振动系统的虚拟样机模型及其模态仿真

2011-11-09 09:34:24来源: 互联网
ADAMS是美国MDI公司(Mechanical Dynamics Inc.)开发的机械系统动力学仿真分析软件。利用ADAMS软件,用户可以快速方便地创建完全参数化的虚拟样机模型,并可以进一步了解各种设计方案的样机的运动学和动力学情况。该系列ADAMS讲堂将以ADAMS的实际操作过程为核心,以ADAMS在工程中的实际应用为主线,从ADAMS的基本模块开始,由浅入深,逐步展开对ADAMS/View、ADAMS/PostProcessor、ADAMS/Vibration和ADAMS/Controls等模块的介绍。每种功能的介绍都将结合工程实例进行,力图使读者在读完文章之后,就可以进行ADAMS此功能的实际操作。

  ADMAS软件由若干模块组成,分为核心模块、功能扩展模块、专业模块、接口模块和工具箱5类,其中核心模块为ADAMS/View:用户界面模块;ADAMS/Solve:求解器和ADAMS/Postprocessor:专用后处理模块。利用ADAMS软件,用户可以快速、方便地在ADAMS中创建完全参数化的几何模型,也可以利用接口从CAD软件中导入几何模型。然后,在几何模型上施加力和运动等激励。最后执行与实际状况十分接近的运动仿真测试,在物理样机建造前,了解各种设计方案的样机的运动学和动力学情况。

图1

  本文将通过在ADAMS R3中建立单自由度质量-阻尼-弹簧系统的虚拟样机模型,并进行动画显示,直观展示质量块的运动状态。通过求取振动分析的结果,得到线性模态的特征值,并与理论计算值进行了对比。通过进行后处理分析,利用仿真曲线展示质量块的位移、速度、加速度和动量参数以及弹簧的变形和受力情况等。

质量-阻尼-弹簧系统建模#e#一、质量-阻尼-弹簧系统建模

  首先创建一个ADAMS模型,设置好工程名称、单位和重力属性等,进入ADAMS/View环境。然后在Setting中设置界面参数,选择合适的格大小、点线大小和粗细、颜色等,也可以修改单位制和重力加速度等。设置完毕之后,在原点处创建一个固定在地面的几何点(Point),选择合适的高度,在其正上方建立一个立方体(Box)。默认建立的长方体不是关于xoy面对称的,因此需要在Modify选项中修改定位坐标。在几何点(Point)和立方体(Box)之间添加弹簧阻尼器(Spring-Damper)。点击Render,可以以三维模型的形式显示建立好的模型如图1所示。

  质量-阻尼-弹簧系统的动力学方程为:

振动系统的虚拟样机模型及其模态仿真

  其中,x为质量m的位移,k为弹簧刚度系数,c为阻尼系数。

  根据无阻尼固有圆频率和阻尼比公式,将式(1)写成如下形式:

振动系统的虚拟样机模型及其模态仿真

  (2) 其振动系统的虚拟样机模型及其模态仿真中为无阻尼固有圆频率,振动系统的虚拟样机模型及其模态仿真为阻尼比。

  在建立了质量-阻尼-弹簧系统的模型之后,需要修改模型的参数。右击选中的对象,选择Modify选项可以修改质量块的质量参数以及弹簧的刚度和阻尼参数等。质量块的质量设置为1KG。弹簧参数的修改界面如图2所示。将弹簧的刚度系数设置为1(newton/mm),弹簧阻尼系数设置为0.0006(newton-sec/mm),预载荷设置为0N。

图2

  二、线性模态仿真

  点击Simulation按钮,设置仿真时间为10s,仿真步数为200。点击Detailed Simulation Panel按钮,弹出仿真控制界面,如图3所示。选择Compute linear modes按钮,可以进行振动分析。

图3

  通过图3界面可以求取质量-阻尼-弹簧系统的固有频率,如图4所示。计算结果包括4列:无阻尼固有圆频率(UNDAMPED NATURAL FREQUENCY)、阻尼比(DAMPINGRATIO)、本征值的实部(REAL)和本征值的虚部(IMAGINARY)。第1~6阶为无阻尼态,表现为质量块的刚体运动,第7~9阶为过阻尼态。第10阶为1阶非刚体模态,其本征值包含本征值的实部和虚部两部分,为质量块沿垂直方向的弹性振动特性,它是我们在工程应用中关心的模态。

图4

  通过理论计算也可以得到无阻尼固有频率:

图1

  阻尼比的计算公式为:

图2

  本征值的计算公式为:

图3

  通过将理论计算值与图4对比发现,ADAMS分析的固有频率结果与理论计算值是完全一致的。

  ADAMS可以自动计算质量-阻尼-弹簧系统的特征值,如图5所示。可以看出,其特征值是在复坐标中显示的。

图5

  还可以查看虚拟样机的各阶振型,并以动画形式显示,如图6所示。点击display next mode和display previous mode,可以查看下一阶和上一阶模态振型。点击animate the display mode可以将当前振型以动画形式显示。

图6

后处理分析结果#e#三、后处理分析结果

  点击Ploting按钮,进入ADAMS的后处理界面,如图7所示。首先选择界面布局,然后在左侧的空白处右击,选择load animation,以ISO方向显示虚拟样机的模型。在右上方的空白处右击,选择loadplot,在右下方的空白处右击,选择loadplot,用以展示所关心的参数曲线。

图7

  在下方的选项中选择所关心参数的变化情况,首先查看质量块的运动参数,如质量块的位移、速度和加速度。如图8所示。可以看出,由于阻尼的影响,质量-阻尼-弹簧系统会在很短的时间内衰减至0。

图8

  图9为弹簧的变形、变形速度和力参数关于时间的曲线。其衰减至稳定的时间与图8相同,这与实际情况是对应的。

图9

  四、结束语

  本文在ADAMS中建立了质量-阻尼-弹簧系统的虚拟样机,并给出了其建模步骤。在仿真控制中分析了系统的振动情况,给出了系统的固有频率、特征值和振型等信息,并将仿真结果与理论计算值进行了对比,发现振动分析结果是一致的。最后,通过进行后处理分析,得到了所关心参数的时域变化情况。

关键字:振动系统  虚拟样机  模态仿真

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2011/1109/article_13053.html
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