田路路 朱東方 孫祿君

摘 要 本文將patran/nastran和ADAM分析軟件結(jié)合起來(lái)對(duì)柔性體進(jìn)行仿真分析， 論述了多柔體動(dòng)力學(xué)的理論基礎(chǔ)、柔性體模型的定義方法、柔性體動(dòng)力學(xué)特性的仿真流程。以太陽(yáng)能電池陣等效模擬器為例，詳細(xì)說(shuō)明了聯(lián)合仿真過(guò)程。

【關(guān)鍵詞】patran/nastran adams 聯(lián)合仿真 柔性體

ADAMS是主要以剛性體為主要分析對(duì)象的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析軟件。在對(duì)機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析時(shí)，在較大的載荷作用下或者作加、減速運(yùn)動(dòng)時(shí)， 柔性機(jī)構(gòu)就會(huì)產(chǎn)生較大的彈性變形。因此要更真實(shí)地模擬機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)性能， 必須將構(gòu)件作為柔性體進(jìn)行分析。Patran/nastran是以柔性體為主要分析對(duì)象的有限元分析軟件，因此， 要精確模擬整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)， 取得動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果，可以將Patran/nastran與ADAMS軟件結(jié)合使用。

1 柔性體的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程和系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程

1.1 柔性體的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程

為慣性坐標(biāo)系，為物體的動(dòng)坐標(biāo)系，p為混合坐標(biāo)系中的任意一點(diǎn)，則，p在慣性坐標(biāo)系中的位移可表示為，其中，為動(dòng)坐標(biāo)系在慣性坐標(biāo)系中的位置，為點(diǎn)p在中未變形時(shí)的位置，為p在中的變形，A表示動(dòng)坐標(biāo)系到慣性參考坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣。物體坐標(biāo)系的模態(tài)坐標(biāo)用表示，表示對(duì)應(yīng)于結(jié)點(diǎn)p的移動(dòng)自由度的模態(tài)矩陣子塊，則，代入即有。

1.2 柔性體系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程

運(yùn)用拉格朗日乘子法可得柔性體的動(dòng)力學(xué)微分方程

，其中：M為柔性體的質(zhì)量，W為勢(shì)能；K和D分別為模態(tài)剛度矩陣和模態(tài)阻尼矩陣；和分別表示物體內(nèi)部由于彈性變形和阻尼引起的廣義力；ξ為選定的廣義坐標(biāo)，Q為投影到ξ上的廣義力；為約束方程，λ為對(duì)應(yīng)于的拉格朗日乘子。

2 PATRAN/NASTRAN和ADAMS聯(lián)合仿真的步驟

patran/nastran中生成模態(tài)中性文件：

以patran/nastran中裝配體生成模態(tài)中性文件為例：

（1）在patran菜單欄中選擇File-import，彈出對(duì)話框，選擇parasolid文件類型，導(dǎo)入*.x_t的文件，刪除無(wú)關(guān)的零部件；定義材料屬性，輸入材料屬性，如泊松比、彈性模量、密度等；隨后選擇單元類型。之后定義裝配體中零部件剛/柔性。

（2）網(wǎng)格劃分：選擇Meshing-meshers進(jìn)行網(wǎng)格劃分。隨后進(jìn)行創(chuàng)建載荷/邊界條件定義六個(gè)自由度。

（3）仿真分析：

設(shè)置分析類型：?jiǎn)螕鬝olution Type按鈕，打開(kāi)其對(duì)應(yīng)的面板，選擇分析的類型NORMAL MODES，設(shè)置ADAMS output 選項(xiàng)為Full Run+MNF，設(shè)置單位（此單位需和ADAMS中所用單位一致），單擊OK。

設(shè)置裝配體各零部件之間的連接關(guān)系：若將零部件i和零部件j之間的連接關(guān)系用（）來(lái)表示，其中n表示零部件個(gè)數(shù)，表示T或G（TUCH或GLUE）。單擊Analysis-Subcases，選擇彈出對(duì)話框中contact Table按鈕，設(shè)置零部件之間關(guān)系。

完成以上設(shè)置后，開(kāi)始計(jì)算求解，Nastran計(jì)算后，調(diào)入XDB文件，在右側(cè)操作面板區(qū)選擇點(diǎn)擊查看模態(tài)頻率和每一階模態(tài)的動(dòng)態(tài)演示。

（4）將生成的mnf文件導(dǎo)入到ADAMS中進(jìn)行仿真。

在ADAMS中讀入由Patran生成的NMF文件，查看模態(tài)頻率是否一致，在ADAMS中給柔性體設(shè)置初始速度，仿真查看柔性體動(dòng)力學(xué)特性。

3 Patran/nastran、Adams聯(lián)合仿真實(shí)例

下面用Patran/nastran和Adams聯(lián)合分析太陽(yáng)能電池陣等效模擬器的動(dòng)力學(xué)特性。太陽(yáng)能電池陣等效模擬器所用材料的彈性模量為7..1e10Pa，泊松比為0.31，密度為2770kg/m3。

將模型導(dǎo)入Patran中，在patran中對(duì)模型進(jìn)行有限元?jiǎng)澐郑O(shè)置太陽(yáng)能電池陣等效模擬器邊界條件即左端固定，將模型交給Nastran計(jì)算求解，查看二階模態(tài)響應(yīng)。將Nastran計(jì)算生成的MNF文件導(dǎo)入到ADAMS中。設(shè)置一階模態(tài)初始位移 0 m，初始速0.7m/s，仿真結(jié)果顯示，帆板末端沿Z軸方向速度變化趨勢(shì)趨于零。

4 結(jié)論

本文將ADAMS和PATRAN/NASTRAN結(jié)合應(yīng)用，克服了兩者單獨(dú)使用時(shí)的缺陷，完成了對(duì)柔性體進(jìn)行動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。

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作者簡(jiǎn)介

田路路（1990-），女，安徽省人。碩士學(xué)位。現(xiàn)為上海航天控制技術(shù)研究所助理工程師。研究方向?yàn)閯?dòng)力學(xué)建模。

作者單位

上海航天控制技術(shù)研究所 上海市 200233