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西安建筑科技大学硕士论文 基于虚拟样机技术的轧辊系动力学仿真 专业：机械电子工程 硕士生：潘虹 指导教师：原思聪教授 摘要 外螺纹钢管轧机是生产精轧外螺纹钢管的关键设备，深入研究其轧辊系，对促 进新型锚固技术的快速发展，实现自钻注浆式外螺纹锚杆的国产化，具有重要意义。 本文在分析轧辊系工作原理的基础上，采用基于虚拟样机技术及相关软件平 台，建立了三辊外螺纹轧机辊系的三维数字化样机，并对其进行了较为系统的多 体系统动力学仿真分析和研究。论文的主要工作包括： 分析了螺旋孔型斜轧的成形特点、成形过程以及斜轧的运动原理，并根据轧 辊系的真实结构简化出适合动力学仿真的物理模型。 应用三维实体造型软件s o l i d w o r k s ，建立了轧辊系的三维实体模型，并将其 导入a d a m s 软件。 在a d a m s 软件平台上，综合考虑摩擦力、轧制力等因素对轧辊系性能的影 响，对轧辊系各个部件施加约束和力，建立轧辊系虚拟样机，进行多刚体系统动 力学三维可视化仿真，得到了整个车l c j j 过程中轧辊受力的变化情况及受力最大时 刻轧辊的情况。然后，利用a n s y s 对该时刻的轧辊受力进行有限元分析，得出 轧辊在受力最大时刻的应力分布及变形情况。 最后，通过使用a d a m s a u t o f l e x 模块和a n s y s a d a m s 接口两种方法分 别将钢管和轧辊柔性化，建立轧辊系的刚柔耦合虚拟样机，并在a d a m s 中进行 刚柔耦合系统的轧制过程变形分析与仿真 本文的研究，为轧制系统的设计提供了较重要的参考依据。此外，本文综合 利用三维设计软件( s o l i d w o r k s ) 、多体系统动力学仿真分析软件( a d a m s ) 及 有限元分析软件( a n s y s ) 解决问题的思想和方法对类似研究具有一定借鉴意义 关键词： 论文类型： 虚拟样机技术轧辊系 a d a m sa n s y ss o l i d w o r k s 动力学特 性多刚体系统动力学刚柔耦合 应用研究 西安建筑科技大学硕士论文 t h e d y n a m i c ss i m u l a t i o no ft h er o l l e rs y s t e mb a s e do nt h e v i r t u a lp r o t o t y p i n gt e c h n o l o g y s p e c i a l t y ： m e e h a t r o n i c se n g i n e e r i n g p o s t g r a d u a t e ：p a nh o n g i n s t r u c t o r ：p r o f y u a ns i c o n g a b s t r a c t e x t e m a ls c r e ws t e e lt u b er o l l i n gi st h ek e ye q u i p m e n tt om a n u f a c t u r ef i n i s h r o l l i n ge x t e r n a ls c r e ws t e e lt u b e d e e p l ys t u d y i n ge x t e r n a ls c r e ws t e e lt u b er o i l i n g h a v ei m p o r t a n ts i g n i f i c a n c e ，t oa c c e l e r a t en e w s t y l e t e c h n i q u eo fa n c h o rq u i c k d e v e l o p m e n ta n dc a r r yo u th o m e - m a d e i z a t i o no fs e l f - b o r i n gg r o u t e dr o c ke x t e r n a l s c r e wb o l t b ya n a l y z i n gt h eo p e r a t i o np r i n c i p l eo f t h er o l l e rs y s t e m ，a n db a s e do nt h ev i r t u a l p r o t o t y p i n gt e c h n o l o g y a n di t sr e l a t e ds o f t w a r e ，t h et h r e ed i m e n s i o n a ld i g i t a l p r o t o t y p i n go fr o l l e rs y s t e mi so b t a i n e d s y s t e m i cm u l t i b o d ys y s t e md y n a m i c s s i m u l a t i o na n a l y s i sa n ds t u d yi sc a r r i e do u tb a s e do nt h em