基于ADAMS的同步带传动动力学模型研究

1、基于ADAMS的同步带传动动力学模型研究袁志权 丁莉(武汉理工大学机电学院,武汉430070)摘 要: 根据同步带传动的本身的特性和柔性体建模仿真分析的难点，介绍了联合使用 Pro/E、ANSYS和MSC. ADAMS建立同步带输送机构实体动态仿真模型的方法，结合Pro/E、ANSYS和MSC. ADAMS各自的特点，采用Pro/E实体三维建模，ANSYS模态分析和ADAMS动力学仿真分析的方法研究灌装机同步输送带的动态特性。关键词: 动力学模型，MSC.ADAMS，同步带传动，建模 仿真。1.引言：上海某制药公司灌装机项目中希望改进其液体药品灌装机构，其中的一个改进方案就是关于灌装同步输送带

2、的振动解决。由于灌装机的特点，其同步输送带的跨度比较大，因此产生的振动不容忽视，主要有横向振动、纵向振动及扭转振动对灌装精度的影响较大。振幅的大小和稳定状态的长短是考虑灌装系统方案可行性的一个重要因素，所以掌握同步带输送系统的动态特性非常重要。因此，建立同步带输送系统实体仿真模型显得格外重要。为了解决这个问题，本文给出了基于ADAMS建立同步输送带系统实体仿真模型的方法。2. ADAMS 柔性体理论ADAMS 柔性模块是采用模态来表示物体弹性的,利用ADMAS柔性模块可以简单地实现柔性体动态分析, 它是基于下列假设建立的: 物体的弹性变形是相对于物体坐标系的弹性小变形, 同时该坐标系又经历大的

3、非线性整体移动和转动。其基本思想是赋予柔性体一个模态集,采用模态展开法,用模态向量和模态坐标的线性组合来表示弹性位移,通过计算每一时刻物体的弹性位移来描述其变形运动。ADAMS 柔性模块中的柔性体是用离散化的若干个单元的有限个结点自由度来表示物体的无限多个自由度的。这些单元结点的弹性变形可近似地用少量模态的线性组合来表示。ADAMS 中柔性体的广义坐标表示为: =，其中， X = ( x , y , z) 反应物体在惯性参考系中的笛卡尔坐标，反映刚体= (, )表示刚体方位的欧拉角;来表示,用q = , , （m表示模态数） 表示模态坐标。则，柔性体上任一结点（如i点）的位置坐标可表示为：=x

4、+ A (S+q), 其中 A物体坐标系到惯性参考系的转换矩阵；S结点i在物体坐标系中未变形时的位置；对应于结点i的移动自由度的模态矩阵子块；3. 灌装机同步带柔性体系统的建立3.1 灌装机同步带输送系统模型简化灌装机同步带输送系统一般由驱动装置、同步输送带与机架和张紧装置等构成，在同步带输送系统中，同步带轮和机架相对于输送带而言，刚度相当大、变形很小，可以认为是刚体。因此，对于同步带输送系统中的零部件，除输送带必须当作柔性体外，其余部件均可视作刚体。同时，在初步建立的带式输送机虚拟样机系统中，机架固定在地上不运动，所以可以将机架简化为地面。 3.2 灌装机同步带输送系统建模流程由于同步输送带

5、本身是柔性体，所以必须建立输送带的柔性体模型。ADAMS中可用两种方法来完成：第一种是将同步带分为很多小块，然后在各小块之间施加约束，用以拟合带的变形及柔性，其指导思想类似于有限元的方法。第二种是利用ADAMS提供的柔性体理论来使输送带具有黏弹性，这种方法可用3种方式来完成，第1利用ADAMS提供的柔性模块ADAMSFLEX来完成；第2利用有限元知识，编写出模态中性文件，然后以文本方式输入到ADAMS中；第3利用有限元软件来做出模态中性文件，然后导入到ADAMS中。 随着计算机软、硬件技术的发展,各种CAD、CAE软件得到了广泛的应用,这一领域的每种软件都有其功能强大的一项，但也有其欠缺的一面

6、，如Adams的运动学及动力学仿真功能强大，但对于复杂模型的实体建模能力却很差，而对于复杂柔性体的构建也相当较弱，Pro/E有强大的三维实体建模功能，但其精确的运动学及动力学仿真却比较差，特别对于柔性体；而ANSYS柔性体构建能力强，但只能进行结构分析，而且三维建模能力又不行。针对这种情况，所以这里我们这里就各取其长，综合应用多种软件，采用联合仿真手段对同步带输送运动进行建模仿真分析。首先,应用三维设计软件Pro/E对系统进行三维结构设计,然后应用有限元软件(ANSYS)进行模态计算。最后应用MSC. ADAMS动力学仿真软件对系统进行仿真计算。增加约束导入ANSYS进行模态分析并输出mnf中

