SIMPACK中的柔性体动力学仿真分析研究

信息技术 李笑 等 S I M P A C K中的柔性体动力学仿真分析研究 S I M P A C K中的柔性体动力学仿真分析研究 李笑 卜继玲 黄运华 黄健 西南交通大学 机车车辆工程系 J I I 成都 6 1 0 0 3 1 摘要 介绍了通过结构有限元分析软件 A N S Y S和多体系统动力学分析软件 S I MP A C K的结 合 在 S I MP A C K软件中进行刚柔耦合系统动力学分析的柔性体处理方法 并以铁道货车转 K 6 型转向架为实例 研究了在 S I MP A C K软件中采用刚柔耦合方法进行铁道车辆系统动力学仿真 分析的关键问题 关键词 有限元法 柔性体 刚柔耦合 车辆系统动力学 中图分类号 T H1 6 5 T P 3 9 1 9 文献标志码 B 文章编号 1 6 7 1 5 2 7 6 2 0 1 0 O 1 4 3 0 9 1 4 3 4 S t u d y o f Fl e x i b l e Bo d y Dy n a mi c S i mu l a t i o n Us i n g S I M P ACK L I X i a o BU J i l i n g HUAN G Yu n h u a HUANG J i a n D e p a me n t o f R a i lwa y V e h i c l e E n g i n e e r i n g S o u t h w e s t J ia o t o n g U n iv e r s i t y C h e n g d u 6 1 0 0 3 1 C h i n a Ab s t r a c t T h is p a p e r i n t r o d u c e s a f l e x i b l e b o d y d is p o s a l me t h o d i n wh ic h t h e c o u p le d d y n a mic s is a n a ly z e d i n SI MP A CK c o mb i n i n g ANSYS s t r u c t ur e f init e e l e men t an aly s is s o f t wa r e wit h SI MPACK an d t a k e s z k 6 as i n s t a n c e t o d es c db e t h e mu l t i b o d y s y s t em dy n a m i c s an aly s is s o f t war e an d k e y p o i n t s i n t h e p r o ce s s 0f u s i n g f l e x i b le b o d y Ke y wor ds F EM f lex ible b od y c o u ple d r i g i d f l e x ible mu l t i b od y s y s t e m v eh icle s y s t em d y n amics 0 引言 S I M P A C K软件是德 国 I N T E C G m b H公 司开发 的机 机电系统运动学 动力学仿真分析的著名多体动力学 分析软件包 它是 以多体系统计算机学 c o m p u t a t i o n a l d y n a m i c s o f mu l t i b o d y s y s t e ms 为基础包含多个专业模块 和专业领域的虚拟样机开发系统软件 利用它可以建立 复杂机械系统的运动学和动力学模型 其模型可以是刚性 体 也可以是柔性体 而实际上对系统动力学而言 结构 本身的弹性变形与系统的宏观刚体运动同等重要 因此 根据仿真分析需要 一般情况下会采用纯刚体的模型 在 柔性较强的模型中采用纯柔性体模型 而更多的时候会采 用一种刚性体和柔性体相结合 的刚柔混合模型 多体系 统动力学仿真的基本应用情况如图 1 所示 图 1 