基于ANSYS与ADAMS的柔性体联合仿真

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，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—ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆＦｌｅｘｉｂｌｅＢｏｄｙＢａｓｅｄｏｎＡＮＳＹＳａｎｄＡＤＡＭＳＺＨＡＮＧＹｏｎｇ－ｄｅ，ＷＡＮＧＹａｎｇ－ｔａｏ，ＷＡＮＧＭｏ—ｎａｎ，ＪＩＡＮＧｄｉｎ－ｇａｎｇ

（ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌ＆ＰｏｗｅｒＥｎ百ｎｅｅｒｉｎｇＣｏｌｌｅｇｅ，ＨａｒｂｉｎＵｎｉｖ．Ｓｅｉ．Ｔｅｃｈ．，Ｈａｒｂｉｎ１５００８０，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｓｏｌｖｅｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｏｆｔｈｅｋｉｎｅｍａｔｉｃｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄａｎａｌｙｓｉｓｏｆｓｔｒｅｓｓａｎｄｓｔｒａｉｎｏｆｄｅｎｔａｌａｒｃｈｃｕｒｖｅｇｅｎｅｒａｔｏｒｗｉ也也ｅｆｏｒｍｏｆｆｉ＃ｄｂｏｄｖｗｈｉｃｈｉｓｉｎｔｈｅｓｙ’ｓｔｅｍｏｆｍｕｌｔｉ－ｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒｔｅｅｔｈａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔｒｏｂｏｔｓｖｓｔｅｒｎ，ｔｈｅｃｏ－ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｗａｓｄｏｎｅｔｏｔｈｅｇｅｎｅｒａｔｏｒｂｙｕｓｉｎｇｔｈｅｓｏｆｔｗａｒｅ《ＡＮｓＹＳａｎｄＡＤＡＭＳｂａｓｅｔｈｅｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｆｌｅｘｉｂｌｅｂｏｄｙｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ．Ｔｈｅｍｓｕｌｔｓｏｆｏｐｅｒａｔｉｏｎｉｎｄｉｃａｔｅｔｈａｔｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｏ／．：ｆｌｅｘｉｂｌｅ６Ｄ咖ｋｉｎｅｍａｔｉｃｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｈａｓｂｅｅｎｓｏｌｖｅｄ，ａｎｄｔｈｅ

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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（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。

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。

２００８年９月张永德，等：基于ＡＮＳＹＳ与ＡＤＡＭＳ的柔性体联合仿真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

０１０２０３０４０５０

载荷步ＳＴＥＰ

图９应力最大节点处的应力变化曲线；

基于ANSYS与ADAMS的柔性体联合仿真

作者：张永德， 汪洋涛， 王沫楠， 姜金刚， ZHANG Yong-de， WANG Yang-tao， WANG Mo-nan ， JIANG Jin-gang

作者单位：哈尔滨理工大学机械动力工程学院,黑龙江,哈尔滨,150080

刊名：

系统仿真学报

英文刊名：JOURNAL OF SYSTEM SIMULATION

年，卷(期)：2008，20(17)

被引用次数：4次

参考文献(10条)

1.Heise M.Muller S.Sachs G Dynamic modeling and visualization of multi-body flexible systems 2004

2.Heekmarnn Andreas.Arnold Martin.Vaculin Ondrej Modal multifield approach for an extended flexible body description in multibody dynamics 2005(03)

3.于爽基于多操作机的排牙机器人的研究[学位论文] 2005

4.Huynh An Crees.Edwin Z Quiocho.Leslie J Application of multibody dynamics to on-orbit manipulator simulations 2005

5.邱志勇.黄华.董明明履带张紧装置柔体动力学模型及其仿真[期刊论文]-计算机仿真 2007(01)

6.李军.邢俊文.覃文洁ADAMS实例子教程 2002

7.沈俊.宋健基于ADAMS和Simulink联合仿真的ABS控制算法研究[期刊论文]-系统仿真学报 2007(05)

8.李韶华.杨绍普.李皓玉基于ADAMS-MATLAB联合仿真的汽车悬架半主动控制[期刊论文]-系统仿真学报 2007(10)

9.彭松林.左德参.张卫平.陈文元曲柄摇杆扑翼机构的联合仿真及优化设计[期刊论文]-系统仿真学报 2007(08)

10.Gregoire Mireille.Sehomer Elmar Interactive simulation of one-dimensional flexible parts 2006

相似文献(1条)

1.学位论文汪洋涛多操作机排牙机器人的结构分析及三维参数化运动仿真2008

基于多操作机的排牙机器人是一套计算机辅助设计、机器人辅助操作的全口义齿制作系统。它可以替代牙科医师在全口义齿制作中的大部分工作

，不但比他们更精确地以数字的方式操作，而且能实现定量排牙，确保义齿质量，提高效率，降低成本的目的。此系统的研制不但会改变目前全口义齿制作的手工操作模式，而且也极大的促进机器人技术及口腔修复医学的发展。

本文基于多操作机排牙机器人的研究，首先通过分析其整体结构及工作原理，并重点用ANSYS软件对牙弓曲线发生器进行在静态和动态下分析，用得到的最大应力应变值校验其结构安全性。然后运用ANSYS与ADAMS联合仿真的方法，先简化总体模型，再对多操作机排牙机器人进行运动仿真得到机器人运动时的三维视觉效果；并通过在ADAMS中建立传感器以判断排牙机器人各操作机的运动是否干涉，这样为排牙机器人的轨迹规划及有效排牙提供必要的可视化辅助。其中联合仿真技术是本文的关键技术，此方法充分利用了两大软件的优势，它解决了牙弓曲线发生器在ADAMS中以刚性体形式无法仿真的问题，通过在ANSYS中建立柔性体模型，替代ADAMS中的刚性体模型完成运动仿真，得到其在动态下的载荷情况后，再将它提供给ANSYS对其完成其在动态下的应力应变分析。本文在最后结合VC++开发了ADAMS用户子程序和用户界面，实现了VC与ADAMS的连接以及驱动参数的传递。

本文的研究对结构分析，柔性体的建模与以及ANSYS，ADAMS软件之间的联合仿真与ADAMS子程序的开发这几个方面具有重要的参考意义，并为进一步建立多操作机排牙机器人实时自动化的仿真系统奠定了基础。

引证文献(3条)

1.韩静.方亮.孙甲鹏.吕文斐.杨艳初基于Pro/e与ANSYS WORKBENCH的复杂装配件协同仿真及优化[期刊论文]-机械设计与制造 2010(1)

2.崔利杰.吕震宙.张峰.张永鑫飞机内襟翼机构动态响应可靠性分析[期刊论文]-高技术通讯 2009(12)

3.姜金刚.张永德.吕培军.王勇多电机驱动的牙弓曲线发生器的运动控制与实验研究[期刊论文]-机器人 2009(5)

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