MSC培训教程（第6章）

1、第6章 单自由度摆一根杆在垂直平面内绕A点摆动（如图6-1所示），给定它的初始角位移（）和初始角速度（），求出A点处支撑销的初始力。并且，求出摆的频率。图6-1 单自由度摆6.1 约束副约束副的定义，包括：（1） 约束副限制物体之间的相对运动。（2） 约束副代表理想的连接方式。（3） 约束副从一个系统中去除旋转和/或移动自由度。例如：旋转副的移动约束副，表示如下关系（如图6-2所示）：XD XW = 0YD YW = 0ZD ZW = 0旋转副的旋转约束副，表示如下关系（如图6-2所示）：D W = 0 （绕x轴）D W = 0 （绕y轴）因此，D和W是自由的。图6-2 旋转约束副6.2 约束

2、副中标记点的用法ADAMS中的约束方程有以下特性：（1） 约束副在ADAMS/Solver中表现为代数方程；（2） 这些方程描述两个标记点之间的关系；（3） 用I和J标记点表示约束副参数，确定位置、方向和连接的物体： 第一个标记点，I，固结在第一个物体上。 第二个标记点，J，固结在第二个物体上。ADAMS中约束副的结构，如图6-2所示。图6-2 约束副的结构6.3 自由度（DOF）6.3.1 约束副和自由度（1） 在机械系统仿真（MSS）中，每个自由度要对应于至少一个方程。（2） 一个在三维空间自由漂移的刚体拥有6个自由度（如图6-3所示）。（3） 一个约束副根据其类型可以从系统中去除一个或多

3、个自由度。图6-3 自由漂移的刚体模型6.3.2 确定系统自由度的数目（1） ADAMS使用Gruebler算法可以提供系统自由度的估算数目：（2） 当检查到有下列情况发生的时候，ADAMS提供系统自由度的实际数目： 固定物体被约束副连接； 正确的方向被约束； 约束去除了正确的自由度（移动或者旋转）； 在系统中有多余的约束。6.4 约束副的初始条件约束副初始条件的特性，包括：（1） 对于旋转副、移动副和圆柱副，可以确定位移和速度的初始条件。（2） ADAMS在仿真时，使用约束副给定的初始条件，而忽略约束副上的作用力。（3） 如果没有给定约束副的初始条件，ADAMS在仿真时根据约束副上的作用力，

4、计算相连接物体的初始条件。6.5 合并几何体将复杂几何体连接在物体上的方法，有以下两种：（1） 使用固定副将几何体约束到物体上，如图6-4所示。图6-4 使用固定副（2） 在已经存在的物体上增加新的几何体，如图6-5所示。图6-5 增加新几何体注意：如果在一个刚体上合并几何体，而不是约束多个物体，ADAMS/Solver可以更好地进行仿真运算。问题：当合并几何体时，叠加的体积如何计算？6.6 角度的测量在ADAMS中可以测量的角度，包括：（1） 两个矢量之间的角度；（2） 由三个标记点确定的角度（如图6-6所示）；（3） 在仿真过程中，确定的角度。图6-6 角度测量注意：（1） 角度测量的单位

5、是当前ADAMS/View的角度单位（角度或者弧度）。（2） 角度测量可以定义符号的正负（+/-），例如第一个非零值为正值。6.7 单自由度摆实习6.7.1 陈述问题一根杆在垂直平面内绕A点摆动（如图6-7所示），给定它的初始角位移（）和初始角速度（），求出A点处支撑销的初始力。并且，求出摆的频率。图6-7 单自由度摆6.7.2 开始实习首先，从目录exercise_dir/mod_06_pendulum中，启动ADAMS/View，然后创建一个新模型。在这个目录中执行ADAMS/View时，可以保证所有保存的数据存储在该目录中。为了启动ADAMS/View和创建模型，参阅以下步骤：（1） 启

6、动ADAMS/View。（2） 将目录设置到：exercise_dir/mod_06_pendulum。（3） 创建一个名称为pendulum的模型，其重力设置为earth normal（-global y），单位设置为MMKS-mm,Kg,N,s,deg。6.7.3 创建摆的连杆现在，使用下列参数创建摆的连杆： 宽度（Width）：20mm 厚度（Depth）：27.5mm 端点（Endpoint）：（0,0,0）和（450,0,0）。为了创建连杆，参阅以下步骤：（1） 打开坐标窗口。（2） 在主工具箱中，右击Rigid Body工具架，然后选择Link工具。（3） 在选项栏中，选择和输入以