多体动力学仿真 在 S I M P A C K软件中大多数物体均以刚体定义 忽略 了结构柔性对系统的影响 但是在 S I MP A C K中的附加模 块里的柔性体处理模块 F E MB S 为实现刚体柔性体相结 合提供了一个解决办法 S I MP A C K中的柔性体可分为离 散式和模态式两种 离散式柔性体以梁单元方式串接 单 元数 目越多越能模拟实际变形 但这种柔性体只适合简单 结构 模态式柔性体是有外部有限元软件生成 是有网格 的物体 能根据物体的实际结构进行复杂建模 1 S I MP A C K F E M B S柔性体 在 S I M P A C K中建立柔性体模型 首先需要产生准确 的多刚体模型 然后用柔性体取代要考虑成柔性体的结构 元件 F E MB S是 S I MP A C K和其 它如 A N S Y S N A S T R AT 等有限元分析代码之间的接口程序 允许将有限元分析的 物理模型数据转化为标准代码 即将有限元模型的柔性体 特性输入到运动方程 形成柔性体数据的标准输入数据文 件 S I D文件 S I D文件可以通过接 口程序 F E M B S的 F E M模块写入 同时将柔性数据整理成 S I M P A C K可读格 式 具体操作流程如图 2所示 在有限元分析中 复杂柔性结构的运动可以通过大量 的节点坐标描述 S I MP A C K对刚体运动的代码使用非线 性表示 柔性体的变形通过相对较少的模态坐标进行表 示 有限元是柔性体结构应力应变计算的有效工具 然而 由于柔性结构 自由度过于巨大 且动载荷工况仿真计算非 常耗时 因此有限元分析主要分析小位移和少数工况的动 力学性能分析 相反 利用多体系统仿真可以对非常复杂 非线性机械系统进行有效的仿真 为了得到 S I D文件 要用 F E M代码对柔性体结构进 作者简介 李笑 1 9 8 2 一 女 黑龙江加格达旗人 硕士研究 生 研究方 向为机车车辆设 计及 理论 Ma c h i n e B u il d in g g Au t o m a t io n F e b 2 0 1 0 3 9 9 1 9 4 9 l 信息技术 李笑 等 S I MP A C K中的柔性体动力学仿真分析研究 图 2 仿真建模流程 图 行分析 代码中应包括模型的几何信息 节点位置及其连 接 节点品质和转动惯量 模型的模态频率 模态品质和 模态刚度等信息 2 利用 A N S Y S生成 S I D文件 A N S Y S是一个大型有限元分析软件 适合于各种复 杂的 跨领域的分析设计 A N S Y S与 S I MP A C K之间的数 据接口可以方便的处理柔性体部件对机械系统运动的影 响 并得到基于精 确 动力学 分析结 果 的应力 应变 分析 结 果 从而提高分析水平 2 1 利用 A N S Y S生成 s I D文件的过程如下 a 建立模型 建立柔性体模型 定义参数变量的时 候要选择合适的单位 b 建立有限元网格 柔性体除了主节点外的其他部 分可采用常用的建模法建立有限元模型 所谓主节点就 是指柔性体在 S I MP A C K模型中与其他构件相连接的点即 为 S I MP A C K中的 Ma r k点 在定 义主节 点时要 注意几 个 问题 1 主节点的几何位置必须精确 2 主节点与柔性 体其他部位的连接必须恰当 常用的方法有 一是质量单 元在主节点处建立一个质量单元 并赋予该单元一个很小 的属性数据 用约束方程连接主节点处的质量单元与柔性 体 二是由多个三维梁单元组成的单元网连接主节点与柔 性体 三是刚性区域处理主节点 3 在有限元模型中不需 要定义边界条件 c 计算 进行模态分析求解 d 运用 S I MP A C K中的F E MB S生成 S I D文件 将生 成的S I D文件导入 S I MP A C K中会发现 柔性体的模态数 比A N S Y S 指定的模态数多 这是因为主节点是有 6个 自 由度的节点 每个 自由度都对应一个约束模态 2 2 利 用有限元软件建立柔性体模型生 成 S I D文件应该注意 以下几个 