CN104965963A

CN104965963A - 一种刚柔耦合模型的参数化建模方法

Info

Publication number: CN104965963A
Application number: CN201510464993.2A
Authority: CN
Inventors: 刘夫云; 刘海潮; 杨孟杰; 杨运泽; 伍建伟; 汪沙娜; 张骥
Original assignee: Guilin University of Electronic Technology
Current assignee: Guilin University of Electronic Technology
Priority date: 2015-07-31
Filing date: 2015-07-31
Publication date: 2015-10-07
Anticipated expiration: 2035-07-31
Also published as: CN104965963B

Abstract

本发明公开了一种刚柔耦合模型的参数化建模方法，包括建立刚体部件模型；建立柔性体模型的APDL宏文件；构建刚柔耦合***参数化图形用户界面；界面中输入柔性体参数，对APDL宏文件进行读取、修改与更新；执行更新后的APDL宏文件建立柔性体模型；输入刚性体模型参数，重构刚体模型并导入柔性体模态中性文件，生成包含刚柔耦合动力学仿真模型的命令文件；导入命令文件，加载虚拟样机模型，进行动力学仿真分析，输出仿真结果；根据仿真结果，输出最佳仿真数据并保存数据文件。本发明的方法可实现柔性体的参数化建模以及刚柔耦合模型的自动创建，整个过程无需人工干预，解决了工程实际中柔性体难以参数化的问题，提高了建模效率，具有很好的工程应用价值。

Description

一种刚柔耦合模型的参数化建模方法

技术领域

本发明属于机械工程领域，尤其是涉及一种刚柔耦合模型的参数化建模方法。

技术背景

刚柔耦合***动力学是指当多体***中物体变形对运动的影响不容忽略时，采用柔性多体模型替代刚体模型，并且考虑刚柔耦合效应的柔性多体***动力学，主要研究柔性体的变形与其大范围空间运动之间的相互作用或相互耦合，以及这种耦合导致的动力学效应。随着国民经济和国防技术的发展，对于很多工程问题，单纯的多刚体***模型与实际相差甚远，满足不了工程精度要求，必须同时考虑部件大范围运动和构件本身变形的相互耦合作用，因此，对刚柔耦合***动力学建模研究具有重要意义。近年来，有不少学者对刚柔耦合建模方法进行了研究，并取得了相应的进展，但很少涉及柔性体的参数化建模及刚柔耦合***的参数化建模。王毅等(王毅，吴立信，刘更.机械***的刚-柔耦合模型建模方法研究[J].***仿真学报，2007，,19(20).4708-4710)采用虚实混合建模的方法，使用机械***三维造型软件、有限元分析软件以及多体***动力学仿真软件建立了曲柄滑块机构刚-柔耦合虚拟样机模型，实现了虚拟样机的精确建模。公开号为CN101727527A的中国专利文献公开了一种动力学分析软件与有限元分析软件间数据自动转换的方法，实现了动力学分析软件与有限元分析软件之间数据自动传递与转换，包括以下步骤：启动有限元软件进行柔性化，输出模态中性文件.mnf；启动动力学分析软件，加载虚拟样机模型，读取模态中性文件，进行动力学运动学分析，输出载荷文件；将载荷文件中的载荷施加到柔性体上进行应力应变分析，输出应力应变数据；循环执行上述步骤，输出最佳工况和应力应变数据。以上专利实现了动力学分析软件与有限元分析软件之间数据自动传递与转换，但是没有实现对柔性体构件的参数化建模及刚柔耦合自动建模。目前，在动力学分析软件中建立柔性体的方法主要由如下3种：①离散法，将一个构件离散成许多段刚性构件，用柔性梁连接；②自动柔性化法，直接在动力学软件中建立柔性体的模态中性文件，再用柔性体来替代原来的刚体文件；③引入模态中性文件法，利用有限元软件进行网格划分和模态计算后，得到模态中性文件，再将其直接读入动力学分析软件。由于离散法与自动柔性化法只适用于结构相对简单的构件，所以，在工程实际中对于结构形状比较复杂的零件，通常用有限元分析软件建立柔性体，但当柔性体结构、尺寸发生改变时，需要重新建立柔性体模型，并手工对刚柔耦合的动力学模型进行修改，操作不便，效率低下，难以满足工程实际需求。因此，提出一种刚柔耦合模型的参数化建模方法，对于提高建模效率与仿真精度、缩短产品设计和生产周期等都具有十分重要的意义。