o d e l t h em a i nw o r ko ft h i s p a p e ri s 船f o l l o w s ： f i r s t l y , t h ew o r l d w i d er e s e a r c ha c t i v i t i e so ft h er o l l e rs y s t e ma r er e v i e w e d ，a n d t h ef u n d a m e n t a lp r i n c i p l ea n dc o o p e r a t i n gp r o c e s so ft h es y s t e ma r ei n t r o d u c e d t h e n ，t h er o l l e rs y s t e mi ss i m p l i f i e da sap h y s i c a lm o d e lw h i c ha d a p t st oc a r r yo u t d y n a m i c ss i m u l a t i o n s e e o n d l y , a3 - d i m e n s i o n a ld i g i t a lm o d e li se s t a b l i s h e db yt h ec a ds o f t w a r e ， s o l i d w o r k s t h eb e s tf i l et r a n s f e rp r o t o c o lb e t w e e ns o l i d w o r k sa n da d a m si sf o u n d ， a n dt h em o d e lo ft h er o l l e rs y s t e mi ss u c c e s s f u l l yi m p o r t e dt oa d a m ss o f t w a r e t h i r d l y , a tt h ep l a t f o r mo f a d a m s ，t h ev i r t u a lp r o t o t y p eo f t h em o d e li sf o u n d e d ， b yu s i n gt h et o o l b o xo fa d a m st oa p p l yc o n s t r a i n sa n df o r c e st ot h ep a r t so ft h e m o d e l u s i n gt h ev i r t u a lp r o t o t y p e ，d y n a m i cs i m u l a t i o n so f t h em u f t i - r i g i d b o d yr o l l e r s y s t e ma r ec a r r i e do u t ，a n dt h ec h a n g ep r o c e s so ft h el o a do nt h er o l l e rd u r i n gt h e w h o l er o l l i n gp r o c e s sa n dt h el o a da tt h em a x i m a lf o r c em o m e n ti so b t a i n e d t h e n , t h e c l o u df i g u r e so f t h es t r e s sa n dd e f o r m a t i o no f t h en o d e s ，a n dd e f o r m a t i o nc t u w c so f t h e r o l l e rs y s t e ma r eo b t a i n e dw h e nt h er o l l e rs y s t e mi su n d e rs t a t i cm a x i m a ll o a du s i n g a n s y s t h em a x i m a ld e f o r m a t i o nz o n eo fr o l l e rs y s t e mi sf o u n d 1 1 西安建筑科技大学硕士论文 f i n a l l y , b yu s i n g t w o m e t h o d s ，t h ea d a m s a u t o f l e xm o d u l ea n dt h e a n s y s a d a m si n t e r f a c e ，t w or i g i d f l e x i b l ec o u p l e dv i r t u a lp r o t o t y p e so ft h er o l l e r s y s t e ma r ee s t a b l i s h e dw h e nt h ef l e x i b l es t e e it u b ea n dt h ef l e x i b l er o l l e ra r et a k e n i n t o a c c o u n t ，a n d t