基于PATRAN/NASTRAN和ADAMS的联合仿真分析

田路路 朱东方 孙禄君

摘 要 本文将patran/nastran和ADAM分析软件结合起来对柔性体进行仿真分析， 论述了多柔体动力学的理论基础、柔性体模型的定义方法、柔性体动力学特性的仿真流程。以太阳能电池阵等效模拟器为例，详细说明了联合仿真过程。

【关键词】patran/nastran adams 联合仿真 柔性体

ADAMS是主要以刚性体为主要分析对象的运动学仿真分析软件。在对机械系统进行运动学分析时，在较大的载荷作用下或者作加、减速运动时， 柔性机构就会产生较大的弹性变形。因此要更真实地模拟机构的动态性能， 必须将构件作为柔性体进行分析。Patran/nastran是以柔性体为主要分析对象的有限元分析软件，因此， 要精确模拟整个系统的运动， 取得动力学仿真结果，可以将Patran/nastran与ADAMS软件结合使用。

1 柔性体的运动学方程和系统动力学方程

1.1 柔性体的运动学方程

为惯性坐标系，为物体的动坐标系，p为混合坐标系中的任意一点，则，p在惯性坐标系中的位移可表示为，其中，为动坐标系在惯性坐标系中的位置，为点p在中未变形时的位置，为p在中的变形，A表示动坐标系到惯性参考坐标系的转换矩阵。物体坐标系的模态坐标用表示，表示对应于结点p的移动自由度的模态矩阵子块，则，代入即有。

1.2 柔性体系统的动力学方程

运用拉格朗日乘子法可得柔性体的动力学微分方程

，其中：M为柔性体的质量，W为势能；K和D分别为模态刚度矩阵和模态阻尼矩阵；和分别表示物体内部由于彈性变形和阻尼引起的广义力；ξ为选定的广义坐标，Q为投影到ξ上的广义力；为约束方程，λ为对应于的拉格朗日乘子。

2 PATRAN/NASTRAN和ADAMS联合仿真的步骤

patran/nastran中生成模态中性文件：

以patran/nastran中装配体生成模态中性文件为例：

（1）在patran菜单栏中选择File-import，弹出对话框，选择parasolid文件类型，导入*.x_t的文件，删除无关的零部件；定义材料属性，输入材料属性，如泊松比、弹性模量、密度等；随后选择单元类型。之后定义装配体中零部件刚/柔性。

（2）网格划分：选择Meshing-meshers进行网格划分。随后进行创建载荷/边界条件定义六个自由度。

（3）仿真分析：

设置分析类型：单击Solution Type按钮，打开其对应的面板，选择分析的类型NORMAL MODES，设置ADAMS output 选项为Full Run+MNF，设置单位（此单位需和ADAMS中所用单位一致），单击OK。

设置装配体各零部件之间的连接关系：若将零部件i和零部件j之间的连接关系用（）来表示，其中n表示零部件个数，表示T或G（TUCH或GLUE）。单击Analysis-Subcases，选择弹出对话框中contact Table按钮，设置零部件之间关系。

完成以上设置后，开始计算求解，Nastran计算后，调入XDB文件，在右侧操作面板区选择点击查看模态频率和每一阶模态的动态演示。

（4）将生成的mnf文件导入到ADAMS中进行仿真。

在ADAMS中读入由Patran生成的NMF文件，查看模态频率是否一致，在ADAMS中给柔性体设置初始速度，仿真查看柔性体动力学特性。

3 Patran/nastran、Adams联合仿真实例

下面用Patran/nastran和Adams联合分析太阳能电池阵等效模拟器的动力学特性。太阳能电池阵等效模拟器所用材料的弹性模量为7..1e10Pa，泊松比为0.31，密度为2770kg/m3。

将模型导入Patran中，在patran中对模型进行有限元划分，设置太阳能电池阵等效模拟器边界条件即左端固定，将模型交给Nastran计算求解，查看二阶模态响应。将Nastran计算生成的MNF文件导入到ADAMS中。设置一阶模态初始位移 0 m，初始速0.7m/s，仿真结果显示，帆板末端沿Z轴方向速度变化趋势趋于零。

4 结论

本文将ADAMS和PATRAN/NASTRAN结合应用，克服了两者单独使用时的缺陷，完成了对柔性体进行动力学和运动学分析。

参考文献

[1]李增刚.ADAMS入门详解与实例[M].北京：国防工业出版社，2006.

[2]解本铭，王新旭.基于ANSYS与ADAMS的并联机构刚柔耦合体动力学分析[J].机电产品开发与创新，2012，25（1）：103-105.

[3]龙凯，贾长治，李宝峰.Patran2010与Nastran2010有限元分析[M].北京：机械工业出版社，2011.

作者简介

田路路（1990-），女，安徽省人。硕士学位。现为上海航天控制技术研究所助理工程师。研究方向为动力学建模。

作者单位

上海航天控制技术研究所 上海市 200233