发明内容

本发明旨在解决现在有技术中无法高效、精确的建立刚柔耦合动力学仿真模型，提出的一种刚柔耦合模型的参数化建模方法。该建模方法操作简单，能准确快速的建立刚柔耦合动力学模型，并应用于仿真分析。

本发明采用如下技术方案：

一种刚柔耦合模型的参数化建模方法，包括以下步骤：

(1)在动力学分析软件ADAMS中，初始化仿真环境，建立刚体部件模型，对刚体部件模型施加包括固定副、移动副、旋转副约束和直线位移驱动，并将刚体模型转换为可编辑的命令文件；

(2)建立多体***中柔性体建模的APDL宏文件，该文件包括柔性体有限元建模、有限元网格划分、载荷施加及设置输出单位，进行模态分析，导出模态中性文件；

(3)基于MATLAB平台，构建刚柔耦合***参数化图形用户界面，所述界面的可执行步骤包括刚体模型几何形状及物理属性参数输入；后台启动ANSYS，执行APDL宏文件；柔性部件几何形状、物理属性参数及刚柔耦合相关约束等信息输入；自动启动ADAMS，执行.cmd文件进行动力学分析。

(4)在刚柔耦合***参数化图形用户界面中输入包括外形尺寸、材料密度、弹性模量、网格密度、模态提取阶数的几何参数和CAE参数的柔性体参数，根据输入参数对APDL宏文件进行读取、修改与更新；

(5)在刚柔耦合***参数化图形用户界面中后台启动有限元分析软件ANSYS，执行更新后的柔性化APDL宏文件，自动生成包含柔性体质量、惯量、频率、振型信息的柔性体模态中性文件；

(6)在刚柔耦合***参数化图形用户界面中输入刚性体形状位置、质量惯量、仿真控制等参数，运用ADAMS命令语言重构刚体模型并导入柔性体，自动生成包含刚柔耦合动力学仿真模型的命令文件；，

(7)启动ADAMS，导入命令文件，加载虚拟样机模型，进行动力学仿真分析，输出刚柔耦合模型的仿真结果；

(8)根据仿真结果，判别是否需要进行模型参数修改，若需要进行柔性体参数修改则返回步骤(4)，若需要进行刚性体参数修改则返回步骤(6)，若不需要进行参数修改，则输出仿真结果并保存数据文件。

进一步，自动生成柔性体模态中性文件的步骤包括：

步骤一：后台启动有限元分析软件ANSYS；

步骤二：根据实际需求，将APDL宏文件中柔性体外形尺寸、材料密度、弹性模量、网格密度、模态提取阶数几何参数及CAE参数进行参数化，建立柔性部件的物理模型；

步骤三：定义单元类型、材料属性、划分网格，建立柔性部件的有限元模型；

步骤四：定义外连点，搜索并建立刚性区域；

步骤五：设置输出单位，进行模态分析，导出模态中性文件，退出ANSYS。

进一步，自动生成刚柔耦合动力学仿真模型的步骤包括：

步骤一：读取刚体模型的命令文件；

步骤二：输入包括形状位置、质量惯量、仿真控制参数的刚体模型物理参数，添加柔性体构件；

步骤三：对柔性体施加包括固定副、移动副、旋转副的约束、驱动；

步骤四：保存为包含刚柔耦合动力学仿真模型的命令文件，以便ADAMS加载刚柔耦合虚拟样机模型。

进一步地，所述步骤(6)中的刚性体形状位置、质量惯量、仿真控制参数包括刚性体质心位置、转动惯量、仿真时间及步长。

进一步地，所述的命令文件为cmd命令文件，APDL宏文件为.mac文件，模态中性文件为.mnf文件。

以上技术方案具有以下优点：应用本发明的刚柔耦合模型的参数化建模方法对多体***进行刚柔耦合动力学仿真分析优化时，利用开发的参数化图形用户界面与接口程序可实现柔性体的参数化建模，以及刚柔耦合模型的自动创建，整个过程无需人工干预，解决了工程实际中柔性体难以参数化的问题，提高了建模效率，具有很好的工程应用价值。