h e r o l l i n gp r o c e s sd i s t o r t i o na n a l y s i sa n ds i m u l a t i o no ft h e r i g i d f l e x i b l ec o u p l e dv i r t u a lp r o t o t y p ei sc a r d e do u ti na d a m s t h er e s e a r c hi nt h i sp a p e rp r o v i d e ss o m ev a l u a b l ec o n c l u s i o n sa n ds i m u l a t i o n a p p r o a c hf o rt h ed e s i g na n de x p e r i m e n to ft h er o l l e rs y s t e m b e s i d e s ，t h ei d e aa n dt h e m e t h o du s e db yt h ep a p e r , w h i c hs y n t h e t i c a l l ym a k eu s eo ft h r e e - d i m e n s i o nd e s i g n s o f t w a r e ( s o l i d w o r k s ) 、m u l t i b o d yd y n a m i c ss i m u l a t i o na n a l y s i ss o f t w a r e ( a d a m s ) a n df i n i t e e l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r e ( a n s y s ) t os o l v ep r o b l e m c a l lu s ef o rr e f e r e n c e t os i m i l a rs t l l d y k e y w o r d s ：v i r t u a lp r o t o t y p et e c h n o l o g y , r o l l e rs y s t e m ，a d a m s ，a n s y s ，s o l i d w o r k s ， t h er o l l e r s y s t e m ，d y n a m i cb e h a v i o r , m u l t i - r i g i d b o d yd y n a m i c s ， r i g i d f l e x i b l ec o u p l e d t h e s i st y p e ：a p p l i c a t i o nf o u n d a t i o n m 声明 y9 7 0 6 5 8 木人郑重声明我所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究二厂作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含木人或其他人在其它单位已申请 学位或为其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的所有贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了致谢。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：灞帆 日期：& 肋6 6 坫 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安建筑科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 内容和部分内容，可以采用影印、缩印或者其它复制手段保存论文。 ( 保密的论文在论文解密后应遵守此规定) 论文作者签名 灞密2 注：请将此页附在论文首页。 一：弦甲吼泖柚一 西安建筑科技大学硕士论文 1 绪论 1 1 课题来源、研究的目的意义 在工程施工中普遍存在着软弱围岩、断层破碎带、高地应力大变形、高承压 水地层以及流砂等复杂地质条件，给岩土锚固施工带来了极大困难。例如在高承 压水地层，若没有可靠的止水技术，锚杆钻孔施工就可能造成涌水、涌砂现象， 造成地表塌陷等严重后果；在软弱、破碎围岩地质条件下进行隧道施工，需要特 长锚杆或超前支护，此时普通锚杆便无法满足施工要求而采用自钻注浆式外螺 纹锚杆进行岩土锚固则是解决此类施工难题的关键技术。该锚杆( 如图1 1 所示) 通过将钻孔、注浆和锚固等功能一体化，使其本身既是钻杆又是预应力锚杆的受 力体和注浆管。在复杂地层钻孔时，外螺纹锚杆不用拔出，其锚固段钻有注浆孔， 利用密封橡胶套的作用，外部水、砂不会进入钻杆内部，因此注浆不受塌陷和地 层水砂的影响。使用自钻注浆式外螺纹锚杆进行岩土锚固施工，可以省去锚杆制 作、下锚杆、拔套管等诸多工序，不仅降低了施工成本，而且提高了施工质量1 1 1 1 2 。 