问题 a 节点数 S I D文件对有限元模型的节点数量要求没 有限制 数量越多越能模拟柔性体的变形 但节点的数量越 多数据文件就越大 对硬件要求就越高 计算时问就越长 b 主节点的选择 由于在 S I MP A C K中的 M a r k点数 目一般不得超过 1 0 0 0所以不要选择太多的主节点 在 S I MP A C K中约束或者作用力等一些边界条件可以施加在 这些点上 在选择主节点时要注意 1 主节点必须是有 6个 自由度的节点 每个自由度对应一个约束模态 如果 主节点数选择过多就会导致模型 自由度数过大 2 主节 9 2 点的选择要和 S I MP A C K中的所要连接点的位置相一致 c 主自由度的选择 主自由度是用来描述系统动力 学的行为 主自由度的选择在建立柔性体中起着重要的作 用 选择主自由度的基本原则为 1 主 自由度的总数至 少是感兴趣的模态数的两倍 2 把预计结构或者部件要 振动的方向选为主自由度 3 在相对较大的质量或较大 转动惯量加相对较低的位置选择主自由度 4 如果最关 注的是弯曲模态 则可以忽略转动和拉伸 自由度 5 如 果要选择的自由度属于一个耦合约束集 则只需选择其中 第一个自由度 6 在施加力或非零位移的位置选择 自由 度 7 对于轴对称壳模型 S H E L L 5 1 或 S H E L L 6 1 选择 模型中平行于或接近平行于中心线 平行 Y轴方向 部分 的所有节点的全局 U X自由度为主自由度 这样就可以避 免主自由度问的振荡运动 如果运动基本上平行于中心 线 则选择范围可以放宽 对于 MO D E 2的轴对称周期 单元 应将其 U X U Z自由度都选择为主自由度 d 单位制 的选 择 在导入 S I D文件时 S I MP A C K会 自动将有限元分析的单位转换为仿真时使用的单位 因此 在生成 S I D文件时必须为有限元分析指定单位 建议在有 限元分析时采用和 S I MP A C K相同的单位制 e 约束 柔性体的约束是在 S I MP A C K中施加的 所 以在有限元中不必对柔性体施加约束 f 刚体模态 将柔性体模态导入 S I MP A C K中并连 接在要替代的刚体模态上时 会 自动关闭刚体模态 3 在 S I M P A C K中使用柔性体 在 S I M P A C K中使用柔性体进行仿真步骤如下 a 建立新的 B o d y 读入 S I D文件生成柔性体 对柔 性体的设置包括 模态成分 阻尼率 初始条件等 柔性体 的主节点为 Ma r k 点 与所要连接的物体连接 代替刚性体 的 M a r k点 柔性体将主动代替刚性体 可以对柔性体进 行仿真来测量节点的变形量 b 在柔性体上施加约束和作用力 其中应注意以下几 点 1 可以 直接加在柔性体节点上的约束副有 旋转副 固定 副 球副 万向节副 2 其他运动副和运动激励不能直接加 在柔性体节点上 解决方法是在柔I生 体上附加一个物体 然后 将运动副或运动激励施加在该物体上 3 如果柔性体是施 力物体 则作用力可以直接在柔 生 体节点上 c 调用进行仿真并观察仿真结果 4 刚柔耦合动力学仿真实例 Z K 6型货车转向架是我国目前主要的货车转向架 它 h t t p ffZ Z H D c h i n a j o u r n a 1 n e t c n E m a i l Z Z H D c h a i n a j o u ma 1 n e t o n 机械制造与自动化 信息技术 李笑 等 S I MP A C K中的柔性体动力学仿真分析研究 在传统的三大件式转向架的两侧架间增设了下交叉拉杆 即两个侧架之间由原来的松散联结变为交叉拉杆约束联 结 减小了两侧架之间的菱形变位 改善了其运行稳定性 提高了车辆的临界速度 在常规的车辆动力学研究中 交 叉拉杆常常被简化成两个侧架间的约束刚度 这种处理 方式对货车整体的动力学性能没有太大的影响 但是不能 反映交叉杆自身的振动特性 考虑到实际运用过程中 交 叉拉杆曾经出现了若干问题 因此 考虑将交叉拉杆作为 柔性体处理 进行刚柔耦合动力学分析是十分必要的 