3.2 柔性連接

除了剛性連接外，兩個(gè)構(gòu)件之間可能還有柔性連接關(guān)系。這些柔性連接關(guān)系包括阻尼器、彈簧、柔性梁和力場(chǎng)。柔性關(guān)系并不減少兩個(gè)構(gòu)件之間的自由度，只是在兩個(gè)構(gòu)件產(chǎn)生相對(duì)位移和相對(duì)速度時(shí)這兩個(gè)構(gòu)件會(huì)產(chǎn)生一對(duì)與相對(duì)位移成正比的彈性力或力矩以及與速度成正比的阻尼力。這種彈性力與位移的方向相反，阻尼力與速度的方向相反，它們起阻礙兩個(gè)構(gòu)件相對(duì)運(yùn)動(dòng)的作用。柔性連接只考慮作用力和力矩，而不考慮柔性連接的質(zhì)量。

1．阻尼器的定義

阻尼器實(shí)際上是一個(gè)六分量的彈簧結(jié)構(gòu)，指定沿J-Marker坐標(biāo)軸上的剛度系數(shù)和三個(gè)旋轉(zhuǎn)阻尼系數(shù)及預(yù)載荷。系統(tǒng)將按下式計(jì)算作用力和作用力矩。

式中，x、y、z分別為第一個(gè)構(gòu)件上的I-Marker坐標(biāo)系相對(duì)于第二個(gè)構(gòu)件上的J-Marker坐標(biāo)系的相對(duì)位移；θx、θy、θz分別表示I-Marker坐標(biāo)系相對(duì)于J-Marker坐標(biāo)系的相對(duì)角位移；νi和ωi分別表示I-Marker相對(duì)于J-Marker的相對(duì)速度和相對(duì)角速度；fio和ti 0是預(yù)載荷。

阻尼器的定義過程與力的定義過程類似，唯一的區(qū)別是阻尼器的方向是I-Marker和J-Marker的Z軸方向。另外，通過阻尼器編輯對(duì)話框來(lái)修改相應(yīng)的參數(shù)，如圖3-5所示。在此對(duì)話框中修改剛度系數(shù)Stiffness、阻尼系數(shù)Damping以及預(yù)載荷Preload。

2．彈簧和卷曲彈簧的定義

彈簧和卷曲彈簧與阻尼器類似，指定剛度系數(shù)和阻尼系數(shù)，只不過彈簧是用I-Marker和J-Marker定義原點(diǎn)間的距離、速度和方向來(lái)計(jì)算彈簧的作用力，而阻尼器是用分量的形式來(lái)計(jì)算阻尼器的作用力。彈簧用于計(jì)算力，而卷曲彈簧用于計(jì)算力矩。

定義彈簧和卷曲彈簧參數(shù)的物理意義與阻尼器參數(shù)的物理意義相同。定義方式類似，下式是彈簧作用力的計(jì)算公式：

F=-k(r-r0)-c+f

式中，k為彈簧的剛度系數(shù)，r和r0分別是彈簧的長(zhǎng)度和初始長(zhǎng)度，c為阻尼系數(shù)，f為預(yù)載荷。

如圖3-6所示，通過彈簧編輯對(duì)話框修改彈簧的剛度系數(shù)、阻尼系、預(yù)載荷和初始長(zhǎng)度等。另外，若有彈簧力和彈簧長(zhǎng)度與速度之間的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，就定義非線性彈簧，只需要將定義剛度和阻尼的選項(xiàng)設(shè)置為Spline:F=f(defo) 和Spline:F=f(velo)即可。

3．無(wú)質(zhì)量梁

Step
02 在第一個(gè)構(gòu)件上選擇梁的端點(diǎn)位置。第一個(gè)構(gòu)件是作用力作用的構(gòu)件。

Step
01 在力工具集中選擇無(wú)質(zhì)量梁工具。

Step
03 在第二個(gè)構(gòu)件上選擇梁的端點(diǎn)位置。第二個(gè)構(gòu)件是反作用力作用的構(gòu)件。

Step
04 選擇梁截面的向上方向（Y方向）。

在產(chǎn)生無(wú)質(zhì)量梁以后，使用彈出式對(duì)話框顯示無(wú)質(zhì)量梁的編輯對(duì)話框，通過梁編輯對(duì)話框修改無(wú)質(zhì)量梁的坐標(biāo)系、剛度和阻尼系數(shù)值、梁的長(zhǎng)度和截面積等，如圖3-7所示。

4．力場(chǎng)

