ADAMS绳索仿真技术详解

在实际生活中有大量的绳索类传动运动形式。绳索类部件看似简单，但是用计算机软件对其模拟时却存在较大障碍。以钢丝绳为例，通常都是通过细长的钢丝螺旋缠绕在一起形成，在工作时当施加拉力载荷于其上，除了材料自身的拉力作用外，各个钢丝之间的外表面还有摩擦力的作用；并且在模拟钢丝绳的变形状态时，如弯转，缠绕等，往往使用离散元的思想，将整条钢丝绳离散成多个小段，各个小段之间再定义约束或柔性连接，这确实是一种较为现实的方法，但若用户手动完成往往又需要较多的时间。为此MSC推出Adams/Cable模块，方便用户使用，提高建模效率，能实现对绳索类动力学问题的精确模拟。

ADAMS提供了2种建立绳索的方式：

1. 简化法（Simplified）：简化建模主要是为了再现机械系统的运动过程，将重点放在钢丝绳与滑轮的同步运动上而忽略钢丝绳的振动对系统的影响。这种建模基于以下假设：钢丝绳在运动中始终处于张紧状态；钢丝绳与滑轮之间不存在相对滑动；钢丝绳质量不计，摩擦不计（The cable's mass and inertia are neglected）。该方法的优点是建模方便，仿真效率高，可以有效地传递力和运动。缺点是不能真实地反映振动对系统带来的影响以及实现钢丝绳的缠绕行为。
2. 离散法（Discretized）：将连续的钢丝绳离散为多段刚体，每段刚性体之间采用约束或轴套力等方式连接，来模拟钢丝绳的柔性。每段刚性体和滑轮间采用接触力定义，模拟钢丝绳绕滑轮运动的过程。当每段刚性体相对整根钢丝绳的长度足够小时，可以较精确地反映钢丝绳的力学特性。其优点是与实际情况的拟合程度高，可以较好地模拟钢丝绳的受力情况，能实现钢丝绳和滑轮间的绕卷动作；缺点是模型规模较大，仿真受参数影响较大，容易出现仿真失败的情况，并且仿真速度较慢。随着离散体数目的增加将导致仿真时间急剧提升。当绳索自身重量等惯性参数不可忽略时可以选用这种方法（The discretized cable will compute precise cable vibrations and forces on pulleys in scenarios where the mass and inertia effects of the cable are important.）

下面用一个例子来简单讲解一下绳索模块如何建模。

第一步，建立绳索的起始端点。

第二步，建立滑轮绳槽的属性（定义滑轮截面尺寸）。The pulley property set which specifies the cross-sectional and material properties of the pulley

滑轮槽各尺寸如下图所示（注意某些尺寸之间有关联，要输入正确合理的的尺寸）：

第三步，建立滑轮。

在Pulley Property中填入之前建立的横截面属性名称。Material页面可以定义滑轮的质量属性，Connection页面中可以定义滑轮运动副（默认为转动副）。

在钢丝绳与滑轮的关系中，偏角（pulley misalignment）是一个重要因素，如果偏角过大，可能引起种种问题。对滑轮而言主要是震动和磨损加快，对钢丝绳来说则还可能出现断丝、起笼、散股等情况。

Flip Direction选型可以改变绕线的方向。默认会按照右手定则（右手拇指指向滑轮Z轴正方向，四指弯曲方向就是绕线方向）确定方向，并且图中会有箭头指示：

第四步，建立绳子的属性及缠绕顺序。

在Parameters中可以定义更多属性，如绳索密度、弹性模量、预紧力、建模方法等：

第五步，点击finish，绳索建模完毕 。

通过这种向导式界面(Wizard)创建绳索系统后，可以在设计树中找到，并直接双击相关部分进行修改：

修改某些参数后可能会需要重新建模或计算，在弹出的提示对话框上点击OK完成：

下面场景中滑轮固定，绳索一端连接方块，另一端连接小球。在方块上加了一个匀速直线运动，进行了2s的仿真。由于初始小球受重力方向与绳子方向存在一定角度，因此上拉的过程中会发生摆动。

 下面看一个稍微复杂点的例子，系统由三个滑轮构成，其中两个定滑轮一个动滑轮。动滑轮上挂着重物：

 我们尝试在ADAMS中建立这一模型。绳索缠绕的顺序很重要，Wrapping Order设为：pulley1,pulley2,pulley3. 绳索将会按照滑轮上标明的绕线方向从Begin Anchor开始依次经过pulley1→pulley2→pulley3，到达End Anchor。

因此，pulley2的绕线方向需要取反。还需要注意的一点是pulley2的Connection类型要设置为None，如果为默认的Revolute那么pulley2将变为定滑轮，固定在其设定的Location处。

设置必要参数后进行仿真，红色物体的质量设定的比黄色重物大，在重力作用下会通过绳索-滑轮拉起重物：

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