Pomocný text k proniknutí do základů práce se systémem ADAMS

Pomocný text k proniknutí do základů práce
se systémem ADAMS
[Text verze 1.1 — 2.11.2005 — Michal Hajžman]
1
Úvod
Tento materiál obsahuje velice stručné a subjektivně vybrané informace potřebné pro základní práci se systémem ADAMS. Je určen především studentům předmětu Dynamika
mechanismů a strojů, pro něž jsou zařazeny do výuky tři cvičení věnující se práci s ADAMSem ve spojení s dynamikou mechanismů a strojů. Text by měl sloužit hlavně jako přehled
při úvodním cvičení a dále jako pomůcka při samostatné práci a studiu. Rozhodně není
zamýšlen jako „manuálÿ či „učebniceÿ. Odstavec Zdroje obsahuje odkazy a doporučení,
kde najít další pomůcky pro zasvěcení do práce se sofwarem ADAMS. V celém textu jsou
zmíněny anglické termíny tak, aby bylo novému uživateli usnadněno studium manuálů a
příruček.
1.1
Použití ADAMSu
ADAMS (Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems) je výpočtový systém pro
modelování a simulaci vázaných mechanických soustav (VMS, MBS — multibody systems)
skládajících se z tuhých i poddajných těles vázaných mezi sebou pomocí různých typů kinematických vazeb. Software umožňuje provádět statické, kinematické a dynamické analýzy
navržených modelů mechanických systémů a umožňuje rovněž optimalizovat a verifikovat
jejich matematické modely. Patří mezi nejpoužívanější a nejpropracovanější systémy svého
druhu na světě. Kompletní popis vlastností a možností ADAMSu lze najít ve zdrojích
[1] a [2].
1.2
Struktura systému ADAMS
Celý výpočtový systém je tvořen mnoha moduly (produkty), přičemž většinu z nich lze
využívat jako samostatné aplikace nezávislé na ostatních modulech. Jádrem ADAMSu je
modul ADAMS/Solver, který je velmi propracovaným řešičem. Tento modul na základě
vstupních souborů sestavuje matematický model mechanického systému a řeší tuto soustavu nelineárních algebraických a diferenciálních rovnic. Vstupní textové soubory obsahují
popis matematického modelu systému a řídící příkazy řešiče ve vlastním vstupním jazyku
softwaru ADAMS/Solver (ADAMS Data Language). Tento jazyk je dostatečně podrobně
popsán v elektronických příručkách (viz zdroj [1]). Prakticky je možné celou práci se systémem ADAMS redukovat pouze na vytváření vstupních souborů pomocí textového editoru,
1
zpracování řešičem a vyhodnocování výstupních souborů. To sice přináší určité výhody při
stavbě modelu, ale výrazně při tomto přístupu chybí vizualizace samotného modelu a poté
i získaných výsledků. Pohodlný uživatel potřebuje ke své práci aplikaci ADAMS/View.
Modul ADAMS/View je nástroj pro snadnou stavbu a vizualizaci modelu a rovněž
pro pohodlné vyhodnocování získaných výsledků. Společně s řešičem ADAMS/Solver tvoří
nástroje, které dovolují modelovat a řešit prakticky všechny druhy VMS. V tomto textu
bude popsána základní koncepce modulu ADAMS/View. Nebude zde zmíněno nic o vstupních souborech a vstupním jazyku řešiče, protože ADAMS/View provádí všechny potřebné
kroky automaticky.
Dalšími důležitými moduly, které řeší některé speciální problémy při modelování a
analýze VMS, jsou moduly ADAMS/Flex (potřebný pro zahrnutí deformovatelných těles do modelů, lze použít výstupy z MKP programů), ADAMS/PostProcessor (dovoluje lépe vyhodnocovat získaná data), ADAMS/Vibration (pomůcka při analýze kmitání), atd. Software ADAMS je používán zejména v dynamice vozidel či obecně dopravních prostředků, a proto vznikly například různé specializované moduly pro modelování
automobilů (ADAMS/Car) a jejich částí (ADAMS/Chassis, ADAMS/Tire, . . . ), letadel
(ADAMS/Aircraft) či kolejových vozidel (ADAMS/Rail). Tyto moduly mají hlavní výhodu v tom, že obsahují knihovny mnoha předdefinovaných částí modelů (tzv. templates),
čímž usnadňují a urychlují uživateli jeho práci. V zásadě ale není problém všechny VMS
vytvářet pouze pomocí modulu ADAMS/View, proto se v tomto textu budeme věnovat
právě tomuto modulu.
2
Poznámka k teoretickému základu
Uživatel by měl být pro kvalifikovanou práci s ADAMSem seznámen se základní teorií
ke statickému, kinematickému a dynamickému vyšetřování soustav tuhých těles. K tomu
jsou dostačující publikace [4]. Uživatelské příručky ADAMSu bohužel neobsahují žádnou
část věnující se přímo metodám implementovaným v tomto výpočtovém systému. Pouze
v příručce k řešiči solver.pdf z [1] je seznam publikací, ze kterých autoři systému vycházeli. Za zmínku stojí rovněž příručka verif.pdf popisující verifikační příklady použité pro
testování výpočtového systému.