a 交叉支撑杆的有限元模型 交叉支撑杆的有限元模型采用 的是板壳单元模拟 选取 2 2个点作为主节点 对交叉支撑杆进行 自由模态分 析 为了减小模态截断造成的误差 选取前 2 0阶模态 b 考虑柔性交叉支撑杆的动力学耦合模型 首先建立全刚体车辆系统动力学模型 图3 再将刚 性交叉支撑杆替换成柔性交叉支撑杆并建立与侧架之间 的连接力元 整车的刚柔耦合动力学模型如图4所示 图 中小方块为柔性体的标志点 对应有限元结构分析中选的 主节点 图3 刚体整车动力学模型 图4 刚柔混合整车动力学模型 c 计算结果分析 在美国6级轨道谱的激扰下 分别取 8 0 k m h和 1 2 0 k m h的运行速度 网 4 体和柔性体的中部的横向位移如图 5和图6所示 从图中可以看出考虑柔性交叉支撑杆的振 动位移略大于刚性交叉支撑杆的位移 这是由于在车辆运 Ma c h in e B u il d i n g 8 Au t o m a t i o n F e b 2 0 1 0 3 9 J 9 1 行过程中激发了结构的柔性变形 但影响并不是很大刚性 体也是可行的 龄 足 颦 O 2 4 6 8 t s 图5 8 0 k m h速度下交叉支撑杆中部的横向位移 0 0 1 5 0 0 1 0 0 0 05 E 0 0 0 0 0 0 o5 0 01 0 O 2 4 6 8 t l s 图6 1 2 0 k m h速度下交叉支撑杆中部的横向位移 交叉杆的弹性振动和速度有关 一方面随着速度的变 化 轨道激扰时间谱也发生变化 可能激励起不同的弹性 振动模态 从图7和图 8中可以看出柔性体振动加速度比 刚性体振动加速度大 虽然位移差别不大 但因为弹性振 动包含了高频成分使得加速度放大 图7 8 0 k m h速度下交叉支撑杆横向加速度 交叉杆前 5阶振动频率为 第 1阶 2 3 6 2 H z以中间 为节点 同一拉杆同向弯曲 第 2阶3 0 9 6 H z同侧拉杆反 向弯曲 第 3阶 3 5 1 3 H z以端部和中间某点为节点 中问 与两端反向 第 4阶 3 6 7 5 H z中间与两端反向弯曲且四 脚同向弯曲 第 5阶 4 9 2 3 H z中间与两端反 向弯曲 高 9 3 4 2 O 8 6 4 2 O 4 6 8 0 舢腓傩肼眦 脚 似瞄傩舢 O 0 O O 0 n O O 0 O O 信息技术 李笑 等 S I MP A C K中的柔性体动力学仿真分析研究 O 2 t s 4 图8 1 2 0 k m h速度下交叉支撑杆横向加速度 阶模态对计算结果影响较小 对速度为 1 2 0 k m h 运行时 的交叉支撑杆振动加速度进行频谱分析如图9 可以看出 有两个频率 比较突出 3 0 9 6 H z 振型为 同侧拉杆的反 向弯曲 4 9 2 3 Hz 振型为中间与两端反向弯曲 速度不 同加速度的主频也会发生变化 在货车模型中 将交叉 支撑杆作为柔性体 其他部件作为刚体处理 不仅可以得 到交叉支 撑杆 的刚性 振 动响应 还 可 以得 到 弹性振 动特 性 交叉支撑杆的振颤是它所受的动载荷和它的固有振 动频率接近引起共振 本文通过对交叉支撑杆进行频谱 分析得到引起共振的频率 要减小或者消除这种振颤就 要对交叉支撑杆合理设计避免动载荷与交叉支撑杆弹性 频率接 近 3 O 2 5 2 0 1 5 1 0 0 5 0 O 0 O 0 8 0 0 o 6 0 O O 4 旧 喇 0 0 0 2 0 o o 0 0 0 0 2 幽 量 叵 0 2 4 6 图 1 0 1 2 0 k m h速度 下车体垂 向位移 0 2 4 6 8 l 0 1 2 1 4 1 6 t s 图 1 1 1 2 0 k m h速度下车体垂 向加速度 以上可以表明如果仅分析车辆整体的动力学性能时 采用传统的动力学模型和采用刚柔耦合动力学模型计算 出的结果差别不大 传统的动力学模型是可行的 但是如 果要分析像交叉支撑杆等一些柔性较大的结构振动时 采 用刚柔耦合更能反映实际情况 所以对柔性较大的部件采 用刚柔耦合进行分析是很有必要的 0 1 0 2 O 3 O 4 0 5