本发明通过图形用户界面输入参数，利用各软件接口实现数据传递以及数据文件的读取与写入，以修改命令文件的方式实现对模型的修改，对工程实际中快速建立刚柔耦合动力学仿真模型提供了一种科学高效的解决方式。

本发明的刚柔耦合模型的参数化建模方法实现了多种软件的集成联合运用，并在某型刚柔耦合载货汽车平顺性仿真优化中进行了实例应用，应用表明：所提出的方法是科学有效的，并为复杂机械***的设计优化提供了自动、高效而可靠的解决方案。

附图说明：

图1是本发明一种刚柔耦合模型的参数化建模方法的流程图；

图2是本发明中自动生成柔性体模态中性文件的流程图；

图3是本发明中自动生成刚柔耦合动力学仿真模型的流程图；

图4是本发明实施例的某型载货汽车刚体动力学模型图；

图5是本发明实施例的载货汽车刚体动力学模型中的后桥平衡悬架放大图；

图6是本发明实施例的柔性车架模型图；

图7是本发明实施例的某型载货汽车将车架柔性化的刚柔耦合动力学模型图；

图8是本发明实施的某型刚柔耦合载货汽车座椅加速度均方根值曲线图；

图9是本发明实施的速度为100Km/h的B级路面激励曲线图。

图中，1为发动机总成，2为前桥，3为驾驶室前悬，4为驾驶室前稳定杆，5为驾驶室，6为座椅，7为驾驶室后悬，8为货箱，9为车架，10为后桥平衡悬架，11为后桥，12为轮胎，13为六柱试验台。

具体实施方式：

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本发明的具体内容作进一步说明，但本发明的具体实施方式不限于此。

本发明的技术方案提供一种用于动力学仿真的柔性体参数化建模方法，流程图如图1所示，包括以下步骤：

(1)在动力学分析软件ADAMS中，初始化仿真环境，建立刚体部件模型，对刚体部件模型施加包括固定副、移动副、旋转副的相关约束和驱动，并将刚体模型转换为可编辑的命令文件；

(4)刚柔耦合***参数化图形用户界面中输入包括外形尺寸、材料密度、弹性模量、网格密度、模态提取阶数与CAE参数的柔性体参数，根据输入参数对APDL宏文件进行读取、修改与更新；

(6)刚柔耦合***参数化图形用户界面中输入刚性体形状位置、质量惯量、仿真控制参数，如刚性体质心位置、转动惯量、仿真时间及步长，运用ADAMS命令语言重构刚体模型并导入柔性体，自动生成包含刚柔耦合动力学仿真模型的命令文件；

如图2，自动生成柔性体模态中性文件的步骤包括：

步骤一：后台启动有限元分析软件ANSYS；

步骤四：定义外连点，搜索并建立刚性区域；

如图3，自动生成刚柔耦合动力学仿真模型的步骤包括：

步骤一：读取刚体模型的命令文件；

以下根据某型载货汽车刚柔耦合动力学仿真分析及附图来说明刚柔耦合参数化建模方法的具体实施过程：

(1)在ADAMS/View中建立某型载货汽车的刚体模型及施加相关运动副和驱动，即约束和驱动，如：座椅与驾驶室之间的相对位移用移动副表示，发动机与变速箱连接固定副表示，路面激励用直线位移驱动表示等。如图4所示，该仿真模型包含54个刚体部件，主要部件有：发动机总成1，前桥2，驾驶室前悬3，驾驶室前稳定杆4，驾驶室5，座椅6，驾驶室后悬7，货箱8，车架9，后桥平衡悬架10，后桥11，轮胎12，六柱试验台13等，还包含60个运动副及7个驱动，该7个驱动包括6个路面激励和1个发动机激励，一共包含63个自由度，并通过验证的模型以.cmd格式文件输出。其中后桥平衡悬架10的放大图如图5所示。主要建模参数如表1所示：

