內容的定 義，然后劃分單元網格，如圖2. 7(a)所示為銑刀主軸的有限元模塑。 然后定義外部節點，在輸出MNF中性文件之前，必須進行質量、載荷等 檢驗操作，以保證文件中所包含的數據的可靠性。在ANSYS中生成起 柔性體的模態中性文件具體過程如下: (1)選擇單元類型：單元類型的選取是十分重要的環節，因為它在 很大程度上影響分析的速度和精度。對于車削主軸和銑刀主軸這樣的 三維實體模型，選用可以很好地適應各種復雜的邊界條件、具有較高的 求解精度的四面體單元S〇lid92,它是一種高階單元，適于較復雜的實 體模型。 (2)定義材料屬性:車削主軸和銑刀主軸的材料采用鋼，是經調質后具有良好的綜合力學性能。通過查表，定義車削主軸和銑刀主軸材 料彈性模量為207GMPa,泊松比為0.29,密度為7802kg/m3。 (3)定義硬點：硬點是一種特殊的關鍵點，其主要作用是施加載荷 或從模型的線和面上的任意點獲得數據。在主軸實體模型上定義3個 硬點，分別是主軸與兩個軸承接觸處以及與刀具接觸的地方。 (4)劃分網格單元：由于主軸的結構較為復雜，不適于映射網格劃 分，因而采用自由網格劃分中的智能網格進行劃分。由于S〇lid92單元 本身具有較高的精度，因而對主軸采用16級智能網格劃分，即可保證 足夠的精度。網格劃分完畢后，生成的柔性銑刀主軸的有限元模型如 圖2.7(a)所示。 (5)添加約束和求解：在ANSYS中不對模型添加約束，將生成自 由懸浮子結構，所以在ANSYS中進行模態分析之前需要選取與剛體的 對接點即上文中所定義的硬點，添加固定約束，然后進行求解。 (6)輸出模態中性文件:ANSYS中模態分析求解完畢后，就可以 生成模態中性文件了。在生成模態中性文件時，應注意單位與ADAMS 中的統一，選取合適的界面點以及提取適合的模態數等問題。 為了與ADAMS中單位統一方便，選取國際單位制SI;選取前文定義的硬點為界面點，如圖2. 7(b)所示這種方式結合面為剛性接觸；另 外一種方式在圖2. 7(a)的彈簧一阻尼單元外圍增加硬點，剛度和阻尼 取值可參考主軸分析結果。至此模態文件建立完畢，它是建立柔性體 動力學模型所必須的數據文件，包含模型幾何信息、節點質量和慣量、 節點形狀、模態的廣義質量和剛度內容。在ADAMS中嵌入ADAMS/Flex模塊，通過此模塊下的Flexbodyto- rigid對話框，將柔性體模型導入到ADAMS中替換原來的剛性體，就得到了車銑加工中心的多柔體的仿真模型，然后通過模型檢查，沒有錯誤信息就可用多柔體動力學分析。圖2. 8所示為導人模態中性文件后的 車銑加工中心的多柔體系統模型。通過模態中性文件將柔性體模型導 入ADAMS中，與車銑加工中心的其他部件形成剛柔耦合系統。部件 轉化柔性體越多越接近于實際情況，由于計算機性能和轉化時間等W 素只能將關鍵部件轉化為柔性體。圖2. 8(a)表示在運動過程中（外套 隱藏）主軸桿件柔性體顏色的變化，代表應力變化大小，從而可以確定 薄弱環節，刀具和主軸桿接觸處以及軸承處的所受的應力都比較大;而 從圖2. 8(b)主軸外套可以看出所受到應力不大；圖2. 8(c)是將主軸 部件、動力刀架、銑刀等轉化成柔體。這種方法不僅可以提高機床的仿 真精度，而且更接近于物理樣機。在樣機試制前對設計中可能出現的 問題做出精確的預測和改進，以保證設計方案的可行性，縮短產品的研 制周期和降低成本。本文由海天精工整理發表文章均來自網絡僅供學習參考，轉載請注明！