基于ADAMS的振動過程頻率特性分析

李曉靜，楊豐翔，劉保軍

(1.河南工業職業技術學院，河南 南陽 473009；2.河南北方星光機電有限公司，河南 鄧州 474150；3.河南中光學集團有限公司，河南 南陽 473000)

基于ADAMS的振動過程頻率特性分析

李曉靜1，楊豐翔2，劉保軍3

(1.河南工業職業技術學院，河南 南陽 473009；2.河南北方星光機電有限公司，河南 鄧州 474150；3.河南中光學集團有限公司，河南 南陽 473000)

摘要：機械系統動力學分析軟件ADAMS的后處理模塊，能夠幫助實現模型調試、試驗驗證、設計方案改進和結果顯示功能，從而便于從可視化角度深入研究設計的有效性。以一個簡單多體動力學模型為例進行振動分析，采用ADAMS PostProcessor進行數據的后處理，研究仿真分析過程。利用FFT曲線圖進行分析，發現動力學模型的加速度頻率特性中譜密度幅值的峰值發生在前19～20 Hz處，據此可以研究模型系統的性能。

關鍵詞：模型；處理；頻率特性

虛擬樣機仿真是以并行工程思想為指導，建模仿真理論為核心，以各領域計算機輔助仿真軟件為工具，進行產品各種性能測試和評估的過程。機械系統動力學分析(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical System，ADAMS)軟件有助于工程技術人員快速建立機械系統虛擬樣機，分析其性能，更好地理解機械系統的運動[1-3]。通過分析各種設計方案，精確表示出載荷的變化，計算其運動模型的軌跡、速度和加速度狀況等。

虛擬樣機在工程中的應用是通過虛擬樣機軟件實現的。比較有影響的軟件是美國MSC公司的ADAMS、比利時的DADS以及德國的SIMPACK。其中，美國MSC公司開發的ADAMS軟件占據市場50%以上份額。ADAMS軟件領先的“功能化虛擬樣機”技術，已經開始應用于汽車、航空、鐵道、兵器、核能及工程機械等領域。ADAMS PostProcessor是ADAMS軟件的后處理模塊，可以用來處理仿真的結果，動態顯示仿真過程，以及完成曲線編輯和數字信號的處理功能。后處理模塊以可視化形式深入分析設計方案的可靠性，實現樹狀結構的搜索，層次清晰，可用于分析檢索模型對象[4-5]。

1曲線圖的處理

ADAMS軟件配置了若干工具包用于對曲線圖的處理。在ADAMS軟件的后處理環境中，可以完成4種模式的處理：Ploting(繪制曲線圖)、Animation(仿真動畫)、Report(報告)和3DPloting(三維曲線)，實現虛擬動畫演示、模型運動過程展示和干涉間隙計算與預警等。數據曲線結果的處理一般包括濾波、快速傅里葉變換(FFT)和創建伯德圖。可以利用輸入試驗數據并繪圖來對比模擬分析結果的準確性[6]。

1.1曲線數據處理

為了清楚模型的特性，一般要將運算結果以曲線圖的形式描繪出來。ADAMS PostProcessor仿真繪出模型運算的曲線圖，并完成干涉檢查等事項，將運算結果以特定的測量方式或圖線形式繪制出來[7]。

ADAMS PostProcessor配置了系列工具用來按用戶需求處理模型曲線圖，選擇“View/Toolbar”菜單項，彈出快捷菜單。其中“Curve Edit Toolbar”命令可以展示曲線編輯和運算工具條，“Statistics Toolbar”命令能夠顯示曲線統計運算結果工具條，曲線統計運算結果工具條表示出當前數據點的坐標位置等信息。

1.2曲線數據濾波

消除時域信號中噪聲的主要方法是對曲線數據進行濾波，或者強調信號中特定的頻域分量。ADAMS PostProcessor采用了2種濾波類型：1)Math Works公司開發的MATLAB軟件中的Butterworth濾波；2)直接指定傳遞函數。濾波方法共有2種，分別是連續濾波和離散濾波。連續濾波是指將時域信號通過快速傅里葉變換轉化到頻域，然后將結果函數與濾波函數相乘，再進行逆傅里葉變換；離散濾波是直接針對時域信號進行離散濾波操作，在指定時間步長上濾波后的信號是由前面的輸入、輸出信號和離散傳遞函數經計算得出的[8]。

1.3快速傅里葉變換

快速傅里葉變換(FFT)是一種有效的數學算法，能將時域函數映射到正弦分量。該變換過程中以時間為自變量，將函數轉換為頻域形式，分離出正弦分量表達的頻率成分。ADAMS PostProcessor包含了3種表示頻域數據的方法，分別是FFTMAG、FFTPHASE和PSD。FFTMAG確定傅里葉變換算法返回復數值的絕對值大小，后處理模塊以頻率為自變量X軸、以復數值大小為Y軸繪制出頻率數據的左半邊頻譜，而右半邊頻譜是左半邊的鏡像；FFTPHASE確定標準算法返回傅里葉變換復數值的相位角，在給定頻率處給出時域數據中等效正弦函數表達的相位差；任何基于時間的模型其信號在時域和頻域中都有相同的總功率，在譜分析中感興趣的就是在頻率間隔中所包含功率的分布，PSD表達的就是信號在其頻率成分上的功率分布。PSD曲線通常看上去和FFTMAG曲線相似，但具有不同比例。