1 螺帽2 杆体连接件3 止浆塞4 全长外螺纹杆体5 钻头6 垫板 图1 1 自钻注浆式外螺纹锚杆 国内对自钻注浆式外螺纹锚杆锚固技术的应用开始于上世纪9 0 年代中期，所 使用的外螺纹锚杆主要是引进国外的轧制成品锚杆，由于其价格较高，因而严重 影响了自钻注浆式外螺纹锚杆锚固技术在国内的应用与发展。为了促进这种新型 锚固技术的快速发展，实现自钻注浆式外螺纹锚杆的国产化，就显得十分必要与 迫切。 外螺纹锚杆组件中的全长外螺纹杆体( 如图1 1 所示) ，是一种高强度的精轧 外螺纹钢管，它是外螺纹锚杆中最重要的组件，而自钻注浆式外螺纹锚杆国产化 西安建筑科技大学硕士论文 的关键就是研制性能优异的精轧外螺纹钢管生产设备一一外螺纹钢管轧机。而轧 制系是外螺纹斜轧机的重要组成部分，车l * l j 系结构设计的合理与否将直接影响到 外螺纹斜轧机工作质量、生产效率和外螺纹钢管的质量。因此，对轧制系结构的 研究与优化是外螺纹斜轧技术研究的关键。特别是研究轧辊在不同轧制条件、不 同轧制阶段的轧制接触面形状、大小，和应力、应变的情况，探索外螺纹斜轧过 程中轧辊系的应力、应变规律，从而指导外螺纹斜轧机的优化设计，对提高外螺 纹斜轧机的设计水平，改善轧机性能，延长重要零部件的使用寿命，降低精轧外 螺纹钢管的生产成本，具有重要意义 1 2 国内外研究现状及分析 由于国外对全长外螺纹锚杆、钻杆锚固技术的使用开始较早，因而全长外螺 纹锚杆、钻杆以及外螺纹轧机的设计、开发和使用也比较成熟，生产配套设施也 比较完善，其中有代表性且技术比较先进的有：奥地利迈式自进式全长外螺纹锚 杆，美国英格索兰公司的s p i - r a l 全长外螺纹钻杆，日本o k a b c 全长外螺纹钻杆 等。国外的全长外螺纹锚杆、钻杆的生产设备外螺纹斜轧机，大多采用液压 传动系统，具有定位准确、精度高、寿命长等优点。 国内对于外螺纹斜轧机的研究，大约开始于自钻注浆式外螺纹锚管在一些岩 土预应力锚固施工中的初步使用之后。在轧制系分析方面，比较有代表性的是北 京科技大学回转成形研究所，他们应用传统的金属变形理论，并结合实际的回转 成形实验，采用滑移线法，对外螺纹斜轧的轧件金属变形过程进行分析，估计出 了接触面单位压力等力能参数的取值范围，验证了在外螺纹斜轧机设计中，使用 普兰德法等传统设计公式进行功率计算，传动系统设计的常规内容是可行性的。 刘宏民用条元法对三维轧制中的理论问题，特别是板带轧制进行了深入研究，但 未涉及外螺纹钢管轧制 到目前为止，国内对外螺纹钢管轧制的研究，大多采用经验与实验的常规方 式，无法给出轧件金属变形过程中轧辊系受力区的应力、应变的确切值，以及相 应的设计参数对轧辊系的应力、应变值的影响规律等重要内容，而这些内容正是 深入了解轧件金属变形过程、轧辊系受力状态，全面提高外螺纹斜轧机设计水平， 优化轧机性能的关键。 本课题通过采用计算机仿真、模拟等新的研究方法和手段，对外螺纹斜轧技 术进行进一步的研究，探索斜轧过程中轧辊系的应力、应变规律，进而指导外螺 2 西安建筑科技大学硕士论文 纹斜轧机的优化设计，改善轧机性能；另外，将这些新的研究方法和设计手段引 入外螺纹斜轧的研究领域，提高设计和制造水平。 本文拟采用三维建模、虚拟装配、数值分析及计算机仿真等新的研究方法和 手段，对外螺纹斜轧技术进行深入研究。研究将具有以下三个方面的重要意义： ( 1 ) 实现高性能自钻注浆式外螺纹锚杆的国产化，替代进口产品，降低新技术 应用所造成的岩土锚固施工成本的增加，促进自钻注浆式外螺纹锚杆锚固技术的 推广使用，提高岩土锚固施工的质量。 ( 2 ) 探索外螺纹斜轧过程中轧辊系的应力、应变规律，进而指导外螺纹斜轧机 的优化设计，从而提高外螺纹斜轧机的设计水平，改善轧机性能，延长重要零部 件的使用寿命，降低精轧外螺纹钢管的生产成本等。 ( 3 ) 将计算机仿真、模拟与计算机辅助设计等新的研究方法和设计手段引入外 螺纹斜轧的研究领域，改变传统研究方法和设计手段不能适应其发展要求的现状。 1 3 虚拟样机及其相关技术介绍 1 3 1 虚拟样机技术的产生背景3 】【4 】 随着2 1 世纪世界经济和科学技术的飞速发展，市场竞争已由区域竞争扩大到 全球化的竞争，并日益激烈。产品消费结构不断向多元化、个性化方向发展。面 对变化莫测的市场需求，企业为了提高自身的竞争能力，必须尽快改变生产品种， 更新产品设计，缩短新产品的研发周期，提高产品的设计质量，降低产品的研发 成本，进行创新性设计，以便对多变的市场需求做出快速敏捷的响应，在市场竞 争中获得相当的市场份额和利润。 近代科学技术、工程设计的理论、方法和手段都在适应这种要求。特别是近 3 0 年来，工程设计手段的先进与否、数字化程度的高低，在很大程度上决定了产 品设计开发的周期、质量和成本。c a d 技术是计算机应用于工程设计中最早和最 成功的典范，它的出现和广泛使用，将设计人员从费时、重复、繁琐的手工绘图 方式中解放出来，不但提高了工程图纸的质量和绘制速度，而且能在设计完成前 由计算机预先显示产品最终的外形结构以供估价，更重要的是为设计人员将更多 的时间和精力用于创造性的工作提供了条件，并为社会带来了巨大的效益。f e a ( 有限元) 技术在工程设计过程中的应用，再次极大地改进了产品的设计手段， 可以帮助设计人员分析机械系统零部件的结构强度、刚度，以及热特性和动态特 性，并进一步推动了c a d 技术在各行业的应用。 