ADAMS中的接触和接触摩擦作用机制实例详解

ADAMS中的接触和接触摩擦作用机制实例详解高一佳【摘要】文章首先从理论上详细说明了ADAMS软件中的接触和接触摩擦在模型中的作用机制.然后结合拉臂式垃圾车动力学分析实例，研究了各参数变动对接触造成的影响.最后给出了解决接触求解无法收敛问题的一般原则.【期刊名称】《汽车实用技术》【年(卷)，期】2017(000)006【总页数】4页(P64-66,75)【关键词】ADAMS;接触;接触摩擦【作者】高一佳【作者单位】陕西保利特种车制造有限公司膜西西安710200【正文语种】中文【中图分类】U461CLCNO.:U461DocumentCode:AArticleID:1671-7988(2017)06-64-04即使是经验丰富的分析工程师，在处理包含接触和接触摩擦的ADAMS仿真任务时，也时常遭遇频繁的求解失败。是什么原因让日常生活中无处不在的接触和摩擦在CAE分析中变成了一个麻烦制造者。本文将试图从理论与实际相结合的角度阐述ADAMS中接触和接触摩擦的作用机制及造成求解困难的原因，并给出改善接触求解困难的一些建议。在ADAMS中，当两个分离的表面互相碰触并互切时，就称它们处于接触状态。在一般的物理意义中，处于接触状态的表面有下列特点：•不互相穿透；•能够传递法向压力和切向摩擦力；•通常不传递法向拉力。(因此，它们相互间可以自由地分开并远离)。接触由如图1所示三种状态。在ADAMS中分别表述为Open，ClosedandStick，ClosedandSlide。接触具有强烈的非线性、非保守特性。随着接触状态的改变，接触表面的法向和切向刚度都有显著的变化。刚度方面大的突变通常会导致严重的收敛困难，特别是当存在滑动时。大多数的接触问题还需要同时考虑摩擦，摩擦计算同样Adams/Solver有两个几何引擎用来检测三维接触，分别是Parasolid和RAPID。Parasolid是来自EDS/Unigraphics的一个几何套件，支持到UParasolid14.0。但是目前RAPID是Adams的默认几何引擎，当前支持到2.01版本。几何引擎负责检测两个几何体间的接触，定位接触点，并且计算接触点的公法线。在Adams中，有两种计算接触力的方法：基于回归的接触算法(Restitution-basecontact)和基于碰撞函数的接触算法(IMPACT-Function-basedcontact)。回复系数被用在一些特殊场合，就是有时候无法从材料手册或物理实验中获得碰撞数值，但是可以获得回复数值。一般来说，碰撞方法在数值上更平顺，仿真速度也更快。只有在回复数值可以获得但碰撞数值无法获得的情况下才使用回复系数方法。下面只对应用较广的IMPACT型接触作出说明，基于IMPACT的接触模型如下图2所示。Adams根据Hertz接触理论，采用impact函数提供的非线性等效弹簧阻尼模型计算接触力，接触力计算参数如图3所示。接触力如下式1-1所示，各参数的物理意义如图3所示。式中：x-表示两接触物体的距离；x•-表示接触的相对速度；X1-表示x的自由距离。当x<x1时，两物体接触并产生接触压力，反之不接触；k-表示接触表面刚度，为一非负实数。n-表示力的指数，为一非负实数。对于刚度大的接触面，n>1。反之n<1;cmax-表示接触过程中的最大阻尼系数，为一非负实数。d-表示接触过程中的最大阻尼系数，为一非负实数。由式1-1可看出接触力由两部分组成。k(x1-x)n为弹性力分量，-STEP(x,x1-d,cmax,x1,0)・x'为粘性阻尼力分量。在ADAMS中定义接触时需输入图2右侧所示的4个参数，下面将对这几个参数的作用和物理意义作出详细说明。•k(Stiffness):表示接触表面的刚度。一般来说，刚度值越大，两物体渗透的量越小，越接近实际情况。但是过大的刚度会造成病态矩阵和积分求解困难。如果刚度值过小，虽然能够便于计算，但不能模拟两个构件之间的真实接触情况。刚度值的合理范围可通过Hertz接触理论进行估算。•n(ForceExponent):力指数，用来计算瞬时法向力中材料刚度项贡献值的指数，表征了材料的非线性特性。对于刚度比较大的接触，取n>1，否则取n<1。对于金属常用1.3~1.5，对于橡胶可取2甚至3。一般用1.5。•cmax(Damping):定义接触材料的阻尼属性，用于表征接触能量损失。通常取刚度值的0.1-1%,—般取10-100N*sec/mm。C越大，渗透量曲线越平滑，碰撞力曲线越平滑。•d(PenetrationDepth):定义全阻尼(fulldamping)时的最大穿透深度。理论上该值越小越逼近真实，但该值过小会影响到ADAMS的数值收敛性，一般可采用ADAMS中推荐的取值0.01mm。注意，该值并不是最大穿透深度(阻尼达到最大值后，零件之间的相互穿透还可以继续)。在定义接触时，摩擦力的定义对接触力的仿真结果有很大影响，定义摩擦力可以使接触力曲线更平滑，更趋近真实。接触力中的摩擦力是接触正压力和摩擦系数的乘积。Adams为接触使用了一种基于速度的摩擦模型，即库伦摩擦(Coulomb)。根据两接触物体的相对滑移速度的不同，摩擦在动摩擦与静摩擦之间相互转换。摩擦系数随相对滑移速度的变化曲线如下图4所示。非线性摩擦系数模型公式如下式1-2所示。