力場(chǎng)工具提供了一種施加更一般情況的力和反作用力的工具，力場(chǎng)的計(jì)算公式同軸套力的計(jì)算式相似，不同之處是力場(chǎng)計(jì)算公式中剛性和阻尼系數(shù)不為零。同時(shí)，考慮初始位移和轉(zhuǎn)角。

因?yàn)榱?chǎng)工具提供了定義最一般力的方法，所以也利用力場(chǎng)工具來(lái)定義一般情況下的梁，例如定義變截面肋梁或者使用非線性材料的梁。

利用力場(chǎng)工具施加力場(chǎng)。產(chǎn)生力場(chǎng)的方法同施加軸套力相似，右擊，選擇力場(chǎng)的Modify命令，系統(tǒng)彈出編輯力場(chǎng)對(duì)話框，如圖3-8所示。

5．接觸

當(dāng)兩個(gè)構(gòu)件的表面之間發(fā)生接觸時(shí)，兩個(gè)構(gòu)件就會(huì)在接觸的位置產(chǎn)生接觸力。接觸力是一種特殊的力，分為兩種類型的接觸：一種是時(shí)斷時(shí)續(xù)的接觸，另一種是連續(xù)的接觸。

在ADAMS/View中有兩種計(jì)算接觸力的方法，一種是補(bǔ)償法（Restitution），另一種是沖擊函數(shù)法（Impact）。補(bǔ)償法需要確定兩個(gè)參數(shù)：懲罰系數(shù)（PenaIty）和補(bǔ)償系數(shù)（Restitution）。懲罰系數(shù)確定兩個(gè)構(gòu)件之間重合體積的剛度，也就是說(shuō)由于接觸，一個(gè)構(gòu)件的一部分體積要進(jìn)入另一個(gè)構(gòu)件內(nèi)，懲罰系數(shù)越大，一個(gè)構(gòu)件進(jìn)入另一個(gè)構(gòu)件的體積就越小，接觸剛度就越大。

接觸力是懲罰系數(shù)與插入深度的乘積。如果懲罰系數(shù)過小，就不能模擬兩個(gè)構(gòu)件之間的真實(shí)接觸情況；如果懲罰系數(shù)過大，就會(huì)使計(jì)算出現(xiàn)問題，導(dǎo)致計(jì)算不能收斂，為此選用輔助的拉格朗日擴(kuò)張法（Augmented Lagrangian），通過多步迭代來(lái)解決這個(gè)問題。

補(bǔ)償系數(shù)決定兩個(gè)構(gòu)件在接觸時(shí)能量的損失。沖擊函數(shù)法根據(jù)Impact函數(shù)來(lái)計(jì)算兩個(gè)構(gòu)件之間的接觸力，接觸力由兩個(gè)部分組成：一個(gè)是由兩個(gè)件之間的相互切而產(chǎn)生的彈性力；另一個(gè)是相對(duì)速度產(chǎn)生的阻尼力。

單擊工具欄中的接觸按鈕，彈出定義接觸力對(duì)話框。對(duì)話框中各選項(xiàng)的含義如下。

（1）contact Type：選擇接觸類型，然后拾取相應(yīng)的幾何元素，選擇同一個(gè)構(gòu)件上多個(gè)同類型的幾何元素。若選擇曲線時(shí)單擊按鈕則可改變接觸力的方向。定義兩個(gè)構(gòu)件接觸時(shí)，需要設(shè)置計(jì)算接觸力的計(jì)算方法和計(jì)算摩擦力的方法。

（2）Normal Force：確定計(jì)算接觸力的方法，有Restitution（補(bǔ)償法）、Impact（沖擊函數(shù)法）和user Defined（用戶自定義法）。如果選擇了Restitution，就需要輸入懲罰系數(shù)和補(bǔ)償系數(shù)，還選擇拉格朗日擴(kuò)張法（Augmented Lagrange）。如果選擇Impact，就需要輸入接觸剛度（Stiffness）k、指數(shù)（Force Exponent）e、阻尼（Damping）d和切入深度（Penetration Depth），其中切入深度決定了何時(shí)阻尼達(dá)到最大值。

（3）Friction Force：確定一個(gè)構(gòu)件在另一個(gè)構(gòu)件上滑動(dòng)時(shí)摩擦力的計(jì)算方法，有Coulomb（庫(kù)侖法）、None（沒有摩擦力）和User Defined（用戶自定義）。若選擇Coulomb則需要設(shè)定靜態(tài)系數(shù)μs、動(dòng)態(tài)系數(shù)μd、靜滑移速度νs和動(dòng)滑移速度νd。