3 西安建筑科技大学硕士论文 计算机技术的应用，让人们逐渐认识到这样一个事实：即使机械系统中的每 个零部件都是经过优化的，也不能保证整个系统的性能是良好的，即系统级的优 化绝不是系统中各部件优化的叠加，而是由各部件组成的整机系统性能优化。虚 拟样机技术就是在这种迫切需要的驱动下产生的。机械系统虚拟样机技术作为一 种应用于机械系统设计过程中的高新技术手段，是现阶段解决这类问题较为有效 的技术方案之一。 1 3 2 虚拟样机技术概述 虚拟样机技术( v i r t u a lp r o t o t y p et e c h n o l o g y ) 是当前设计制造领域的一门新 技术，涉及多体系统动力学、计算方法与软件工程等学科。它通过计算机软件建 立机械系统的三维实体模型和力学模型，分析和评估系统的性能，从而为物理样 机的设计和制造提供合理的参数依据【卯 虚拟样机技术又称为机械系统动态仿真技术，是国际上二十世纪八十年代随 着计算机技术的发展而迅速发展起来的一项计算机辅助工程( c a e ) 技术它是 一种崭新的产品开发方法，可以使产品设计人员在各种虚拟环境重复地模拟产品 的运动及受力情况，对于设计中的缺陷和不足，利用软件可以很方便地做出修改， 快速分析多种设计方案，进行对物理样机而言难以进行或根本无法进行的实验， 直到获得系统级的优化设计方案。 同传统的基于物理样机的设计研发方法相比，虚拟样机设计方法具有以下特 点： ( 1 ) 具有全新的研发模式 传统的机械设计与制造，从概念设计开始经过方案论证、产品设计，直到制 造物理样机来验证设计如果通过物理样机实验发现缺陷，便进行修改设计，并 重复以上步骤，直至获得满意的产品为止。通过周而复始的设计一实验一设计的 过程，产品才能达到要求。这一过程是漫长的，也存在很多弊端。 而虚拟样机技术真正地实现了系统多角度的产品优化，它基于并行工程，使 产品在概念设计阶段就可以迅速地分析、比较多种设计方案，确定影响性能的敏 感参数，并通过可视化技术设计产品、预测产品在真实工况下的特征以及所具有 的响应，直至获得最优工作性能。 ( 2 ) 虚拟样机使产品的开发设计具有更低的研发成本、更短的研发周期、更高 的产品质量。 采用虚拟样机设计方法有助于摆脱对物理样机的依赖。通过计算机技术建立 4 西安建筑科技大学硕士论文 产品的数字化模型( 即虚拟样机) ，可以完成无数次物理样机无法进行的虚拟试验 ( 成本和时间条件不允许) ，从而无需制造及试验物理样机就可获得最优方案，因 此不但减少了物理样机的数量，而且缩短了研发周期、提高了产品质量。降低了 开发成本与风险。 该技术一出现，立即受到了极大重视，许多著名制造商纷纷将虚拟样机技术 引入各自的产品开发中，取得了良好的经济效益。目前，国际上已经出现基于虚 拟样机技术的商业软件。 1 3 3 虚拟样机技术的相关技术【6 l 机械系统的种类繁多，虚拟样机分析软件在进行机械系统运动学和动力学分 析时，需要融合其他相关技术。为了能充分发挥不同分析软件的特长，有时可能 希望虚拟样机软件可以支持其他机械系统计算机辅助工程( m c s e ) 软件，或者 反过来，虚拟样机的输入数据可以由其他的专用软件产生。图1 2 给出了虚拟样 机技术的相关技术的示意。 图1 2 虚拟样机及其相关技术 虚拟样机的开发和实施涉及以下技术： ( 1 ) 几何形体的计算机辅助设计( c a d ) 技术。用于机械系统的几何建模，或 者用来展现机械系统的仿真分析结果。 在几何建模中，模型主要是二维图形、三维线框和三维实体造型。几何建模 技术还包括不同格式的几何模型间的无损变换；几何模型的渲染技术，主要有表 面纹理修饰和光照技术；几何模型的操纵技术，涉及模型的立体显示、消隐、透 s 西安建筑科技大学硕士论文 明等。 ( 2 ) 有限元分析( f e a ) 技术。可以利用机械系统的运动学和动力学分析结果， 确定进行机械系统有限元分析所需要的外力和边界条件。或者利用有限元分析对 构件应力、应变和强度进行进一步的分析。 ( 3 ) 模拟各种各样的软件编程技术。虚拟样机软件运用开放式的软件编程技术 来模拟各种力和动力，例如：电动力、液压力动力、风力等等，以适应各种机械 系统的要求 ( 4 ) 利用实验装置的实验结果进行某些构件的建模。实验结果经过线性化处理 输入机械系统，成为机械系统模型的一个组成部分。 ( 5 ) 控制系统设计与分析技术。虚拟样机可以运用传统的和现代的控制理论， 进行机械系统的运动仿真分析。或者可以应用其他专用的控制系统分析软件，进 行机械系统和控制系统的联合分析。 ( 6 ) 优化分析技术。运用虚拟样机分析技术进行机械系统的优化设计和分析， 是一个重要的应用领域，通过优化设计，确定最佳设计机构和参数值，使机械系 统获得最佳的综合性能。 1 3 4 虚拟样机及其相关技术在轧辊系研究中的应用 虚拟样机技术在工程中的应用是通过界面友好、功能强大、性能稳定的商品 化虚拟样机软件实现的。 目前比较有影响的产品包括美国机械动力学公司一m d i 的a d a m s ，比利时 l m s 公司的d a d s ，德国航天局的s i m p a c h ，俄罗斯航天工业尖端技术e u l e r 以及韩国f u n e t i o n b a y 公司开发出的新一代动力学仿真软件r e c u r d y n 。 