7、下内容： 选择New Part选项； 选择Length选项，并且在Length文本框中，输入450mm，然后按Enter键。 选择Width选项，并且在Width文本框中，输入20mm，然后按Enter键。 选择Depth选项，并且在Depth文本框中，输入27.5mm，然后按Enter键。（4） 使用鼠标，选择点（0,0,0）和点（450,0,0）作为连杆端点的位置。提示：使用位置转换器（离开模型，击右键）可以帮助选择端点。在击右键时，ADAMS窗口的右上角出现位置转换器，在上部的文本框中输入连杆的坐标，并且按Enter键。6.7.4 创建球体下一步，使用下列参数创建摆的球体： 增加到物体上

8、（Add to Part） 半径（Radius）：25mm 中心（Centerpoint）：（450,0,0）。为了创建球体，参阅以下步骤：（1） 在主工具箱中，右击Rigid Body工具架，然后选择Sphere工具。（2） 在选项栏中，选择和输入以下内容： 选择Add to Part选项； 选择Radius选项，并且在Radius文本框中，输入25mm，然后按Enter键。（3） 使用鼠标，选择PART_2作为增加球体的参考物体。（4） 使用鼠标，选择点（450,0,0）作为球体的中心。6.7.5 重命名摆现在，对摆重新命名，即将PART_2重命名为Pendulum。为了重命名摆，参阅以下

9、步骤：（1） 右击连杆Link，指向Part:PART_2，然后选择Rename选项。出现重命名对象对话窗。（2） 在New Name文本框中，输入. Pendulum. Pendulum，然后单击OK按钮。6.7.6 设置摆的质量 现在，将摆的质量设置为2kg，将三个转动惯量（Ixx,Iyy,Izz）均设置为0，并且改变质心的位置。为了设置摆的质量，参阅以下步骤：（1） 右击摆Pendulum，指向Part: Pendulum，然后选择Modify选项。出现修改刚体对话窗。（2） 在Mass & Inertia defined by文本框中，选择User Input选项。如果出现警告窗口，将

10、其关闭。（3） 在Mass文本框中，输入2.0，然后单击Apply按钮。（4） 在Inertia文本框（Ixx,Iyy,Izz）中，输入0。（5） 单击Apply按钮。保持质量和转动惯量对话窗为打开状态。（6） 右击Center of Mass Marker文本框，指向Pendulum. Pendulum.cm，然后选择Modify选项。（7） 在Location文本框中，输入450,0,0。（8） 在两个对话窗中，单击OK按钮。创建的模型应该如图6-8所示。图6-8 单摆模型6.7.7 创建转轴本节将创建大地和摆之间在A点处作为转轴的旋转副，如图6-7所示，并且将其重新命名为Pivot。为了

11、创建转轴，参阅以下步骤：（1） 在主工具箱中，右击Joint工具架，然后选择Revolute joint工具，如图6-9所示。（2） 在选项栏中，选择2 Bod-1 loc和Normal to Grid。（3） 选择Pendulum作为first body。（4） 选择ground作为second body。（5） 选择0,0,0作为location。图6-9 约束副工具架为了重命名约束副，参阅以下步骤：（1） 右击revolute约束副，指向Joint:JOINT_1，然后选择Rename选项。（2） 在New Name文本框中，输入. Pendulum.pivot，然后单击OK按钮。6.7

12、.8 创建测量 创建两个对象（约束副）的测量，以用来跟踪支撑销在、方向上的支撑力。为了创建对象的测量，参阅以下步骤：（1） 右击pivot约束副，指向Joint:pivot，然后选择Measure选项。出现约束副测量对话窗。（2） 在对话窗中，完成以下工作： 在Measure name文本框中，输入：pivot_force_x。 设置Characteristic为Force，并且选择X作为Component。 确认已经选择了.pendulum.MARKER_4和Create Strip Chart选项。 单击Apply按钮。 出现一个曲线窗口，显示约束副在仿真和动画过程中的受力曲线。（3） 在

13、对话窗中，继续完成以下工作： 在Measure name文本框中，输入：pivot_force_y。 设置Characteristic为Force，并且选择Y作为Component。 确认已经选择了.pendulum.MARKER_4和Create Strip Chart选项。 单击OK按钮。 出现一个曲线窗口，显示约束副在仿真和动画过程中的受力曲线。6.7.9 创建一个参考标记点 在大地上创建一个标记点，这个标记点将作为下一节创建角度测量时的参考位置。为了代替通过右击标记点改变其名称的方法，本节将使用编辑（Edit）菜单。为了创建一个参考标记点，参阅以下步骤：（1） 在主工具箱中，右击Rig

14、id Body工具架，然后选择Marker工具。（2） 在选项栏中，确认选择了Add to ground和Global XY选项。（3） 使用鼠标，选择450,0,0作为位置点。（4） 当前标记点处于被选状态，从Edit菜单中，选择Rename选项。出现重命名对象对话窗。（5） 在New Name文本框中，输入.pendulum.ground.angle_ref，然后单击OK按钮。6.7.10 创建角度测量 现在，创建角度测量，以跟踪摆的角位移，。为了创建角度测量，参阅以下步骤：（1） 从Build菜单中，指向Measure，指向Angle，然后选择New选项。（2） 在Measure Nam

