5 基于 ADAMS的蜗杆传动机构多刚体动力学仿真方法

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1、5基于ADAMS的蜗杆传动机构多刚体动力学仿真方法5.1多刚体动力学仿真多刚体动力学仿真（MBS）是近十年发展起来的机械动力系统计算机数值仿真技术，它建立在多刚体动力学理论基础之上，应用多刚体动力学模型仿真机械系统运动过程中的运动学和动力学特性。MBS提供了设计过程中设计方案的分析和优化，在机械设计领域获得越来越广泛的应用。目前国内外较为流行的MBS软件主要有：ADAMS、DADS、SIMPACK等。5.1.1多刚体动力学的算法原理设多刚体系统由n个刚体组成，地球为零刚体取定一个惯性参考基和每个刚体的连体

2、基，的原点与质心重合。为了确定系统内每个刚体相对惯性基的位形，可以用它的质心的位置矢径的三个分量确定位置，连体基的三个欧拉角确定方位。将这三个平动坐标和三个转动坐标写成矢量列阵[25]（4.1）这种确定系统内每个刚体位形所采用的统一坐标称为笛卡尔广义坐标。n个刚体组成的多刚体系统的位形由6n个笛卡尔广义坐标确定，可以写成如下位置矢量列阵(4.2)在多刚体系统运动学中，刚体的运动用质心的位置矢径列阵和确定变换关系的方向余弦矩阵来描述是方便的。它们都可以用系统的笛卡尔广义坐标表示为，（4.3）将式4.3的第一

3、式对时间求一次和两次导数，得到刚体质心的速度和加速度列阵创建模型创建几何模型给模型添加约束和运动给模型施加载荷测试模型定义测量量对模型进行仿真回放仿真动画绘制仿真结果曲线验证模型输入测试数据在绘制的曲线图上添加测试数据仿真结果是否与试验结果一致？模型的细化添加摩擦力改善施加的载荷函数定义柔性体定义控制重新仿真分析输入测试数据在绘制的曲线图上添加测试数据优化分析进行主要影响因素的研究完成试验设计分析进行优化设计分析定制用户环境定制用户菜单定制用户对话框使用宏命令记录并重复复杂模型操作图2-32用ADAMS软

4、件进行虚拟样机设计的步骤（4.4）以上两式中定义了（4.5）则刚体在惯性基中的角速度矩阵与方向余弦矩阵之间有如下关系：(4.6)可以利用上式由方向余弦矩阵计算角速度矢量的分量。在一般情况下角速度的阵列表达式可由已知的运动学方程得到（4.7）上式对时间求导，得到加速度阵列为因此各刚体质心的速度、加速度和各刚体的角速度、角加速度的阵列均可用笛卡尔广义坐标表示出来。上述算法原理一般以黑箱形式封装在类似于ADAMS这样的多刚体动力学软件之中。5.1.2多刚体动力学建模要求利用MBS技术进行机械系统动力学仿真的关键

5、是建立与机械系统实际组成和运动状况一致的多刚体动力学模型。多刚体动力学模型由刚体、刚体之间的连接、载荷、驱动源、输出几部分组成。刚体是组成多刚体动力学模型最基本的构件，一个多刚体动力学模型至少由两个刚体构成，每个刚体由其几何特性参数（刚体的几何形状、铰接点、力的作用点、仿真结果的输出点等）、材料特性参数（材料密度、摩擦系数、弹性模量等）和质量特性参数（质心、质量和转动惯量矩阵）等来描述。刚体之间的连接用来描述各刚体之间的相互连接关系，主要有以下几种形式[16]：(1)铰接：铰接是指刚体直接通过相互间的运动

6、副进行连接，根据自由度的不同可分为滑动铰、转动铰、刚性铰、球铰等多种铰接形式。(2)弹簧连接：弹簧连接主要有线性弹簧、非线性弹簧、扭转弹簧等多种连接形式，它不仅可以仿真实际的弹簧，还可以用于仿真两个刚体之间的线性力、非线性力、扭转力矩等。(3)阻尼连接：通过阻尼连接，刚体在运动过程中的相互作用力与运动速度成正比。(4)其它连接包括绳索连接、二力杆连接等。载荷用来描述机构在运动过程中受到的外力，它既可以是时间的函数，也可以是机构中其它变量的函数。驱动源用来描述驱动机械系统运动的原动力，它既可以是力和扭矩，也

7、可以是位移、速度、加速度等，既可以是时间的函数，也可以是机构中其它变量的函数。5.2动力学仿真分析软件ADAMS简介ADAMS（AutomaticDynamicAnalysisofMechanicalSystem）软件是由美国机械动力公司（MechanicalDynamicsInc.）开发的多体机械系统动力学仿真分析软件，以刚性体为主要分析对象。它使用交互式图形环境和零件库，约束库，力库，创建完全参数化的机械系统几何模型，其求解器采用多刚体系统动力学理论中的拉格朗日方程方法，建立系统动力学方程，对虚拟机械

8、系统进行静力学，运动学和动力学分析，输出位移，速度，加速度和反作用力曲线。ADAMS软件的仿真可用于预测机械系统的性能，运动范围，碰撞检测，峰值载荷以及计算有限元的输入载荷等。ADAMS软件包括核心模块ADAMS/View和ADAMS/Solver，以及其他扩展模块。ADAMS/View（界面模块）是以用户为中心的交互式图形环境，它提供丰富的零件几何图形库、约束库和力库，将便捷的图形操作，菜单操作，鼠标点取操作与交互式图形建模