在虚拟样机领域最具领先地位的软件是m d i 的a d a m s ，它是建立在多体动 力学基础上大型机械系统自动动力学分析软件，由美国m d i 公司开发1 9 7 3 年 美国m i c h i g a n 大学的n o r l a n d e a e 和m a c h a c e 等人研制出第一版来，该软件不 断发展，专用模块逐渐丰富，功能日益强大【7 1 运用该软件可以非常方便的对虚 拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析。同时该软件还能实现虚拟样机相 关技术的各项功能。其中a d a m s s o l v e r 是a d a m s 强大的数学分析器，可以自 动求解机械系统的运动方程；a d a m s v i e w 可以完成几何建模、模型分析以及驱 动元件的建模；a d a m s ，f i e x 可以进行结构分析；a d a m s c o n t r o l s 可以进行控制 系统的设计；同时a d a m s 还能进行最优化设计。 从上面的分析可知运用a d a m s 软件可以非常方便地进行虚拟样机分析和设 6 西安建筑科技大学硕士论文 计。a d a m s 的功能虽然强大，但是它主要是进行机械系统的静力学、运动学和 动力学分析，相对而言其它方面功能较弱。如在几何建模、结构分析等方面 a d a m s 就不如那些专门进行这些方面的分析和设计的软件。因此，在本课题中， 考虑将a d a m s 跟这些软件联合仿真，强强联合，就能得到最精确的分析结果。 ( 1 ) 与c a d 软件的联合使用 如前所述，虚拟样机技术的实现要依赖于几何形体的计算机辅助设计( c a d ) 技术。a d a m s 虽然功能强大，但造型功能相对薄弱，难以用它创建具有复杂特 性的零件，但a d a m s 支持现在通用的集中图形标准i g e s ，s t e p 和p a r o s o l i d 等 等，通过a d a m s e x c h a n g e 模块可以输入其它c a d 软件生成的模块文件。 s o l i d w o r k s 为机械设计自动化软件，易学易用，使用这套简单易学的工具， 机械设计工程师能快速地按照其设计思想绘制草图，尝试运用各种特征与不同尺 寸，以及生成实体模型。 s o l i d w o r k s 同a d a m s 的数据交换原理如图1 3 所示。 图1 3a d a m s 同s o l i d w o r k s 的数据交换原理图 ( 2 ) 与有限元分析软件的联合使用 a d a m s 软件是著名的机械系统动力学仿真分析软件，分析对象主要是多刚 体。而轧制过程中轧件的变形过程相当复杂，要想探索轧辊系的应力、应变规律， 必须借助于专业的有限元分析软件。将a d a m s 与a n s y s 软件联合使用便可以 考虑轧辊系的弹性特性反之，a d a m s 的分析结果可为a n s y s 分析提供人工 难以确定的边界条件。 a n s y s 进行模态分析的同时，可生成供a d a m s 使用的柔性体模态中性文 件( 即m n f 文件) ，然后利用a d a m s 中的a d a m s f l e x 模块将此文件调入a d a m s 以生成模型中的柔性体，利用模态叠加法计算其在动力学仿真过程中的变形及连 接节点上的受力情况。这样在机械系统的动力学模型中就可以考虑零部件的弹性 特性，从而提高系统仿真的精度。 7 西安建筑科技大学硕士论文 反之，a d a m s 进行动力学分析时可生成a n s y s 软件使用的载荷文件( 即1 0 d 文件) ，利用此文件可向a n s y s 软件输出动力学仿真后的载荷谱和位移谱信息。 a n s y s 可直接调用此文件生成有限元分析中力的边界条件，以进行应力、应变以 及疲劳寿命的评估分析和研究，这样可得到基于精确动力学仿真结果的应力应变 分析结果，提高计算精度。 图1 4 简单描述了a d a m s 同a n s y s 联合使用步骤。 图1 4a d a m s 同a n s y s 联合使用步骤 1 4 论文主要研究内容 本论文的主要研究内容如下： 在分析螺旋孔型斜轧的成形特点、成形过程以及斜轧的运动原理，并根据轧 辊系的真实结构简化出适合动力学仿真的物理模型。 使用三维实体造型软件s o l i d w o r k s ，建立了轧辊系的三维实体模型，并找出 s o l i d w o r k s 软件与机械动力学仿真软件a d a m s 之间最合适的文件传输标准，将 轧辊系的三维实体模型顺利导入a d a m s 软件。 在a d a m s 软件平台上，对轧辊系各个部件施加约束和力，建立轧辊系虚拟 样机，进行了多刚体系统动力学三维可视化仿真。综合考虑了摩擦力、轧制力等 因素对轧辊系性能的影响。然后，利用a n s y s 对受力最大时刻的轧辊受力进行 有限元分析，得出轧辊在此最大时刻的应力分布及变形。 最后，通过使用a d a m s a u t o f i c x 模块和a n s y s a d a m s 接口两种方法分 别将钢管和轧辊柔性化，建立轧辊系的刚柔耦合虚拟样机，并在a d a m s 中进行 刚柔耦合系统的轧制过程的变形分析与仿真。 