15、e文本框中，输入pend_angle。（3） 右击First Marker文本框，指向Marker，然后选择Pick选项。（4） 在屏幕上，点选单摆端部的一个标记点（如：选择质心标记点）。 提示：右击单摆端部以选择质心标记点。（5） 右击Middle Marker文本框，指向Marker，然后选择Pick选项。（6） 点选支撑轴位置的一个标记点。（7） 右击Last Marker文本框，指向Marker，然后选择Pick选项。（8） 点选大地位于单摆端部的标记点（它是上一节创建的标记点）。注意：通过对齐标记点.pendulum.ground.angle_ref和质心标记点，可以将初始测量值定义

16、为0。（9） 单击OK按钮。6.7.11 确定初始条件在本节中，将确定约束副如下的初始条件：（1） 位移初始条件： = 30。（2） 初始速度条件： = 300/sec。为了确定初始条件，参阅以下步骤：（1） 右击pivot约束副，指向Joint:pivot，然后选择Modify菜单。（2） 选择Initial Conditions选项。（3） 在约束副初始条件对话窗中，选择和输入以下内容： 选择Rot.Displ.选项，并且在Rot.Displ.文本框中，输入：-30。 选择Rot.Velo.选项，并且在Rot.Velo.文本框中，输入：-300。 （4）单击两个对话窗中的OK按钮。6.7.

17、12 验证模型在对模型进行仿真以前，首先验证模型。为了验证模型，参阅以下步骤：（1） 选择状态栏右侧的Verify工具。出现信息窗口，如图6-10所示。同时，接到一个警告信息，提示约束副位置的初始条件与设计初始位置不符，这是预料之中的事情。（2） 关闭信息窗口。图6-10 信息窗口6.7.13 仿真模型 本节运行一个2秒100输出步的仿真。为了仿真模型，参阅以下步骤：（1） 从主工具箱中，选择Simulation工具。（2） 在选项栏中，选择和输入以下内容： 选择Default选项； 在End Time文本框中，输入2.0； 在Steps文本框中，输入100。 （3）选择Start工具。6.7

18、.14 确定全局分量现在，确定支撑销初始支撑力的全局分量（x,y）。使用这个值回答本章单元复习中的问题2。为了确定全局分量，参阅以下步骤：（1） 右击pend_angle曲线窗口内部的空白区域，然后选择Transfer to Full Plot选项。出现ADAMS/PostProcessor界面，代替ADAMS/View界面。（2） 选择Plot Tracking工具。（3） 将光标移动到曲线的t=0处。（4） 记住主工具条下方的Y值。（5） 在遮板中，选择Clear Plot选项。（6） 设置source为Measure。（7） 从Measure列表中，选择Pivot_force_X选项。（

19、8） 选择Surf工具。（9） 将光标移动到曲线的t=0处。（10） 记住主工具条下方的Y值。（11） 从Measure列表中，选择Pivot_force_Y选项。（12） 将光标移动到曲线的t=0处。（13） 记住主工具条下方的Y值。6.7.15 确定单摆的频率单摆的频率（赫兹）是通过确定其周期（秒），然后求倒数得到的。这个频率值是本章单元复习中的问题3的答案。为了确定频率，参阅以下步骤：（1） 从Measure列表中，选择pend_angle选项。（2） 估算曲线的周期。（3） 对周期值求倒数，得到摆的频率。（4） 为了返回到ADAMS/View，选择ADAMS/View工具。6.7.16

20、 保存模型为了保存所做的工作，参阅以下步骤：（1） 使用Save As选项保存模型，使保存的文件中不仅包含模型信息，还要包含仿真结果和曲线。如果需要进一步探索模型，就像下一步建议的那样，请保留模型为打开状态。否则，进行下一步。（2） 退出ADAMS/View。6.7.17 选修任务在执行这些任务以前，保存所做的工作。在执行完这些任务以后，不要保存新做的工作。如果在执行完这些任务后，必须保存模型，将其保存为一个新名称模型。通过对角度时间的FFT变换，可以自动求出单摆的固有频率，参阅以下步骤：（1） 根据当前的仿真结果，按下列参数仿真模型，建立进行FFT变换所需的参数： End Time = 1.65（近似一个周期的时间） Steps = 127（2） 在ADAMS/PostProcessor中，选择Plot菜单中的FFT选项。出现FFT对话窗。（3） 当准备一项FFT操作时，推荐以下几点： 输出点的数量应该为二的幂（例如：128，25