刚柔耦合系统的车铣加工中心
研究者采用虚拟样机对产品分析时，绝大多数都是对多刚体系统 进行分析，所获得的仿真结果是一种理想预测状态。为了提高对车铣加工中心的仿真准确度，更接近于实际情况，将有限元方法和虚拟样机相结合，对车铣加工中心的关键部件进行有限元分析，产生柔性体，与 机床其他部件形成刚柔耦合系统，然后在虚拟样机模型上进行车铣加工中心的运动学特性和动力学特性分析。因此为了获得更准确的仿真结果，对车铣加工中心建立基于多柔体系统的虚拟样机模塑是非常必要的。
adams是机械系统动力学仿真软件，主要用于刚体动力学分析，可用于研究整个机械系统的工作性能，在设计的早期阶段通过虚拟样 机进行仿真分析。其中adams/flex模块是基于craig - bamplom方 法的，其基本思想是：首先按照工程的观点或结构的几何轮廓，遵循 某些原则（主要是便于计算或试验），把完整的大型复杂结构抽象为 若干个子结构。然后对自由度大大减少的各个子结构进行模态分 析，保留其主要模态信息，略去高阶模态以达到缩减自由度的目的。 接着根据各子结构交界面的位移协调条件，将其组装成自由度大大 缩减的总体系统方程。求解此方程可获得系统的固有频率和模态坐 标下的主振型。后，进行坐标变换求得用物理坐标表达的解，就可 以得出位移、速度、加速度及应力应变等动态信息。这种方法将柔性 体看做是有限元模型的节点的集合，其变形视为模态振型的线性叠加， 相对于整体坐标系有小的线性变形，而此局部坐标系做大的非线性整 体平动和转动，每个节点的线性局部运动近似为振型或振型向量的线 性叠加。
ansys是世界上有较大影响的有限元分析（fea)软件之一。主 要采用图形用户接口（gui)方式进行交互式操作，从建模、单元划分、 加载、求解，到输出结果的全过程都可以在一个平台上完成。由于大多数实际问题难以得到精确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适用于 各种复杂的形状，因此成为行之有效的工程分析手段。因此，我们根据 adams和ansys各自的功能特点，将两者优点相结合实现机械系统 的多柔体动力学分析。adams中的adams/flex模块，其中一种须借 助有限元软件获取构件的模态，因此我们利用ansys进行有限元分 析，提取柔性体的模态，并将结果转换成adams可以识别的模态中性文件，然后导入到adams进行动力学分析，多柔体系统协同建模仿真的流程图。
1.adams中柔性体的建立
在adams中建立柔性体有两种方法[36’135]:—种是自动柔性化 法，另一种是引人模态中性文件法。
(1)自动柔性化法。adams提供两种自动柔性件生成方法，对于外形简单的构件，可以采用直接生成柔性件的方法，即拉伸模式(extrusion);对于外形复杂的构件，可以采用先建刚性件，再进行网格 划分的模式，即构件网格模式（solid)。模型生成柔性件的同时生成模 态中性文件，该模态中性文件中包含了柔性件的质量、质心、转动惯量、 频率、振型以及对载荷的参数因子等信息。将模型中原有的刚体件上 的运动副添加到柔性件上，使柔性件与模型上的其他构件连接起来，同 时删除无效的刚性件，这样可以使模型保持原有的自由度，从而实现柔 性构件的运动仿真。
(2)引入模态中性文件法。adams可以使用任何有限元模型作 为adams/flex中的柔性体，如ansys、abaqus等有限元分析软件生 成的模型，而ansys可以直接生成mnf(模态中性文件），不会产生中 间数据文件，这样就可以将产生的模态中性文件直接导入到adams 中。在模态中性文件导入以后，adams/flex会将柔性体放在整体惯 性坐标系的原点上，并且与模型中其他零件没有任何关系。接下来要 在柔性体与零件之间施加约束、作用力，施加约束、作用力，有时要通过 使用无质董（或者质m非常小）连接物体来间接施加。
2.模态中性文件的生成
