【联合仿真】Adams载荷提取+有限元仿真

本文摘要（由AI生成）：

本文介绍了一种通过多体动力学软件Adams提取机械结构工作状态下的零件受力，然后通过有限元软件对零件进行强度校核的方法。该方法以有限元软件为核心，仿真中使用的边界条件更贴近实际情况，得到的接触应力结果也更加真实，能够为设计提供更有价值的参考依据。此外，还可以通过Adams软件的刚柔耦合分析功能，直接在Adams界面通过一次仿真得到柔性零件的应力结果。需要注意的是，有限元仿真中使用的是自由网格划分方法，可能对应力结果仿真精度有一定影响，在实际产品分析中需要花更多的心思处理网格，从而进一步保证仿真结果的准确性。

1 概述

    齿轮系统作为主要的动力和运动传递装置，广泛应用于机械、航空和船舶等各行业。齿轮间的接触应力是判断齿轮能否安全稳定运行的重要指标，也是计算齿轮疲劳寿命的基础。静态接触有限元分析方法常用来计算齿轮之间的接触应力，但往往因为不能确定接触力的大小而无法计算接触应力。多体动力学软件Adams可以用来提取实际工作状态下的齿轮接触力或驱动力矩，为有限元软件提供一个准确的载荷条件，从而得到齿轮真实的接触应力。

2 重型机械行业应用案例

    某重型机械产品中有一对如下图1所示的齿轮传动装置，其中绿色部分为主动零件，红色部分为从动零件。

图1 齿轮模型

    将三维CAD模型导入Adams软件中，并创建回转副、驱动、接触、负载、测试等元素。创建好的模型各元素之间的拓扑关系如图2所示。

图2 模型中各元素间的拓扑关系

    其中主动零件启动时间为7秒，工作状态下转速为6.25转/秒。设定分析时间为10秒，速度驱动函数属于分段函数，需要使用IF函数来进行定义，速度曲线如图3所示。

图3 主动零件速度驱动函数

    创建测试并通过仿真得到齿轮接触力随时间变化曲线，如图4所示；驱动扭矩随时间变化曲线如图5所示。

图4 齿轮接触力随时间变化曲线

图5 驱动扭矩随时间变化曲线

    从曲线图中可以看出，初始启动阶段接触力和驱动扭矩最大，启动段结束的一瞬间接触力和驱动扭矩有突变，匀速运行阶段接触力和驱动扭矩最小。从曲线图中能够提取到驱动扭矩的最大值，然后将之作为有限元仿真的载荷条件。

    将三维CAD模型导入到Patran软件中，将从动轮与外部结构连接区域进行全约束，将主动轮除绕轴转动的自由度外的全部自由度进行约束，然后在主动轮上施加绕轴方向的扭矩，数值是通过Adams计算得到的最大驱动扭矩。有限元模型如图6所示。

图6 有限元模型

    在两个零件之间设置接触，通过静力仿真得到结构的接触应力，两个零件的应力云图如图7所示。

图7 接触应力云图

    从应力云图中能够看出，主动零件应力最大值为138MPa，从动零件应力最大值为127MPa。

3 总结

    通过多体动力学软件Adams提取机械结构工作状态下的零件受力，然后通过有限元软件对零件进行强度校核。此方法以有限元软件为核心，仿真中使用的边界条件更贴近实际情况，得到的接触应力结果也更加真实，能够为设计提供更有价值的参考依据。

    除了本文介绍的这种方法之外，还可以通过Adams软件的刚柔耦合分析功能，直接在Adams界面通过一次仿真得到柔性零件的应力结果。

    本文主旨是介绍仿真流程，有限元仿真中使用的是自由网格划分方法，可能对应力结果仿真精度有一定影响，在实际产品分析中需要花更多的心思处理网格，从而进一步保证仿真结果的准确性。