7、性文件转换成Adams模型进行动力学分析输出结果用Pro/E建立三维模型图1 ADAMS 柔性体建模流程4. 灌装机同步带输送系统ADAMS建模仿真分析 41 建立模型图 2 同步带传输系统装配体 首先三维建模。根据设计意图,用Pro/E建立三维模型零件及装配体, 如图2所示。根据模型的实际运动情况，在刚体之间创建约束副，这些约束副确定哪些刚体之间有运动关系，并且保证有相对运动的刚体按照设计要求的运动轨迹进行运动。添加驱动与载荷，在模型的约束副上添加运动学驱动，并且根据模型所受载荷的情况在不同刚体的两点之间施加力或力矩。完成模型进行保存并另存为为x- t格式文件 。 利用ANSYS生成模态中性

8、文件。使用ANSYS 直接导入Pro/E模型数据的prt文件（此操作要求被打开的prt文件必须在Pro/E 的工作目录中, 或者Pro/E与ANSYS 有相同的工作目录, 否则会出现找不到文件的错误）。在ANSYS程序中读入柔性体的几何模型并对柔性体进行网格划分，选择外部节点（关节处的节点），运行ANSYS的宏命令ADAMS.MAC生成模态中性文件(flex.mnf),此模态中性文件包含了柔性体的质量、质心、转动惯量、频率和振型等信息。 柔性体模态中性文件的导入ADAMS及后续处理。在ADAM/View 中使用ADAM /Flex 生成柔性体的步骤如下: 读入模态中性文件, 生成柔性体; 在柔

9、性体上施加约束和作用力/力矩; 对柔性体进行设置, 设置内容包括: 模态成分、阻尼率、惯性组成、初始条件等。4.2 同步带输送机模型的检查模型建立好后，可以利用ADAMS提供的原始条件工具来检查所建立的模型。首先要检查传输是否正确，有两种方法，第一种可以使用Info选项来检查柔性体的单位、质量模态等有关信息等。第二种方法是利用ADAMS/Linear校验柔性体，建立一个只包含要校验的柔性体的模型，并按照它在系统中的约束关系与大地约束在一起，然后运行ADAMS/Linear并记录其固有模态，将其与有限元分析的同样条件下的模态相比较。其次由定义连接形成的原始MARKER，在仿真中必须保持一致。例如

10、一个定义的同步带轮的旋转副，如果这个MARKER不能保持一致，则在仿真中这个连接就会破坏而需要修改。此时，原始条件仿真将通过修改这个MARKER的位置，来修正这个破坏的旋转副。4.3 运动仿真分析调用ADAM/Solver 进行动力学仿真并观察仿真结果。为了分析同步带的振动情况，在带的中点处的节点设定测量点。测量其位移、速度和加速度以及所受的力随时间而变化的曲线。如图2和图3为同步带横向振动和纵向振动响应曲线：图 3 同步带横向振动响应曲线图 4 同步带纵向振动响应曲线从图3和图4中可以看出同步带横向振动的幅值远大于纵向振动的幅值。这一结果与从实验观察的结果基本一致,同时也说明影响灌装机同步灌

11、装的主要是同步带的横向振动，而可以忽略其纵向振动的影响。 5总结传统的设计方法,在柔性体建模仿真方面有很大的局限性,采用ADAMS软件，并且联合使用Pro/E和ANSYS的进行建模仿真分析的方法研究研究灌装机同步输送带的动态特性，可以很方便地进行设计研究，缩短开发进程。参考文献1 李军，邢俊文，覃文强ADAMS 实例教程M北京：北京理工大学出版城20022杨玉萍,钱永明.同步带传动纵向振动的分析J 机械传动,2002,26(4),38-40.3郝双双，李阳星，刘训涛. 基于ADAMS的带式输送机实体仿真模型建立方法J矿山机械，2008(2)4 沈利霞, 同步带定位系统的动力学仿真与试验分析J机

12、床与液压,2007(8).Research on Dynamics Modeling of Timing-belt DrivesBased on ADAMSYUAN Zhiquan Ding LiWuhan University of Technology Abstract : Based on the characteristics of timing-belt transmission, for the difficulty of Analysis of Flexible Body, introduced a new method of the united application of Pro/E、ANSYS and MSC. ADAMS in establish a model of timing-belt transmission. We establish the 3D model of