ADAMS是美國MDI公司(Mechanical Dynamics Inc.)開發(fā)的機械系統(tǒng)動力學仿真分析軟件。利用ADAMS軟件，用戶可以快速方便地創(chuàng)建完全參數(shù)化的虛擬樣機模型，并可以進一步了解各種設計方案的樣機的運動學和動力學情況。該系列ADAMS講堂將以ADAMS的實際操作過程為核心，以ADAMS在工程中的實際應用為主線，從ADAMS的基本模塊開始，由淺入深，逐步展開對ADAMS/View、ADAMS/PostProcessor、ADAMS/Vibration和ADAMS/Controls等模塊的介紹。每種功能的介紹都將結合工程實例進行，力圖使讀者在讀完文章之后，就可以進行ADAMS此功能的實際操作。
ADMAS軟件由若干模塊組成，分為核心模塊、功能擴展模塊、專業(yè)模塊、接口模塊和工具箱5類，其中核心模塊為ADAMS/View：用戶界面模塊;ADAMS/Solve：求解器和ADAMS/Postprocessor：專用后處理模塊。利用ADAMS軟件，用戶可以快速、方便地在ADAMS中創(chuàng)建完全參數(shù)化的幾何模型，也可以利用接口從CAD軟件中導入幾何模型。然后，在幾何模型上施加力和運動等激勵。最后執(zhí)行與實際狀況十分接近的運動仿真測試，在物理樣機建造前，了解各種設計方案的樣機的運動學和動力學情況。
本文將通過在ADAMS R3中建立單自由度質量-阻尼-彈簧系統(tǒng)的虛擬樣機模型，并進行動畫顯示，直觀展示質量塊的運動狀態(tài)。通過求取振動分析的結果，得到線性模態(tài)的特征值，并與理論計算值進行了對比。通過進行后處理分析，利用仿真曲線展示質量塊的位移、速度、加速度和動量參數(shù)以及彈簧的變形和受力情況等。
質量-阻尼-彈簧系統(tǒng)建模#e#一、質量-阻尼-彈簧系統(tǒng)建模
首先創(chuàng)建一個ADAMS模型，設置好工程名稱、單位和重力屬性等，進入ADAMS/View環(huán)境。然后在Setting中設置界面參數(shù)，選擇合適的柵格大小、點線大小和粗細、顏色等，也可以修改單位制和重力加速度等。設置完畢之后，在原點處創(chuàng)建一個固定在地面的幾何點(Point)，選擇合適的高度，在其正上方建立一個立方體(Box)。默認建立的長方體不是關于xoy面對稱的，因此需要在Modify選項中修改定位坐標。在幾何點(Point)和立方體(Box)之間添加彈簧阻尼器(Spring-Damper)。點擊Render，可以以三維模型的形式顯示建立好的模型如圖1所示。
質量-阻尼-彈簧系統(tǒng)的動力學方程為：
其中，x為質量m的位移，k為彈簧剛度系數(shù)，c為阻尼系數(shù)。
根據(jù)無阻尼固有圓頻率和阻尼比公式，將式(1)寫成如下形式：
(2) 其中為無阻尼固有圓頻率，為阻尼比。
在建立了質量-阻尼-彈簧系統(tǒng)的模型之后，需要修改模型的參數(shù)。右擊選中的對象，選擇Modify選項可以修改質量塊的質量參數(shù)以及彈簧的剛度和阻尼參數(shù)等。質量塊的質量設置為1KG。彈簧參數(shù)的修改界面如圖2所示。將彈簧的剛度系數(shù)設置為1(newton/mm)，彈簧阻尼系數(shù)設置為0.0006(newton-sec/mm)，預載荷設置為0N。
二、線性模態(tài)仿真
點擊Simulation按鈕，設置仿真時間為10s，仿真步數(shù)為200。點擊Detailed Simulation Panel按鈕，彈出仿真控制界面，如圖3所示。選擇Compute linear modes按鈕，可以進行振動分析。
通過圖3界面可以求取質量-阻尼-彈簧系統(tǒng)的固有頻率，如圖4所示。計算結果包括4列：無阻尼固有圓頻率(UNDAMPED NATURAL FREQUENCY)、阻尼比(DAMPINGRATIO)、本征值的實部(REAL)和本征值的虛部(IMAGINARY)。第1～6階為無阻尼態(tài)，表現(xiàn)為質量塊的剛體運動，第7～9階為過阻尼態(tài)。第10階為1階非剛體模態(tài)，其本征值包含本征值的實部和虛部兩部分，為質量塊沿垂直方向的彈性振動特性，它是我們在工程應用中關心的模態(tài)。
通過理論計算也可以得到無阻尼固有頻率：
阻尼比的計算公式為：
本征值的計算公式為：
通過將理論計算值與圖4對比發(fā)現(xiàn)，ADAMS分析的固有頻率結果與理論計算值是完全一致的。
ADAMS可以自動計算質量-阻尼-彈簧系統(tǒng)的特征值，如圖5所示?？梢钥闯?，其特征值是在復坐標中顯示的。
還可以查看虛擬樣機的各階振型，并以動畫形式顯示，如圖6所示。點擊display next mode和display previous mode，可以查看下一階和上一階模態(tài)振型。點擊animate the display mode可以將當前振型以動畫形式顯示。
后處理分析結果#e#三、后處理分析結果
點擊Ploting按鈕，進入ADAMS的后處理界面，如圖7所示。首先選擇界面布局，然后在左側的空白處右擊，選擇load animation，以ISO方向顯示虛擬樣機的模型。在右上方的空白處右擊，選擇loadplot，在右下方的空白處右擊，選擇loadplot，用以展示所關心的參數(shù)曲線。
在下方的選項中選擇所關心參數(shù)的變化情況，首先查看質量塊的運動參數(shù)，如質量塊的位移、速度和加速度。如圖8所示?？梢钥闯?，由于阻尼的影響，質量-阻尼-彈簧系統(tǒng)會在很短的時間內衰減至0。
圖9為彈簧的變形、變形速度和力參數(shù)關于時間的曲線。其衰減至穩(wěn)定的時間與圖8相同，這與實際情況是對應的。
四、結束語
本文在ADAMS中建立了質量-阻尼-彈簧系統(tǒng)的虛擬樣機，并給出了其建模步驟。在仿真控制中分析了系統(tǒng)的振動情況，給出了系統(tǒng)的固有頻率、特征值和振型等信息，并將仿真結果與理論計算值進行了對比，發(fā)現(xiàn)振動分析結果是一致的。最后，通過進行后處理分析，得到了所關心參數(shù)的時域變化情況。
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