Adams技术技巧 | 变质量子程序

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1 概述

目前来说，热能动力机械依然是主流的驱动源，如火箭/导弹发动机、航空发动机、冲压发动机、各种喷射型动力等，伴随着运动进行，各驱动源的质量会逐渐减少，会对系统的运动状况与姿态控制产生巨大影响，因此变质量系统的运动学仿真方案将在国防、航空航天领域具有较大的运用价值。

图1 火箭发射质量变化

在Adams 2020之前的版本中，针对变质量问题多采用等效方案（力、力矩等效），这种方案一是建模比较复杂，二是不能很好解决转动惯量的问题，三是对无法改变质心的位置与方向。因此，等效方案未能解决客户的深层次需求，需要Adams给出更完整、成熟的变质量系统的运动学仿真方案，Adams 2020FP1版本在Adams原来强大功能的基础上，升级求解器、子程序以及动态链接库，使得完善的变质量系统运动学仿真方案成为现实。

2 方法

在Adams中，由于质量、转动惯量、质心位置属于设计变量，不属于状态变量，在一次仿真，部件的质量是无法产生改变的，因此需要将一次完整的仿真离散化为多段短时间仿真，此段仿真完成后，保存仿真结果，调整部件质量，再将上段仿真的结果载入，进行新一段仿真，如此循环，直至仿真结束。方法思路如下所示：

图2 变质量方案逻辑流程

在Adams中，consub.f或consub.c子程序，具有分段仿真并调整模型的功能，下面以consub.c为例，阐述变质量方案的子程序逻辑。

3 子程序详解

注：在使用consub.c子程序时，需要同时调用slv_c_utils.h头文件，因为所有的c语言命令转化为fortran语言命令都在slv_c_utils.h头文件中定义。

程序内容分为两部分：

a）对slv_c_utils.h头文件的调用；

b）对consub.c子程序主体的定义。

下面详细介绍consub.c程序主体。

（1）子程序输入参数定义

第一个输入参数PAR[0]为双精度，赋给变量end_time；第二个输入参数PAR[1]为整型，赋给变量steps。

PAR[0]、PAR[1]来源于仿真脚本中User函数定义的参数，0、1表示参数顺序。见第4章说明。

（2）定义离散化仿真时长

一段时长为“end_time”的完整仿真，被离散化为数量为“steps”的小段仿真，每小段仿真的时长为“stepsize”。

（3）子程序内部参数定义

iniflg：定义为整型，此为一个逻辑参数，在仿真调用（c_analys）中会引用，确定Adams Solver每次开始仿真时是否重新生成运动方程，在仿真启动时进行模型装配。1表示是，0表示否。

status：定义为整型，此为一个逻辑参数，在仿真调用（c_modify、c_analys）中会引用，表明此调用是否成功。

time：定义为双精度，用来存储仿真时间。

mass：定义为双精度，用来存储部件质量。

cmd：定义为字符串，长度为100，用来存储solver命令。

（4）每段仿真循环体

将一整段仿真离散为“steps”个小段，每小段仿真的定义与赋值都类似，因此，进入循环定义。

c_getstm(&time)

获取当前仿真时间，该命令在已在头文件slv_c_utils.h中定义，对标Fortran语言中的getstm命令，将获取到的当前仿真时间存储到time变量中，用指针的方式赋值。

mass = 100-0.5*time

获取当前仿真时刻部件的质量，100是初始质量（可以自定义），0.5是质量减少速率（可以自定义），此速率可以为变量，直接从Adams中调用。

sprint(cmd, “PART/2, MASS = %f”, mass)

定义cmd字符串，并将mass双精度数值转换为字符串，存储到cmd字符串中。

c_modify(cmd, &status)

调用Fortran中的modify命令，该调用在已在头文件slv_c_utils.h中定义。执行cmd所存储的命令语句，将执行状态存储到status变量中，用指针的方式赋值。status赋值为0，表明执行成功。通过该行命令，在每次仿真开始前，先调整好部件的质量。

c_analys("TRANSIEN", "DYN", i*stepsize, (i 1)*stepsize, iniflg, &status)

调用Fortran中的analys命令，该调用在已在头文件slv_c_utils.h中定义。执行“TRANSIEN”瞬态仿真，仿真结果存储于“DYN”文件中，仿真开始时间为“i*stepsize”，仿真结束时间为“(i 1)*stepsize”，iniflg含义见前述，将仿真执行状态存储到status变量中，用指针的方式赋值。status赋值为0，表明执行成功。