Adams在理论力学教学中的应用

2020-09-03张恩涛吕志阳

无线互联科技 2020年12期

张恩涛，吕志阳

（1.中国石油大学（北京）机械与储运工程学院，北京 102249；2.中国石油大学（北京）安全与海洋工程学院，北京 102249）

目前，关于理论力学的教学手段主要是课堂讲述理论知识和学生的课下习题练习。这种教学方法会使学生在学习理论力学的过程中变得机械化，而失去对理论力学的学习兴趣。

Adams是一款在静力学、运动学和动力学仿真分析中具有强大作用的软件。利用Adams软件做了大量关于静力学、运动学和动力学题目的仿真与分析，在对理论解与仿真数值进行对比后发现，学生对理论力学的知识掌握得更加牢固。所以，为了更好地让学生掌握理论力学的理论知识，加深对理论力学中静力学、运动学和动力学的理解，培养学生对理论力学的兴趣，提高理论力学课程教学效果，理论力学的教学应该和Adams软件相结合[1-3]。

1 Adams在静力学中的应用

1.1 静力学引入

静力学主要研究受力物体平衡时作用力所应满足的条件，同时也研究物体受力的分析方法以及力系简化的方法等[1]。在学习静力学时主要分析刚体内部的受力情况，分析受力并求解未知力或力矩。可以利用Adams软件对刚体进行仿真分析，清楚地了解刚体的内部受力情况[4-6]。

1.2 典型例题

1.2.1 题目介绍

平面桁架的尺寸和支座中，在节点D处受一集中载荷F=10 kN的作用，试求桁架各杆件的内力（取自教材59页例2-18）。平面桁架如图1所示。

1.2.2 Adams建模分析

打开Adams，新建一个空白文件，选择无重力，选择MMKS（mm，kg，N，deg），设置工作栅格为长宽200 mm，间距为2 mm。

首先，建立点，在A，B，C，D处分别建立M A R K点，A（-86.60,0,0），B（0,0,0），C（-43.30,25,0），D（-43.30,0,0）。建立杆1、杆2、杆3、杆4、杆5，杆件厚度设置为4。

其次，建立约束，依次在杆4和杆5、杆4和杆3、杆3和杆1、杆1和杆2、杆2和杆3、杆3和杆5之间建立转动副，在杆4和大地之间建立转动副，对于滚动支座的约束，可采取运动副和转动副对其运动状态进行约束，可在杆2处A端添加一个水平方向的移动副[7-8]。

再次，对模型添加力的作用，在D点处添加一个Y轴负方向，大小为10 kN的力。Adams示意如图2所示。

图1 平面桁架简图

图2 平面桁架的Adams示意

最后，对其进行仿真分析，选择【仿真】，并选择运行交互仿真。仿真结束后，点击后处理并加载绘图和报告，选择所要测量的对象，测量所需数据。

1.2.3 数据对比与结果

各杆件受力的解析解和数值解如表1所示。

表1 各杆件受力的解析解和数值解

取杆件2、4作为研究对象，分析其受力情况。

对节点A处的杆2进行测量，选择杆2为局部坐标系，测量结果如图3所示，杆件受拉，则杆2的内力为8.66 kN。

对节点B处的杆4进行测量，选择杆4为局部坐标系，测量结果如图4所示，杆件受拉，所以杆3内力为10kN。

1.3 验证结果

通过测量局部坐标系下杆件的受力情况，可以得到各个杆件的内力以及受拉受压情况，经过对比，杆件内力的理论值与Adams模拟数值相等。Adams对各个杆件内力的测量结果直观准确，使学生对静力学知识有更进一步的领会与理解。

图3 杆2的内力

图4 杆4的内力

2 Adams在运动学中的应用

2.1 运动学引入

运动学只是从几何的角度来研究物体的运动（如轨迹、速度和加速度等），而不研究引起物体运动的物理原因[2]。Adams在运动学中的应用较为广泛，通过Adams可以了解到刚体在某一时刻速度、加速度和位置等的变化，也可分析物体运动的规律，让学生更加直观地了解物体的运动规律。

2.2 典型例题

2.2.1 题目介绍

在椭圆规的机构中，曲柄OD以匀角速度ω绕O轴转动，OD=AD=BD=l。求当φ=60°时，尺AB的角加速度和点A的加速度（取自教材213页例8—10）。椭圆规的机构如图5所示。

图5 椭圆规的机构简图

2.2.2 Adams建模分析

打开Adams，新建一个空白文件，选择无重力，选择MMKS（mm，kg，N，deg），设置工作栅格为长宽200 mm，间距为2 mm。

首先，建立Mark点，在O，A，B，D分别建立MARK点，O（0,0,0），A（50,0,0），B（0,86.60,0），D（25,43.30,0）。建立OD杆、AB杆、滑块A与滑块B。

然后，OD杆与大地之间在节点C处建立转动副，AB杆分别于滑块A和滑块B在节点A和B处建立转动副。在节点A处对滑块A建立一个X方向的移动副，在节点B处对滑块B建立一个Y方向的移动副。最后在节点O处的转动副添加30 °/s的驱动，如图6所示。

最后，对其进行仿真分析，测量所需数据。

2.2.3 数据对比与结果

杆AB的角加速度的理论值为0，点A的加速度的理论值为-lω2，代入=60 mm，ω=30°/s得aA=-13.71mm/s2。

对AB杆进行测量，选择加速度，测量结果如图7所示，则AB杆的角加速度可以认为是0。

图6 椭圆规机构的Adams示意

图7 AB杆的角加速度曲线

对滑块A进行测量，在X方向上A加速度的测量结果如图8所示，所以在0时刻，A点的加速度测量值为-13.71 mm/s2。

图8 A点在X方向上的加速度

2.3 验证结果

对仿真结果进行测量与后处理，经过对比，理论值与软件所得数值相等。Adams可以帮助学生解决一些理论力学日常教学中的运动学问题，可以加深学生对运动学的理解[9-10]。

3 Adams在动力学中的应用

3.1 动力学引入

动力学研究受力物体的运动与作用力之间的关系[3]。Adams软件在动力学仿真的应用中起着非常关键的作用，能清楚地反映力与运动的关系，对求解内力和力的变化规律有很大帮助。

3.2 典型例题

3.2.1 题目介绍

质量皆为m的A，B两物块以无重杆光滑铰接，置于光滑的水平及铅锤面上，如图9所示，当θ=60°时自由释放，求此瞬时杆AB所受的力（取自教材244页习题9—18）。

图9 动力学例题

3.2.2 Adams建模分析

打开Adams，新建一个空白文件，选择全局重力、MMKS（mm，kg，N，deg），设置工作栅格为长宽200 mm，间距为2 mm。首先，对模型进行简化，使A和B点位于x与y轴上，用球体代替滑块A和B，用直线代替无重杆AB。其次在A，B处分别创建MARK点，A（0,86.60,0），B（50,0,0）。再次，建立直线AB、滑块A和滑块B。最后，添加约束，AB杆分别和滑块A和滑块B建立转动副。在节点A处对滑块A建立一个Y方向的移动副，在节点B处对滑块B建立一个X方向的移动副。

为便于结果分析，更改两物块的质量均为10 kg、重力加速度取10 m/s2。动力学例题的Adams示意如图10所示。