一种刚柔耦合模型的参数化建模方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于机械工程领域，尤其是设及一种刚柔禪合模型的参数化建模方法。 技术背景
[0002] 刚柔禪合系统动力学是指当多体系统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，并且考虑刚柔禪合效应的柔性多体系统动力学，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禪合，W及该种禪合导致的动力学 效应。随着国民经济和国防技术的发展，对于很多工程问题，单纯的多刚体系统模型与实际 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 禪合作用，因此，对刚柔禪合系统动力学建模研究具有重要意义。近年来，有不少学者对刚 柔禪合建模方法进行了研究，并取得了相应的进展，但很少设及柔性体的参数化建模及刚 柔禪合系统的参数化建模。王毅等（王毅，吴立信，刘更.机械系统的刚-柔禪合模型建 模方法研究[J].系统仿真学报，2007,，19(20). 4708-4710)采用虚实混合建模的方法，使 用机械系统S维造型软件、有限元分析软件W及多体系统动力学仿真软件建立了曲柄滑块 机构刚-柔禪合虚拟样机模型，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W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。W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禪合自动建模。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；⑨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W，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 对刚柔禪合的动力学模型进行修改，操作不便，效率低下，难W满足工程实际需求。因此，提 出一种刚柔禪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】
[0003] 本发明旨在解决现在有技术中无法高效、精确的建立刚柔禪合动力学仿真模型， 提出的一种刚柔禪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 柔禪合动力学模型，并应用于仿真分析。
[0004] 本发明采用如下技术方案；
[0005] 一种刚柔禪合模型的参数化建模方法，包括W下步骤：
[0006] (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；
[0007] (2)建立多体系统中柔性体建模的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；
[000引 做基于MTLAB平台，构建刚柔禪合系统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AP化宏文件； 柔性部件几何形状、物理属性参数及刚柔禪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。
[0009] (4)在刚柔禪合系统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AP化宏 文件进行读取、修改与更新；
[0010] (5)在刚柔禪合系统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AP化宏文件，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；
[0011] (6)在刚柔禪合系统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，自动生成包含刚柔禪合动 力学仿真模型的命令文件；，
[0012] (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 柔禪合模型的仿真结果；
[0013] (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化），若不需要进行参数修改，则 输出仿真结果并保存数据文件。
[0014] 进一步，自动生成柔性体模态中性文件的步骤包括：
[00巧]步骤一：后台启动有限元分析软件ANSYS;
[0016] 步骤二；根据实际需求，将AP化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；
[0017] 步骤立鹿义单元类型、材料属性、划分网格，建立柔性部件的有限元模型；
[001引步骤四鹿义外连点，捜索并建立刚性区域；
[0019] 步骤五；设置输出单化进行模态分析，导出模态中性文件，退出ANSYS。
[0020] 进一步，自动生成刚柔禪合动力学仿真模型的步骤包括：
[0021] 步骤一；读取刚体模型的命令文件；
[0022] 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；
[0023] 步骤对柔性体施加包括固定副、移动副、旋转副的约束、驱动；
[0024] 步骤四：保存为包含刚柔禪合动力学仿真模型的命令文件，W便ADAMS加载刚柔 禪合虚拟样机模型。
[0025] 进一步地，所述步骤化）中的刚性体形状位置、质量惯量、仿真控制参数包括刚性 体质屯、位置、转动惯量、仿真时间及步长。
[0026] 进一步地，所述的命令文件为cmd命令文件，AP化宏文件为.mac文件，模态中性 文件为.mnf文件。
[0027] W上技术方案具有W下优点：应用本发明的刚柔禪合模型的参数化建模方法对多 体系统进行刚柔禪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，W及刚柔禪合模型的自动创建，整个过程无需人工干预，解决 了工程实际中柔性体难W参数化的问题，提高了建模效率，具有很好的工程应用价值。
[002引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W及数据文件 的读取与写入，W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禪 合动力学仿真模型提供了一种科学高效的解决方式。
[0029] 本发明的刚柔禪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 某型刚柔禪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，并为复杂机械系统的设计优化提供了自动、高效而可靠的解决方案。
【附图说明】：
[0030] 图1是本发明一种刚柔禪合模型的参数化建模方法的流程图；
[0031] 图2是本发明中自动生成柔性体模态中性文件的流程图；
[0032] 图3是本发明中自动生成刚柔禪合动力学仿真模型的流程图；
[0033] 图4是本发明实施例的某型载货汽车刚体动力学模型图；
[0034] 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；
[0035] 图6是本发明实施例的柔性车架模型图；
[0036] 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禪合动力学模型图；
[0037] 图8是本发明实施的某型刚柔禪合载货汽车座椅加速度均方根值曲线图；
[003引图9是本发明实施的速度为lOOKm/h的B级路面激励曲线图。
[0039] 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】：
[0040] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，W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。
[0041] 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W下步骤：
[0042] (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；
[0043] (2)建立多体系统中柔性体建模的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；
[0044] (3)基于MATLAB平台，构建刚柔禪合系统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AP化宏文件； 柔性部件几何形状、物理属性参数及刚柔禪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。
[0045] (4)刚柔禪合系统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AP化宏文件进行读 取、修改与更新；
[0046] (5)在刚柔禪合系统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AP化宏文件，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；
[0047] 做刚柔禪合系统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 审惨数，如刚性体质屯、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，自动生成包含刚柔禪合动力学仿真模型的命令文件；
[0048] (7)启动ADAMS,导入命令文件，加载虚拟样