ADAMS繩索仿真


   在實際生活中有大量的繩索類傳動運動形式。繩索類部件看似簡單,但是用計算機軟件對其模擬時卻存在較大障礙。以鋼絲繩為例,通常都是通過細長的鋼絲螺旋纏繞在一起形成,在工作時當施加拉力載荷於其上,除了材料自身的拉力作用外,各個鋼絲之間的外表面還有摩擦力的作用;並且在模擬鋼絲繩的變形狀態時,如彎轉,纏繞等,往往使用離散元的思想,將整條鋼絲繩離散成多個小段,各個小段之間再定義約束或柔性連接,這確實是一種較為現實的方法,但若用戶手動完成往往又需要較多的時間。為此MSC推出Adams/Cable模塊,方便用戶使用,提高建模效率,能實現對繩索類動力學問題的精確模擬。

   ADAMS提供了2種建立繩索的方式:

  1. 簡化法(Simplified):簡化建模主要是為了再現機械系統的運動過程,將重點放在鋼絲繩與滑輪的同步運動上而忽略鋼絲繩的振動對系統的影響。這種建模基於以下假設:鋼絲繩在運動中始終處於張緊狀態;鋼絲繩與滑輪之間不存在相對滑動;鋼絲繩質量不計,摩擦不計(The cable's mass and inertia are neglected)。該方法的優點是建模方便,仿真效率高,可以有效地傳遞力和運動。缺點是不能真實地反映振動對系統帶來的影響以及實現鋼絲繩的纏繞行為。
  2. 離散法(Discretized):將連續的鋼絲繩離散為多段剛體,每段剛性體之間采用約束或軸套力等方式連接,來模擬鋼絲繩的柔性。每段剛性體和滑輪間采用接觸力定義,模擬鋼絲繩繞滑輪運動的過程。當每段剛性體相對整根鋼絲繩的長度足夠小時,可以較精確地反映鋼絲繩的力學特性。其優點是與實際情況的擬合程度高,可以較好地模擬鋼絲繩的受力情況,能實現鋼絲繩和滑輪間的繞卷動作;缺點是模型規模較大,仿真受參數影響較大,容易出現仿真失敗的情況,並且仿真速度較慢。隨着離散體數目的增加將導致仿真時間急劇提升。當繩索自身重量等慣性參數不可忽略時可以選用這種方法(The discretized cable will compute precise cable vibrations and forces on pulleys in scenarios where the mass and inertia effects of the cable are important.)

 

  下面用一個例子來簡單講解一下繩索模塊如何建模。

  第一步,建立繩索的起始端點。

  第二步,建立滑輪繩槽的屬性(定義滑輪截面尺寸)。The pulley property set which specifies the cross-sectional and material properties of the pulley

 

  滑輪槽各尺寸如下圖所示(注意某些尺寸之間有關聯,要輸入正確合理的的尺寸):

  第三步,建立滑輪。

  在Pulley Property中填入之前建立的橫截面屬性名稱。Material頁面可以定義滑輪的質量屬性,Connection頁面中可以定義滑輪運動副(默認為轉動副)。

  在鋼絲繩與滑輪的關系中,偏角(pulley misalignment)是一個重要因素,如果偏角過大,可能引起種種問題。對滑輪而言主要是震動和磨損加快,對鋼絲繩來說則還可能出現斷絲、起籠、散股等情況。

 

  Flip Direction選型可以改變繞線的方向。默認會按照右手定則(右手拇指指向滑輪Z軸正方向,四指彎曲方向就是繞線方向)確定方向,並且圖中會有箭頭指示:

 

  第四步,建立繩子的屬性及纏繞順序。

 

  在Parameters中可以定義更多屬性,如繩索密度、彈性模量、預緊力、建模方法等:

  第五步,點擊finish,繩索建模完畢 。

  通過這種向導式界面(Wizard)創建繩索系統后,可以在設計樹中找到,並直接雙擊相關部分進行修改:

 

  修改某些參數后可能會需要重新建模或計算,在彈出的提示對話框上點擊OK完成:

  下面場景中滑輪固定,繩索一端連接方塊,另一端連接小球。在方塊上加了一個勻速直線運動,進行了2s的仿真。由於初始小球受重力方向與繩子方向存在一定角度,因此上拉的過程中會發生擺動。

 

   下面看一個稍微復雜點的例子,系統由三個滑輪構成,其中兩個定滑輪一個動滑輪。動滑輪上掛着重物:

   我們嘗試在ADAMS中建立這一模型。繩索纏繞的順序很重要,Wrapping Order設為:pulley1,pulley2,pulley3. 繩索將會按照滑輪上標明的繞線方向從Begin Anchor開始依次經過pulley1→pulley2→pulley3,到達End Anchor。

  因此,pulley2的繞線方向需要取反。還需要注意的一點是pulley2的Connection類型要設置為None,如果為默認的Revolute那么pulley2將變為定滑輪,固定在其設定的Location處。

  設置必要參數后進行仿真,紅色物體的質量設定的比黃色重物大,在重力作用下會通過繩索-滑輪拉起重物:

 

 

參考:

ADAMS-Cable繩索仿真

在Adams Cable中如何使鋼絲繩正確纏繞

基於ADAMS的門座起重機鋼絲繩動力學仿真

SolidWorks柔性繩子運動仿真圖文教程

偏角對鋼絲繩負面影響的新指標

鋼繩進出繩槽時的允許偏角


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