多柔体系统的创建原则是对于细长的刚度小的构件生成柔性体部件，而对于刚性较大的零部件则采用刚性体模型。所以本文分析的多 柔体动力学模型，只将车削主轴和铣刀主轴进行了柔性化处理，其余 部件则为刚性体。由于ansys对有限元分析具有强大功能，因此采 用它建立模态中性文件。在adams创建完车铣加工中心的多体系统 模型后，需要对其车削主轴和铣刀主轴在有限元软件ansys中进行有 限单元的离散化处理，以便生成模态中性文件。在ansys软件中有两 种方式建立模型:①在ansys软件中直接建立三维模型，缺点建模繁 琐;②从三维建模软件中以中性文件导入ansys中，优点是建模容易， 尤其分析复杂部件，更适用于该方法。本文采用第二种方法，在建模过 程中忽略一些次要的细节（如倒角简化成直角，润滑油孔、工艺孔、螺纹孔等均按实体处理），简化主轴模型。首先在三维实体软件中将车 44 铣加工中心零件单独输出成parasolid模型中性文件，ansys通过 接口渎入该中性文件，在ansys中完成单元、实常数、材料等内容的定 义，然后划分单元网格，如图2. 7(a)所示为铣刀主轴的有限元模塑。 然后定义外部节点，在输出mnf中性文件之前，必须进行质量、载荷等 检验操作，以保证文件中所包含的数据的可靠性。在ansys中生成起 柔性体的模态中性文件具体过程如下:
(1)选择单元类型：单元类型的选取是十分重要的环节，因为它在 很大程度上影响分析的速度和精度。对于车削主轴和铣刀主轴这样的 三维实体模型，选用可以很好地适应各种复杂的边界条件、具有较高的 求解精度的四面体单元s〇lid92,它是一种高阶单元，适于较复杂的实 体模型。
(2)定义材料属性:车削主轴和铣刀主轴的材料采用钢，是经调质后具有良好的综合力学性能。通过查表，定义车削主轴和铣刀主轴材 料弹性模量为207gmpa,泊松比为0.29,密度为7802kg/m3。
(3)定义硬点：硬点是一种特殊的关键点，其主要作用是施加载荷 或从模型的线和面上的任意点获得数据。在主轴实体模型上定义3个 硬点，分别是主轴与两个轴承接触处以及与刀具接触的地方。
(4)划分网格单元：由于主轴的结构较为复杂，不适于映射网格划 分，因而采用自由网格划分中的智能网格进行划分。由于s〇lid92单元 本身具有较高的精度，因而对主轴采用16级智能网格划分，即可保证 足够的精度。网格划分完毕后，生成的柔性铣刀主轴的有限元模型如 图2.7(a)所示。
(5)添加约束和求解：在ansys中不对模型添加约束，将生成自 由悬浮子结构，所以在ansys中进行模态分析之前需要选取与刚体的 对接点即上文中所定义的硬点，添加固定约束，然后进行求解。
(6)输出模态中性文件:ansys中模态分析求解完毕后，就可以 生成模态中性文件了。在生成模态中性文件时，应注意单位与adams 中的统一，选取合适的界面点以及提取适合的模态数等问题。
为了与adams中单位统一方便，选取单位制si;选取前文定义的硬点为界面点，如图2. 7(b)所示这种方式结合面为刚性接触；另 外一种方式在图2. 7(a)的弹簧一阻尼单元外围增加硬点，刚度和阻尼 取值可参考主轴分析结果。至此模态文件建立完毕，它是建立柔性体 动力学模型所必须的数据文件，包含模型几何信息、节点质量和惯量、 节点形状、模态的广义质量和刚度内容。
在adams中嵌入adams/flex模块，通过此模块下的flexbodyto- rigid对话框，将柔性体模型导入到adams中替换原来的刚性体，就得到了车铣加工中心的多柔体的仿真模型，然后通过模型检查，没有错误信息就可用多柔体动力学分析。图2. 8所示为导人模态中性文件后的 车铣加工中心的多柔体系统模型。通过模态中性文件将柔性体模型导 入adams中，与车铣加工中心的其他部件形成刚柔耦合系统。部件 转化柔性体越多越接近于实际情况，由于计算机性能和转化时间等w 素只能将关键部件转化为柔性体。图2. 8(a)表示在运动过程中（外套 隐藏）主轴杆件柔性体颜色的变化，代表应力变化大小，从而可以确定 薄弱环节，刀具和主轴杆接触处以及轴承处的所受的应力都比较大;而 从图2. 8(b)主轴外套可以看出所受到应力不大；图2. 8(c)是将主轴 部件、动力刀架、铣刀等转化成柔体。这种方法不仅可以提高机床的仿 真精度，而且更接近于物理样机。在样机试制前对设计中可能出现的 问题做出精确的预测和改进，以保证设计方案的可行性，缩短产品的研 制周期和降低成本。
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ansys是世界上有较大影响的有限元分析（fea)软件之一。主 要采用图形用户接口（gui)方式进行交互式操作，从建模、单元划分、 加载、求解，到输出结果的全过程都可以在一个平台上完成。由于大多数实际问题难以得到精确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适用于 各种复杂的形状，因此成为行之有效的工程分析手段。因此，我们根据 adams和ansys各自的功能特点，将两者优点相结合实现机械系统 的多柔体动力学分析。adams中的adams/flex模块，其中一种须借 助有限元软件获取构件的模态，因此我们利用ansys进行有限元分 析，提取柔性体的模态，并将结果转换成adams可以识别的模态中性文件，然后导入到adams进行动力学分析，多柔体系统协同建模仿真的流程图。