2動力學模型的建立

本文以一個多體動力學模型為例開展振動分析研究，采用ADAMS PostProcessor進行運算結果的后處理，研究仿真分析過程。建立一個簡單多體動力學模型，其空間表達如圖1所示。該模型包括3個構件：上跳板、下跳板和球體。上跳板與地面固定，球體與上跳板設置接觸副，下跳板與地面之間由4個彈簧連接，球體與下跳板設置接觸副。球體初始向右端的加速度為140 mm/s2。

圖1　球體跳動動力學模型

在仿真欄對話框中設置基本仿真參數，時間為3 s，步長為360。仿真后得到結果，然后采用ADAMS PostProcessor工具進行結果分析。

3動力學模型分析

3.1創建曲線圖的頁面布局

在創建曲線之前設置頁面布局，默認的頁面布局為該面上只有一張曲線圖，可以將其設置為一頁上有多個曲線圖。這時需在頁面布局工具欄“Page Layout”里選擇相應的頁面布局形式，頁面布局工具欄為一個下拉式的工具欄，用右鍵單擊后展開，然后選擇所需的布局形式。

3.2生成垂直加速度曲線

這時依次在“Simulation”欄中選中“Last_run”，在“Source”欄中選中“Result Sets”，在“Result Sets”欄中選中“PART_5_XFORM”，在“Component”欄中選擇“ACCY”，然后執行“Add Curves”項目，就可得到質心處豎直方向的加速度。

3.3增加水平加速度曲線

在“Source”欄中選中“Results Sets”，在“Results Sets”欄中選中“PART_5_XFORM”，在“Component”欄中選中“ACCX”，然后按下“Add Curves”按鈕即可。在0.9和1.3 s時下跳板質心處垂直方向加速度達到峰值(見圖2)。

圖2　質心加速度曲線圖及局部放大圖

3.4快速傅里葉變換

一般情況下，要對上述步驟生成的曲線圖進行一些特殊操作。在平順性研究中，往往需要對時域數據進行快速傅里葉變換以轉化到頻域，通過頻域的特性能夠更直觀地了解振動能量的頻率分布，掌握系統的振動特性。

在菜單欄的“Plot”選項下選中“FFT”，出現FFT對話框，設定結束時間為3 s，并完成其余參數設置；然后選擇“Apply”按鈕；最后得到上面垂直加速度的傅里葉變換曲線(見圖3)。

圖3　傅里葉變換曲線圖

4曲線圖結果分析

單擊菜單選項“Plot”左鍵選中，系統彈出三維快速傅里葉變換對話框，對傅里葉變換3D對話框進行參數設置后，單擊“Apply”按鈕，生成三維快速傅里葉變換曲線圖，如圖4所示。由傅里葉變換曲線圖進行分析，如上所述加速度的頻率特性中譜密度幅值的峰值發生在前19～20 Hz處，據此可進行其他特性的分析，以研究模型系統的性能。

圖4　快速傅里葉變換3D曲線圖

5結語

以一個簡單多體動力學模型為例進行振動分析，采用ADAMS PostProcessor進行數據的后處理，研究仿真分析過程。由傅里葉變換曲線圖進行分析，發現動力學模型的加速度頻率特性中譜密度幅值的峰值發生在前19～20 Hz處，據此可以研究模型系統的性能。

參考文獻

[1] 熊光楞, 李伯虎, 柴旭東. 虛擬樣機技術[J].系統仿真學報, 2001, 13(1):114-117.

[2] 郝云堂，金燁，季輝. 虛擬樣機技術及其在ADAMS中的實踐[J].機械設計與制造, 2003(3):16-18.

[3] 盧志國，程培元. 虛擬樣機技術及其在ADAMS中的應用[J].機械研究與應用, 2006, 19(5):53-54.

[4] 肖雪飛. 基于MSC. ADAMS的摩托車虛擬樣機的振動分析[J].小型內燃機與摩托車，2006, 35(5): 53-55.

[5] 劉文杰,胡基才,肖曉暉,等. 基于ADAMS的架空導線非線性振動動態仿真[J].機械與電子，2004(11)：67-68.

[6] 祖旭，黃洪鐘，張旭. 虛擬樣機技術及其發展[J].農業機械學報，2014, 35(2): 168-171.

[7] 陳峰華. Adams2012虛擬樣機技術從入門到精通[M].北京:清華大學出版社,2013.

[8] 陳志華. MSC Adams多體動力學仿真基礎與實例解析[M].北京:中國水利水電出版社,2012.

責任編輯鄭練

Frequency Analysis for Vibration Process based on ADAMS

LI Xiaojing1, Yang Fengxiang2, LIU Baojun3

(1.Henan Polytechnic Institute, Nanyang 473009, China; 2.Henan Northen Star Mechanical & Electrical Co., Ltd.,

Dengzhou 474150, China; 3.Henan Central Optial Group Co., Ltd., Nanyang 473000, China)

Abstract：The post-processing module for mechanical system of dynamics analytical software ADAMS can complete the function of model debugging, experimental verifying, scheme improving and result showing. It is beneficial for exploring the effectiveness of the research from the perspective of visual design. Select a simple multi-body dynamics model as an example for vibration analysis, and use ADAMS PostProcessor for data processing to study the simulation analysis process. By FFT graph analysis, it is found that the dynamic model of acceleration amplitude frequency characteristic of spectral density peak occurred in the frequency between 19～20 Hz, which can be used to study the performance of the model system.

Key words:model, process, frequency characteristics

收稿日期：2015-01-06

作者簡介：李曉靜(1980-)，女，實驗師，主要從事機械設計制造等方面的研究。

中圖分類號：TH 122

文獻標志碼:A