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基于 Adams 刚柔耦合仿真分析及应用

【摘要】： 剪式稳定架系统常用于汽车车身输送线，可实现车身的升降与运 输。其上框架布置 2 台电机，通过皮带带动下框架和吊具，实现升降。在实际运 行过程中，由于存在升降皮带安装轮安装相位偏差、皮带缠绕驱动轮运行过程旋 转半径波动、皮带不等长等因素，造成下框架倾斜。在升降过程中，由于运动不 平衡， 4 根剪式稳定架可能产生较大的作用力，存在安全隐患。因为采用多刚体 系统计算会产生卡死现象，所以对剪式稳定架进行柔性化处理，从而得到刚柔耦 合的多体系统，然后进行动力学仿真分析，预测剪式稳定架的受力情况，为产品 设计和优化提供参考。
【关键词】： 剪式稳定架； Adams；刚柔耦合；仿真分析
引言

1996 年， ADAMS 推出ADAMS Flex 模块，实现了同时包含刚体和柔体的机构 动力学分析。 ADAMS 中的柔性体分为离散式和模态式 2 种：离散式柔性体是把一 个刚体构件离散为几个小刚性构件，小刚体构件之间通过柔性梁连接，离散式柔 性体的变形是柔性梁的变形，并不是小刚体构件的变形，这种柔性体可以模拟物 体的非线性变形，但只适用于简单结构；模态式柔性体是由 ADAMS Flex 模块或 外部有限元软件生成，能根据构件的实际结构进行复杂建模，这种柔性体采用的 是模态叠加法来模拟物体变形，故仅适用于线性结构的受力分析。
1 刚柔耦合基本理论

在外部载荷作用下，物体一定会发生弹性变形，所以，多体系统都可以等效 认为是一个多柔性系统。在这种情况下，如果所研究的部件刚度大并且不考虑部 件的应力-应变响应，则可以将该部件视为刚体。但是当所研究部件的弹性变形 对系统的影响较大，或者在外部载荷作用下部件的变形较为明显时，则必须考虑 部件的弹性系数。此时，就需要把所研究部件进行柔性化处理，以使多体系统更 接近实际情况。

本文进行刚柔耦合仿真时采用了 RecurDyn 中提供的有限元柔性体建模。有 限元柔性体实现了有限元技术与多体动力学的有机结合，克服了模态柔性体对接 触问题建模不准确，柔性体变形后模态需要及时更新的缺点，采用节点之间的相 对位移和旋转作为节点坐标来描述结构的变形，具有较高的计算精度。其理论数 学建模原理如下：在空间梁单元结构中，取任意两单元 i- 1 和 i，坐标系 O-XYZ 为总体惯性坐标系； x(i- 1)iy(i- 1)iz(i- 1)i 为固结在节点 i 上关于节点 i- 1 的 随体坐标系。从而得到柔性体的动力学方程为：

式中： q 为柔性体的广义坐标矢量； B 为系统节点矩阵； M 为柔性体的质量矩阵；
Y 为机构所有广义坐标的 2 阶导数所组成的向量；Φ 为约束矩阵；λ 为拉格朗日
乘子； Q 为力矢量和。

2.基于 Adams 刚柔耦合仿真分析及应用

2.1 仿真模型运动函数定义

剪式框架初始位置为全伸展姿态。在上升运动时，首先在 1 s 时间内框架由 静止加速至 10 m/min，然后匀速运动保持 26 s，最后在 1 s 时间内由 10m/min 减速至 0，此时剪式框架总行程为 4.5 m，运行结束为全收缩姿态；在下降运动 时，先在 1 s 时间内框架由静止反向加速至 10 m/min，然后保持匀速运动 26 s， 最后在 1 s 时间内由 10 m/min 减速至 0，此时剪式框架又回到全伸展姿态。整个 升降过程运行总时间为 56 s。描述升降过程采用 Adams 软件函数库中 if 和 step 函数：
if(time-28： (step(time， 0， 0， 1， 166.67)+step(time， 1， 0， 27， 0)+step(time， 27， 0， 28， - 166.67))， 0， (step(time， 28， 0， 29， - 166.67)+step(time， 29， 0， 55， 0)+step(time， 55， 0， 56， 166.67)))。
2.2 仿真分析和结果

根据试验数据，剪式框架由全伸展状态运行至全收缩状态产生的最大偏移为 10 mm。设定车头方向为前、副驾驶侧为左，考虑框架上升速度为前快后慢、前 慢后快和左快右慢 2 种工况，对其进行动力学仿真分析。
2.2.1 前快后慢工况

在前快后慢工况下，剪式框架运行至最顶端时的应力最大，运动过程剪式框 架某铰点的受力曲线和小轮与轨道的接触力曲线见图 1。

图 1 前快后慢工况仿真结果

2.2.2 前慢后快工况

在前慢后快工况下，剪式框架运行至最顶端时的应力最大，运动过程剪式框 架某铰点的受力曲线和小轮与轨道的接触力曲线见图 2。

图 2 前慢后快工况仿真结果

结语

通过刚柔耦合动力学分析，可以得到 2 种工况下剪式框架运行过程中应力的 实时变化情况，以及连接铰点和滚动小轮的受力情况。分析结果可以指导剪式框 架的设计，解决采用多刚体计算卡死的问题。仿真结果为剪式稳定架的设计和优 化提供参考。
参考文献

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