基于ADAMS的振动过程频率特性分析

李晓静，杨丰翔，刘保军

(1.河南工业职业技术学院，河南 南阳 473009；2.河南北方星光机电有限公司，河南 邓州 474150；3.河南中光学集团有限公司，河南 南阳 473000)

基于ADAMS的振动过程频率特性分析

李晓静1，杨丰翔2，刘保军3

(1.河南工业职业技术学院，河南 南阳 473009；2.河南北方星光机电有限公司，河南 邓州 474150；3.河南中光学集团有限公司，河南 南阳 473000)

摘要：机械系统动力学分析软件ADAMS的后处理模块，能够帮助实现模型调试、试验验证、设计方案改进和结果显示功能，从而便于从可视化角度深入研究设计的有效性。以一个简单多体动力学模型为例进行振动分析，采用ADAMS PostProcessor进行数据的后处理，研究仿真分析过程。利用FFT曲线图进行分析，发现动力学模型的加速度频率特性中谱密度幅值的峰值发生在前19～20 Hz处，据此可以研究模型系统的性能。

关键词：模型；处理；频率特性

虚拟样机仿真是以并行工程思想为指导，建模仿真理论为核心，以各领域计算机辅助仿真软件为工具，进行产品各种性能测试和评估的过程。机械系统动力学分析(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical System，ADAMS)软件有助于工程技术人员快速建立机械系统虚拟样机，分析其性能，更好地理解机械系统的运动[1-3]。通过分析各种设计方案，精确表示出载荷的变化，计算其运动模型的轨迹、速度和加速度状况等。

虚拟样机在工程中的应用是通过虚拟样机软件实现的。比较有影响的软件是美国MSC公司的ADAMS、比利时的DADS以及德国的SIMPACK。其中，美国MSC公司开发的ADAMS软件占据市场50%以上份额。ADAMS软件领先的“功能化虚拟样机”技术，已经开始应用于汽车、航空、铁道、兵器、核能及工程机械等领域。ADAMS PostProcessor是ADAMS软件的后处理模块，可以用来处理仿真的结果，动态显示仿真过程，以及完成曲线编辑和数字信号的处理功能。后处理模块以可视化形式深入分析设计方案的可靠性，实现树状结构的搜索，层次清晰，可用于分析检索模型对象[4-5]。

1曲线图的处理

ADAMS软件配置了若干工具包用于对曲线图的处理。在ADAMS软件的后处理环境中，可以完成4种模式的处理：Ploting(绘制曲线图)、Animation(仿真动画)、Report(报告)和3DPloting(三维曲线)，实现虚拟动画演示、模型运动过程展示和干涉间隙计算与预警等。数据曲线结果的处理一般包括滤波、快速傅里叶变换(FFT)和创建伯德图。可以利用输入试验数据并绘图来对比模拟分析结果的准确性[6]。

1.1曲线数据处理

为了清楚模型的特性，一般要将运算结果以曲线图的形式描绘出来。ADAMS PostProcessor仿真绘出模型运算的曲线图，并完成干涉检查等事项，将运算结果以特定的测量方式或图线形式绘制出来[7]。

ADAMS PostProcessor配置了系列工具用来按用户需求处理模型曲线图，选择“View/Toolbar”菜单项，弹出快捷菜单。其中“Curve Edit Toolbar”命令可以展示曲线编辑和运算工具条，“Statistics Toolbar”命令能够显示曲线统计运算结果工具条，曲线统计运算结果工具条表示出当前数据点的坐标位置等信息。

1.2曲线数据滤波

消除时域信号中噪声的主要方法是对曲线数据进行滤波，或者强调信号中特定的频域分量。ADAMS PostProcessor采用了2种滤波类型：1)Math Works公司开发的MATLAB软件中的Butterworth滤波；2)直接指定传递函数。滤波方法共有2种，分别是连续滤波和离散滤波。连续滤波是指将时域信号通过快速傅里叶变换转化到频域，然后将结果函数与滤波函数相乘，再进行逆傅里叶变换；离散滤波是直接针对时域信号进行离散滤波操作，在指定时间步长上滤波后的信号是由前面的输入、输出信号和离散传递函数经计算得出的[8]。

1.3快速傅里叶变换

快速傅里叶变换(FFT)是一种有效的数学算法，能将时域函数映射到正弦分量。该变换过程中以时间为自变量，将函数转换为频域形式，分离出正弦分量表达的频率成分。ADAMS PostProcessor包含了3种表示频域数据的方法，分别是FFTMAG、FFTPHASE和PSD。FFTMAG确定傅里叶变换算法返回复数值的绝对值大小，后处理模块以频率为自变量X轴、以复数值大小为Y轴绘制出频率数据的左半边频谱，而右半边频谱是左半边的镜像；FFTPHASE确定标准算法返回傅里叶变换复数值的相位角，在给定频率处给出时域数据中等效正弦函数表达的相位差；任何基于时间的模型其信号在时域和频域中都有相同的总功率，在谱分析中感兴趣的就是在频率间隔中所包含功率的分布，PSD表达的就是信号在其频率成分上的功率分布。PSD曲线通常看上去和FFTMAG曲线相似，但具有不同比例。