1.adams中柔性体的建立
在adams中建立柔性体有两种方法[36’135]:—种是自动柔性化 法，另一种是引人模态中性文件法。
(1)自动柔性化法。adams提供两种自动柔性件生成方法，对于外形简单的构件，可以采用直接生成柔性件的方法，即拉伸模式(extrusion);对于外形复杂的构件，可以采用先建刚性件，再进行网格 划分的模式，即构件网格模式（solid)。模型生成柔性件的同时生成模 态中性文件，该模态中性文件中包含了柔性件的质量、质心、转动惯量、 频率、振型以及对载荷的参数因子等信息。将模型中原有的刚体件上 的运动副添加到柔性件上，使柔性件与模型上的其他构件连接起来，同 时删除无效的刚性件，这样可以使模型保持原有的自由度，从而实现柔 性构件的运动仿真。
(2)引入模态中性文件法。adams可以使用任何有限元模型作 为adams/flex中的柔性体，如ansys、abaqus等有限元分析软件生 成的模型，而ansys可以直接生成mnf(模态中性文件），不会产生中 间数据文件，这样就可以将产生的模态中性文件直接导入到adams 中。在模态中性文件导入以后，adams/flex会将柔性体放在整体惯 性坐标系的原点上，并且与模型中其他零件没有任何关系。接下来要 在柔性体与零件之间施加约束、作用力，施加约束、作用力，有时要通过 使用无质董（或者质m非常小）连接物体来间接施加。
2.模态中性文件的生成
多柔体系统的创建原则是对于细长的刚度小的构件生成柔性体部件，而对于刚性较大的零部件则采用刚性体模型。所以本文分析的多 柔体动力学模型，只将车削主轴和铣刀主轴进行了柔性化处理，其余 部件则为刚性体。由于ansys对有限元分析具有强大功能，因此采 用它建立模态中性文件。在adams创建完车铣加工中心的多体系统 模型后，需要对其车削主轴和铣刀主轴在有限元软件ansys中进行有 限单元的离散化处理，以便生成模态中性文件。在ansys软件中有两 种方式建立模型:①在ansys软件中直接建立三维模型，缺点建模繁 琐;②从三维建模软件中以中性文件导入ansys中，优点是建模容易， 尤其分析复杂部件，更适用于该方法。本文采用第二种方法，在建模过 程中忽略一些次要的细节（如倒角简化成直角，润滑油孔、工艺孔、螺纹孔等均按实体处理），简化主轴模型。首先在三维实体软件中将车 44 铣加工中心零件单独输出成parasolid模型中性文件，ansys通过 接口渎入该中性文件，在ansys中完成单元、实常数、材料等内容的定 义，然后划分单元网格，如图2. 7(a)所示为铣刀主轴的有限元模塑。 然后定义外部节点，在输出mnf中性文件之前，必须进行质量、载荷等 检验操作，以保证文件中所包含的数据的可靠性。在ansys中生成起 柔性体的模态中性文件具体过程如下:
(1)选择单元类型：单元类型的选取是十分重要的环节，因为它在 很大程度上影响分析的速度和精度。对于车削主轴和铣刀主轴这样的 三维实体模型，选用可以很好地适应各种复杂的边界条件、具有较高的 求解精度的四面体单元s〇lid92,它是一种高阶单元，适于较复杂的实 体模型。
(2)定义材料属性:车削主轴和铣刀主轴的材料采用钢，是经调质后具有良好的综合力学性能。通过查表，定义车削主轴和铣刀主轴材 料弹性模量为207gmpa,泊松比为0.29,密度为7802kg/m3。
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(4)划分网格单元：由于主轴的结构较为复杂，不适于映射网格划 分，因而采用自由网格划分中的智能网格进行划分。由于s〇lid92单元 本身具有较高的精度，因而对主轴采用16级智能网格划分，即可保证 足够的精度。网格划分完毕后，生成的柔性铣刀主轴的有限元模型如 图2.7(a)所示。
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