8 西安建筑科技大学硕士论文 2 机械系统仿真软件a d a m s 的理论基础 近年来，并行工程的概念在工程应用中日益受到广泛重视，按照并行工程概 念组织产品的设计到生产，可以实现优化的系统设计，而不是优化的零部件设计 机械系统仿真分析m s s ( m e c h a n i e a ls y s t e ms i m u l a t i o n ) 技术是将分散的零部件设 计和分析技术揉合在一起，以提供一个更全面的了解产品工作性能的方法，并通 过分析中的反馈信息指导设计，从而真正地实现并行工程设计要求。机械系统分 析软件a d a m s ( a u t o m a t i cd y n a m i ca n a l y s i so f m e c h a n i c a ls y s t e m ) 采用模拟样机 技术，将多体动力学的建模方法与大位移、非线性求解功能相结合，并提供与其 他c a e 软件如有限元分析软件a n s y s ，m s c n a s t r a n ，a b q u a s ，i d e a s 和控 制分析软件m a t r i x ，m a t l a b 等的集成模块扩展设计手段。目前a d a m s 在机械、 汽车、航天等的并行工程中得到了广泛的应用。 2 1 机械系统的多体动力学模型 虚拟样机技术的核心理论是多体系统动力学，多体系统动力学是由多刚体系 统动力学与多柔体系统动力学组成的。多刚体系统动力学的研究对象是由任意有 限个刚体组成的系统，刚体之间以某种形式的约束连接，这些约束可以是理想完 整约束、非完整约束、定常或非定常约束研究这些系统的动力学需要建立非线 性运动方程、能量表达式、运动学表达式以及其他一些量的公式。多柔体系统动 力学的研究对象是由大量刚体和柔体组成的系统。 多刚体系统动力学主要解决多个刚体组成的系统动力学问题，各个构件之间 可以有较大的相对运动。多柔体系统动力学可以看作是多刚体系统动力学的自然 延伸根据多柔体系统组成特点，一般以多刚体系统动力学的研究为基础，对系 统中柔性体进行不同的处理，在机械系统中常用的处理方法有离散法、模态分析 法、形函数法和有限单元法等。将柔性体的分析结果与多刚体系统的研究方法相 结合，最终得到系统的动力学方程【7 1 。 对复杂机械系统进行运动学与动力学分析之前，需建立它的多体系统动力学 模型，这种抽象实质上是对系统的如下4 个要素进行定义。 ( 1 ) 物体 多体系统中的构件定义为物体。其定义与研究的目的有关。在运动分析中， 9 西安建筑科技大学硕士论文 通常将对其运动性态特别关心的零部件定义为物体。物体的惯性特性是影响系统 的重要参数，对于那些惯量比较小，且可忽略不计的零件，可不作物体定义。对 于静止不动的零部件，通常可定义为系统运动的参考系，不一定让其作为多体系 统中的一个物体定义。 其次是物体性质的假定。对于低速运动的实际工程对象，其零部件的弹性变 形并不影响其大范围的运动性态。在这种情况下，系统中的物体可作刚体假定。 这样的多体系统称为多刚体系统。由于大型、轻质机械系统的出现，高速运行的 工况将使系统动力学性态越来越复杂，这些现象是由于零部件的大范围运动与构 件的弹性变形耦合引起的。在分析这类系统动力学时，物体必须作柔性体假定。 这类力学模型称为柔性多体系统。如果上述系统中部分物体仍可作刚体假定，则 构成的力学模型为刚柔混合多体系统，它是多体系统中最一般的模型。 ( 2 ) 铰 在多体系统中将物体间的运动约束定义为铰，实际工程对象中机构的运动副 是铰的物理背景，然而铰的定义具有更广泛的意义。 ( 3 ) 外力( 偶) 多体系统外的物体对系统中的物体的作用力定义为外力( 偶) 。重力是典型的 外力。在外力的定义中需要注意的是对于刚体，力偶的作用于作用点无关。然而， 对于柔性体，力偶的作用点与作用点有关。因为它不仅对其大范围运动而且对其 的弹性变形均有影响。此外，如果在实际的工程对象中外力作用的零部件没有对 物体的定义，则在多体系统的力学模型中应定义外力作用在等效的点上。 ( 4 ) 力元 在多体系统中物体间的相互作用定义为力元在实际的工程对象中，零部件 的相互联系一种是通过运动副，另一种通过力相互作用。两者的本质差异为前者 限制了相连物体的相对运动的自由度，后者却没有这种限制。在实际工程中，力 元的作用也是通过器件实现的。如两物件间的线弹簧阻尼器或油压作动筒，如果 不计它们的质量，则它们在多体系统中的力学模型为力元。 实际工程对象中系统零部件的相互作用也可借助于运动副来实现。如转动铰 上的卷簧阻尼与电动机等。此时将运动副定义为铰，物体间的相互作用定义为力 元。 综上所述，实际机械系统多体动力学模型定义取决于研究的目的，模型定义 的要点是以能揭示系统运动学与动力学性态的最简模型为优。 1 0 西安建筑科技大学硕士论文 2 2a d a m s 软件简介嘲【9 】【1 0 】【1 l 机械系统仿真软件a d a m s 使用交互式图形环境和部件库、约束库、力库， 用堆积木的方式建立三维机械系统参数化模型并通过对其运动性能的仿真分析和 比较来研究“模拟样机”的可供选择的设计方案。