式中：是摩擦系数，是最大静摩擦系数，是动摩擦系数，v是相对滑移速度，是静摩擦转变速度，是动摩擦转变速度。在ADAMS中使用库伦摩擦需指定如下图5中所示的参数。•CoulombFriction:指定CONTACT中的摩擦模型为动摩擦，而不是静摩擦。•StaticCoefficient(MU_STATIC)，静摩擦系数，取值范围为20。当相对滑移速度小于时，为接触点指定摩擦系数。取值过大会引起积分困难。•DynamicCoefficient(MU_DYNAMIC)，动摩擦系数，取值范围为220。当相对滑移速度大于时，为接触点指定摩擦系数。取值过大会引起积分困难。•StictionTransitionVel.(STICTION_TRANSITION_VELOCITY)，静摩擦转换速度，取值范围为220，单位为mm/sec。用来在库伦摩擦模型中在接触点计算摩擦力。当接触点滑移速度减小时，ADAMS/SOLVER逐渐将摩擦系数从过渡到。当滑移速度等于指定的值时，有效摩擦系数是。注意：过小的会引起数值积分困难。指定该值的一般经验法则是＞5*ERROR。其中ERROR是积分器要求的精度，默认值是1E-3。FrictionTransitionVel.(FRICTION_TRANSITION_VELOCITY),动摩擦转换速度，取值范围为220，单位为mm/sec。用来在库伦摩擦模型中在接触点计算摩擦力。当接触点滑移速度增加时，ADAMS/SOLVER逐渐将摩擦系数从过渡到。当滑移速度等于指定的值时，有效摩擦系数是。注意：过小的会引起数值积分困难。指定该值的一般经验法则是＞5*ERROR。其中ERROR是积分器要求的精度，默认值是1E-3。对于大部分相对运动的实际零件，两者之间的摩擦在绝大多数情况下都是动摩擦。所以一定要保证动摩擦系数的准确性，静摩擦系数的准确性相对来说就不是那么重要了。静摩擦转变速度和动摩擦转变速度的值一般都很小，具体值的准确性也不是太重要。本节将以拉臂式垃圾车动力学分析为例来说明如何设置接触和摩擦参数。仿真该作业过程需要定义三个接触对。如图6所示，接触1为箱体滚轮与地面之间的接触（钢-混凝土），接触2为箱体纵梁与车架导向轮之间的接触（钢-尼龙），接触3为箱体吊环与拉臂钩之间的接触（钢-钢）。滚轮的材质为钢，路面为混凝土，挂钩为钢，纵梁导轮为尼龙，因此接触对1和接触对2为刚-柔接触，接触对3为刚-刚接触。根据上述分析，设定如下接触参数：为进一步说明各参数对接触效果的影响，下面分别对各参数进行调整，检查接触力的变化情况，并与原始结果进行比较。结果如下图7所示。图7-1为刚度k值增大3倍，最大接触力增加了约40%。图7-2为力指数n值增大2倍，最大接触力增加了约40%，并在初始阶段出现了振动。可看出，增大k和增大n有类似的效果。图7-3为最大阻尼系数Cmax值增大2倍，接触力振幅减小了约64%。可看出增大cmax可以使接触过程更加柔和。图7-4为全阻尼穿透深度值增大100倍，可看出，d值的变化并不会显著影响接触力。在不造成求解速度降低和收敛困难的前提下，该值越小越好。尽管已经充分了解了ADAMS接触和摩擦的算法，但包含接触和接触摩擦的实际模型在求解时仍然时常失败，下面给出处理此类问题的一般原则。•总是运用crawl-walk-run（爬-走-跑）方法。首先运行没有接触摩擦的模型，然后添加摩擦。•选择适当的积分器。三种常用积分器GSTIFF、WSTIFF和BDF计算的效率和稳定性各有不同，计算稳定性BDF>WSTIFF>GSTIFF，而计算效率GSTIFF>WSTIFF>BDF。GSTIFF是系统默认的积分器。•选择适当的积分格式。ADAMS提供了三种积分格式：I3、SI2和SI1。I3格式求解速度快但精度差；SI2格式可以避免Jacobian矩阵的病态，而且考虑了约束方程。虽然求解时间变长但求解精度高；SI1求解精度比SI2还高，但它计算量太大，一般不采用。推荐使用使用S12公式。该公式的修正器比标准的GSTIFF更稳定，并且也许能求解标准GSTIFF失败的问题。•选择适当的积分误差。积分误差决定了在求解动力学方程的过程中，某一步的预测值与校正值之间所能接受的差值。积分误差过大，计算容易进行，但最终结果会产生过大误差；积分误差过小，求解时间太长。一般来讲，积分误差设为0.001较为适宜。•选择适当的接触刚度。过大的接触刚度会引起Jacobian矩阵病态，过小的接触刚度又会造成相互穿透和结果误差过大。应当在开始时设定适当的接触刚度，然后逐渐增大该值直到结果误差满足要求或达到指定刚度值。•如果增加摩擦力引起了数字困难或者仿真减速，逐渐增大静摩擦转变速度和动摩擦转变速度。减小摩擦系数通常也会对积分器有所帮助。减小阻尼系数也能够减少接触延迟并能够帮助仿真。本文对ADAMS中接触和接触摩擦作用机制在理论上进行了详细说明和解释，并结合具体工程实际应用，给出了设置合理的接触和接触参数的方法。并在最后给出了提高带接触摩擦仿真计算收敛性的原则和方法。【相关文献】ADAMSOptimizationGuide[M].MSC.SoftwareCorporation,1994(11).H.M.LankaraniandP.E.Nikravesh,“ContinuousContactForceModelsforImpactAnalysisinMultibodySystems”,Nonlinear