表1载货汽车主要建模参数

座椅质量(Kg)	75	驾驶室质量(Kg)	691
				前桥簧上质量(Kg)	3991	前桥簧下质量(Kg)	774
后桥簧上质量(Kg)	5435	前桥簧下质量(Kg)	1417
				发动机质量(Kg)	586.89	轮胎半径(m)	0.56
驾驶室转动惯量(Kg·m²)	453.4/476.8/382.3	发动机转动惯量(Kg·m²)	29.1/75.3/66.2
				座椅刚度(N/mm)	30	座椅阻尼(N·s/mm)	1.0
驾驶室前悬刚度(N/mm)	66	驾驶室前悬阻尼(N·s/mm)	9
				驾驶室后悬刚度(N/mm)	28	驾驶室后悬阻尼(N·s/mm)	9
前桥刚度(N/mm)	499	前桥阻尼(N·s/mm)	12
				后桥刚度(N/mm)	3110	后桥阻尼(N·s/mm)	15

(2)建立多体***中柔性体模型的APDL宏文件。首先，根据用户需求确定车架需要参数化的部分，如横梁尺寸与数目、纵梁尺寸、外连点位置与数目、网格划分大小等；其次，建立车架有限元模型并进行网格划分；再次，运用“get”命令，获取分网后节点最大值编号，存放在NM中，定义外连点，并将其按顺序编号为NM+1，NM+2，···，NM+n，搜索并建立刚性区域；最后，设置输出单位，进行模态分析，导出模态中性文件，退出有限元分析软件。

(3)在MATLAB开发平台中，构建刚柔耦合***参数化图形用户界面，所述界面的可执行步骤包括载货汽车几何形状及物理属性参数输入；后台启动ANSYS，执行APDL宏文件；柔性车架几何形状、物理属性参数及刚柔耦合相关约束等信息输入；自动启动ADAMS，执行.cmd文件进行动力学分析。

(4)根据用户实际需要，在刚柔耦合***参数化图形用户界面中输入车架形状尺寸、物理属性，外连点数目、位置等柔性体参数，如表2-表4所示。根据所输入参数对APDL宏文件的读取与写入，生成新的ANSYS命令流文件。

表2柔性车架CAE参数

弹性模量	2.11×10⁹mN/mm²	泊松比	0.3
				密度	7.8×10^-6Kg/mm³	单元类型	SOLID45/MASS21
网格划分大小	25	模态提取阶数	12

表3柔性车架横梁位置参数(单位：mm)

表4柔性车架外连点位置参数(单位：mm)

(5)在刚柔耦合***参数化图形用户界面中后台启动有限元分析软件ANSYS，执行更新后的车架柔性化APDL宏文件，自动生成模态中性文件，在ADAMS中打开此文件后，即可看到车架柔性体模型，如图6所示。其中，后台启动ANSYS命令格式如下：

System("ansys软件安装路径"-b-i APDL宏文件路径.mac文件名-o MNF文件保存路径)

(6)根据用户实际需要，在刚柔耦合***参数化图形用户界面中输入刚性体模型参数，重构刚体模型并导入柔性体，添加约束、驱动，生成包含刚柔耦合动力学仿真模型的cmd命令文件；具体步骤为：首先，将(1)中生成的整车刚体模型cmd命令保存于Excel表格中，运用Excel函数及ADAMS命令语言，对cmd命令文件进行修改与重构，在Excel表格中实现车架的刚柔替换，并对柔性车架施加约束、驱动等。其次，将Excel文档中重构后的命令语言自动保存为.cmd格式文件，以便ADAMS加载虚拟样机模型。

(7)自动启动ADAMS，导入.cmd命令文件，加载车架柔性化的刚柔耦合动力学仿真模型，如图7所示；输入路面激励与发动机激励，设置仿真时间为20s、仿真步长为2000步，进行动力学仿真分析，输出座椅加速度均方根值曲线，如图8所示。其中，自动启动ADAMS命令格式如下：system('ADAMS启动位置aview ru-st i.cmd文件存放位置')

路面激励为轮胎径向跳动与速度为100Km/h的B级路面叠加：

2*sin(100/0.5625/3.6*time)+1000*AKISPL(time,0,SPLINE_V100,0)