a d a m s 仿真可用于估计机械 系统性能、运动范围、碰撞检测、峰值载荷以及计算有限元的载荷输入a d a m s 的核心软件包包括交互式图形界面a d a m s n i e w 和仿真求解器a d a m s s o l v e r 。 与其他许多分析软件相比，a d a m s 有如下几个鲜明特点： ( 1 ) 提供了多个通用求解器 a d a m s 软件针对不同的系统仿真目的和模型，提供了不同的求解器求得数 值解。例如若只想得到系统各零部件之间的相对运动关系，而对各零部件之间的 相互作用力并不关心，则可以选择运动学求解器( k i n e m a t i c ss o l v e r ) ；若对各零部 件之间的力作用关系感兴趣，则可选择动力学求解器( d y n a m i cs o l v e r ) 。此外， a d a m s 软件还提供了供静力学分析的静力学求解器( s t a t i cs o l v e r ) ，求解静平衡 位置的准静力学求解器( e q u i l i b r i u m ) ，振动分析的振动分析求解器( v i b r a t i o n ) ，线 性模态分析的线性化求解器( l i n e a r ) 。 ( 2 ) 提供丰富的样本库、专用模块 在a d a m s 软件，使用软件本身提供的部件库与布尔运算器，可以方便的产 生各种简单形状的零部件。在模型的各零件之间，通过联接件库、运动发生器以 及广义力和力矩施加约束，建立系统的多体分析模型。 在此基础上，a d a m s 软件还提供了各种动力学分析专用模块。如为汽车动 机械系统的多体动力学模型力学分析而开发的a d a m s c a r 模块、为发动机动力 学分析而提供的a d a m s e n g i n e 、为铁路车辆动力学分析而开发的 a d a m s r a i l 。 此外，还可通过编写用户函数和用户子程序进行二次开发，实现用户的一些 特殊要求。 ( 3 ) 开放的软件环境为集成c a d c a e ，c a m 软件提供了方便 对于几何形状复杂的零部件，可以首先利用c a d c a m 软件建立其数学模型， 然后利用a d a m s 软件提供的多种图形接口，调入上述模型，同时也调入相应部 件的质量特性和坐标特性，为建立高精度的动力学模型提供了丰富的建模工具。 物理模型中的许多柔性零部件，a d a m s 软件也提供了多种相应建模方法。 对于弹簧、减振器等常用弹性部件，可以采用平移弹簧阻尼器( t r a n s l a t i o ns p r i n g ) 西安建筑科技大学硕士论文 和扭转弹簧阻尼器( t o r s i o ns p r i n g ) 来生成；对于系统中的橡胶元件，可采用橡胶 ( b u s h i n g ) 来生成；对于物理系统中用于传递力矩、扭矩、弯矩等复杂工况的零件， 采用a d a m s f l e x 模块提供的离散化方法和集成有限元模态分析结果的方法， 可以得到工程需要的分析精度；此外，a d a m s 软件还提供了更为一般的梁和柔 性矩阵生成器来满足用户特殊的要求。 ( 4 ) 充分考虑工程应用实际，提供功能齐全的工程分析与优化设计功能。 a d a m s 软件可以利用a d a m s l i n e a r 模型的特征值分析。同时，通过 a d a m s 软件的参数化设计功能、优化设计功能、灵敏度分析功能，计算模型在 不同参数情况下的动力学响应，分析比较各参数的变化对整个系统上作性能的影 响，然后提出修改意见，减少设计时间与设计成本。 ( 5 ) 提供了与控制软件的接口 为了使物理系统能按照规定的运动路线运动，即机械系统的逆运动，必须对 系统施加适当的控制。在口前比较流行的几种著名的控制类软件中， a d a m s c o n t r o l 模块提供了与m a t l a b ，m a t r l x x ，e a s y s 的接口，可以对 机械控制系统方便的实现动态仿真。 ( 6 ) 提供了实体动画功能与运动干涉检查 在设计验证阶段，由a d a m s a n i m a t i o n 模块提供的模型分析结果动画显示 功能，直接地检查模型的设计结果。a d a m s 软件能使设计人员同时检查一个模 拟样机或数个不同模拟样机的工作性能，并检查系统的工作情况，充分模拟实际 上作人员观看样机的感觉，以便在物理样机制造前分析出系统的性能。针对复杂 机械系统设计中容易出现的机构运动干涉，a d a m s 软件可以进行自动检查，并 给出相应的声音提示。 2 3 多刚体系统动力学的基础理论 2 3 1 多刚体动力学方程刀 2 3 1 1a d a m s 多刚体系统的组成 a d a m s 将多刚体系统分成4 个组成部分：部件( p a r t ) 、约束( c o n s t r a i n t ) 、 力( f o r c e ) 、自定义的代数一微分方程( u s e rd e f i n e da l g e b r a i ca n dd i f f e r e n t i a l e q u a t i o n ) ，分别定义如下。 ( 1 ) 部件 西安建筑科技大学硕士论文 部件是指任何刚体或集中( 总) 质量或柔性体( 不包括梁和衬套) 等，在 a d a m s 中刚性梁是一个部件，而柔性梁是集总质量的集合，a d a m s 为每一