2动力学模型的建立

本文以一个多体动力学模型为例开展振动分析研究，采用ADAMS PostProcessor进行运算结果的后处理，研究仿真分析过程。建立一个简单多体动力学模型，其空间表达如图1所示。该模型包括3个构件：上跳板、下跳板和球体。上跳板与地面固定，球体与上跳板设置接触副，下跳板与地面之间由4个弹簧连接，球体与下跳板设置接触副。球体初始向右端的加速度为140 mm/s2。

图1　球体跳动动力学模型

在仿真栏对话框中设置基本仿真参数，时间为3 s，步长为360。仿真后得到结果，然后采用ADAMS PostProcessor工具进行结果分析。

3动力学模型分析

3.1创建曲线图的页面布局

在创建曲线之前设置页面布局，默认的页面布局为该面上只有一张曲线图，可以将其设置为一页上有多个曲线图。这时需在页面布局工具栏“Page Layout”里选择相应的页面布局形式，页面布局工具栏为一个下拉式的工具栏，用右键单击后展开，然后选择所需的布局形式。

3.2生成垂直加速度曲线

这时依次在“Simulation”栏中选中“Last_run”，在“Source”栏中选中“Result Sets”，在“Result Sets”栏中选中“PART_5_XFORM”，在“Component”栏中选择“ACCY”，然后执行“Add Curves”项目，就可得到质心处竖直方向的加速度。

3.3增加水平加速度曲线

在“Source”栏中选中“Results Sets”，在“Results Sets”栏中选中“PART_5_XFORM”，在“Component”栏中选中“ACCX”，然后按下“Add Curves”按钮即可。在0.9和1.3 s时下跳板质心处垂直方向加速度达到峰值(见图2)。

图2　质心加速度曲线图及局部放大图

3.4快速傅里叶变换

一般情况下，要对上述步骤生成的曲线图进行一些特殊操作。在平顺性研究中，往往需要对时域数据进行快速傅里叶变换以转化到频域，通过频域的特性能够更直观地了解振动能量的频率分布，掌握系统的振动特性。

在菜单栏的“Plot”选项下选中“FFT”，出现FFT对话框，设定结束时间为3 s，并完成其余参数设置；然后选择“Apply”按钮；最后得到上面垂直加速度的傅里叶变换曲线(见图3)。

图3　傅里叶变换曲线图

4曲线图结果分析

单击菜单选项“Plot”左键选中，系统弹出三维快速傅里叶变换对话框，对傅里叶变换3D对话框进行参数设置后，单击“Apply”按钮，生成三维快速傅里叶变换曲线图，如图4所示。由傅里叶变换曲线图进行分析，如上所述加速度的频率特性中谱密度幅值的峰值发生在前19～20 Hz处，据此可进行其他特性的分析，以研究模型系统的性能。

图4　快速傅里叶变换3D曲线图

5结语

以一个简单多体动力学模型为例进行振动分析，采用ADAMS PostProcessor进行数据的后处理，研究仿真分析过程。由傅里叶变换曲线图进行分析，发现动力学模型的加速度频率特性中谱密度幅值的峰值发生在前19～20 Hz处，据此可以研究模型系统的性能。

参考文献

[1] 熊光楞, 李伯虎, 柴旭东. 虚拟样机技术[J].系统仿真学报, 2001, 13(1):114-117.

[2] 郝云堂，金烨，季辉. 虚拟样机技术及其在ADAMS中的实践[J].机械设计与制造, 2003(3):16-18.

[3] 卢志国，程培元. 虚拟样机技术及其在ADAMS中的应用[J].机械研究与应用, 2006, 19(5):53-54.

[4] 肖雪飞. 基于MSC. ADAMS的摩托车虚拟样机的振动分析[J].小型内燃机与摩托车，2006, 35(5): 53-55.

[5] 刘文杰,胡基才,肖晓晖,等. 基于ADAMS的架空导线非线性振动动态仿真[J].机械与电子，2004(11)：67-68.

[6] 祖旭，黄洪钟，张旭. 虚拟样机技术及其发展[J].农业机械学报，2014, 35(2): 168-171.

[7] 陈峰华. Adams2012虚拟样机技术从入门到精通[M].北京:清华大学出版社,2013.

[8] 陈志华. MSC Adams多体动力学仿真基础与实例解析[M].北京:中国水利水电出版社,2012.

责任编辑郑练

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

作者简介：李晓静(1980-)，女，实验师，主要从事机械设计制造等方面的研究。

中图分类号：TH 122

文献标志码:A