发动机激励为一个驱动力矩：

3.55E5*(1+1.3*(10/43)*cos(360*25*time)+(2/43)*cos(360*50*time)+(16/43)*cos(360*75*time)+(3/43)*cos(360*100*time)+(10/43)*cos(360*125*time)+(2/43)*cos(360*150*time))

(8)根据座椅加速度均方根值曲线，判别是否需要进行模型参数修改，若需要进行车架参数修改则返回步骤(4)，若需要进行刚体部件参数修改则返回步骤(6)，若不需要进行参数修改，则输出仿真结果并保存数据文件。

Claims

1.一种刚柔耦合模型的参数化建模方法，其特征在于：包括以下步骤：

（1）初始化仿真环境，建立刚体部件模型，对刚体部件模型施加约束和驱动，所述约束和驱动包括固定副、移动副、旋转副及直线位移驱动，并将刚体模型转换为可编辑的命令文件；

（2）建立多体***中柔性体建模的APDL宏文件，所述宏文件包括柔性体有限元建模、有限元网格划分、载荷施加及设置输出单位，进行模态分析，导出模态中性文件；

（3）基于MATLAB平台，构建刚柔耦合***参数化图形用户界面，所述界面的可执行步骤包括刚体模型几何形状及物理属性参数输入；后台启动ANSYS，执行APDL宏文件；柔性部件几何形状、物理属性参数及刚柔耦合相关约束等信息输入；自动启动ADAMS，执行cmd文件进行动力学分析；

（4）在刚柔耦合***参数化图形用户界面中输入包括外形尺寸、材料密度、弹性模量、网格密度、模态提取阶数几何参数和CAE参数的柔性体参数，根据输入参数对APDL宏文件进行读取、修改与更新；

（5）在刚柔耦合***参数化图形用户界面中后台启动有限元分析软件ANSYS，执行更新后的APDL宏文件，自动生成包含柔性体质量、惯量、频率、振型信息的柔性体模态中性文件；

（6）在刚柔耦合***参数化图形用户界面中输入刚性体形状位置、质量惯量、仿真控制参数，运用ADAMS命令语言重构刚体模型并导入柔性体，自动生成包含刚柔耦合动力学仿真模型的命令文件；

（7）启动ADAMS，导入命令文件，加载虚拟样机模型，进行动力学仿真分析，输出刚柔耦合模型的仿真结果；

（8）根据仿真结果，判别是否需要进行模型参数修改，若需要进行柔性体参数修改则返回步骤（4），若需要进行刚性体参数修改则返回步骤（6），若不需要进行参数修改，则输出仿真结果并保存数据文件。

2.根据权利要求1所述的参数化建模方法，其特征在于：步骤（5）中柔性体模态中性文件的步骤包括如下：

1）后台启动有限元分析软件ANSYS；

2）根据实际需求，将APDL宏文件中柔性体外形尺寸、材料密度、弹性模量、网格密度、模态提取阶数几何参数及CAE参数进行参数化，建立柔性部件的物理模型；

3）定义单元类型、材料属性、划分网格，建立柔性部件的有限元模型；

4）定义外连点，搜索并建立刚性区域；

5）设置输出单位，进行模态分析，导出柔性体模态中性文件，退出ANSYS。

3.根据权利要求1所述的参数化建模方法，其特征在于：步骤（6）中自动生成刚柔耦合动力学仿真模型的步骤包括如下：

1）读取刚体模型的命令文件；

2）输入包括形状位置、质量惯量、仿真控制参数的刚体模型物理参数，添加柔性体构件；

3）对柔性体施加包括固定副、移动副、旋转副的约束、驱动；

4）保存为包含刚柔耦合动力学仿真模型的命令文件。

4.根据权利要求1所述的参数化建模方法，其特征在于：所述步骤(6)中的刚性体形状位置、质量惯量、仿真控制参数包括刚性体质心位置、转动惯量、仿真时间及步长。

5.根据权利要求1所述的参数化建模方法，其特征在于：所述命令文件为cmd命令文件，APDL宏文件为.mac文件，模态中性文件为.mnf文件。