Stavba modelu pomocí ADAMS/View je velice intuitivní a snadná, proto by se mohlo
zdát, že nejsou potřeba vůbec žádné teoretické znalosti pro práci s ADAMSem. Opak je ale
pravdou a velmi brzy bychom zjistili, že při modelování složitějších VMS je zapotřebí znalost partií mechaniky vyjmenovaných v předchozím odstavci. Uživateli samozřejmě nesmí
chybět dostatečná prostorová a fyzikální představivost.
3
Ovládání a práce se softwarem
ADAMS/View je klasická „wokenníÿ aplikace a tomu odpovídá i jednoduché „myšoidníÿ
ovládání.
2
Po spuštění programu je nutné vybrat pracovní adresář a rozhodnout, zda bude vytvořen nový model či otevřen nějaký existující. Při vytvoření nového modelu lze volit použitý
typ souřadnicového systému (kartézský, cylindrický, sférický), systém jednotek a vlastnosti
gravitace (zda-li bude působit, její směr, hodnota tíhového zrychlení). Zavedení gravitace
znamená, že ve středu hmotnosti každého tělesa bude působit ve zvoleném směru tíhová
síla, daná zadaným tíhovým zrychlením.
Okno programu ADAMS/View se skládá z hlavního grafického okna, ve kterém se vytváří a vizualizuje model VMS, ze stavového panelu s několika řídícimi tlačítky a z horního
rozbalovacího menu. Při běhu programu se dále otevírají další samostatná okna. Důležitou částí softwaru je nástrojový panel, který obsahuje tlačítka reprezentující příkazy pro
stavbu modelu a pro ovládání zobrazení modelu v hlavním grafické okně. V tomto panelu
se zadávají pomocí klávesnice některé potřebné parametry prováděných příkazů. Příkazy
ADAMS/View lze dosáhnout také dalšími dvěma způsoby, buď v horním rozbalovacím
menu nebo pomocí command navigatoru zobrazeného v odděleném okně. Ruční zadávání
příkazů je možné v command window, ale to vyžaduje znalost syntaxe. Stejně jako v případě ADAMS/Solveru lze i pro ADAMS/View napsat vstupní soubor ve formě textového
souboru s příkazy vstupního jazyka ADAMS/View. Ve většině případů si ale vystačíme
s nástrojovým panelem a menu. Při práci se samozřejmě objevují některá další okna, například pro upřesnění parametrů příkazů, pro prohlížení hierarchie vytvořených objektů
(database navigator ), atd.
V hlavním grafickém okně se pracuje s modelem velice intuitivně. Levé tlačítko myši
slouží k označování jednotlivých objektů modelu a k jejich umisťování. Pravé tlačítko otevírá velice důležité kontextové menu, jehož položky reprezentují například příkazy pro
změnu vlastností objektů či pro kopírování a mazání. Při umisťování objektů se rovněž
uplatní pravé tlačítko myši, po jehož stlačení se objeví tzv. coordinate window dovolující
zadat přesné souřadnice umisťovaného objektu. Kromě vybírání objektů přímo v grafickém
okně, lze s objekty modelu pracovat také pomocí už zmíněného database navigatoru. Pravé
tlačítko myši je důležité také při zadávání hodnot do různých textových polí. Jestliže uděláme v editačním poli „right-clickÿ, zobrazí se kontextové menu, které nám usnadní výběr
a zadání správných dat.
Vytvořený model je možné v systému ADAMS/View uložit a přímo numericky vyřešit danou úlohu bez ručního generování vstupního souboru řešiče a volání řešiče.
Stejně tak lze zpracovávat některé výsledky simulací přímo v ADAMS/View bez použití
ADAMS/PostProcessor.
4
Vytváření modelů VMS
Před započetím vytváření modelu v ADAMS/View je samozřejmě zapotřebí mít jasnou
představu o tom, jak vypadá matematický model vázané mechanické soustavy, kterou
chceme modelovat a analyzovat. Jedná se o soustavu těles spojených mezi sebou a s rámem (ground ) pomocí kinematických vazeb (constraints). Na tělesa mohou působit různé
síly, mohou být zavedeny různé pasivní účinky v kinematických vazbách, mezi tělesy mo3
hou být různé deformovatelné vazby (pružiny, tlumiče, . . . ) reprezentované jejich silovým
působením. Samotná tělesa mohou mít předepsaný určitý pohyb. Dále chceme vyšetřovat
určité vybrané veličiny popisující VMS (measures). Všechny tyto „mechanické objektyÿ
jsou současně také objekty v systému ADAMS.
4.1
Markery (markers)
Marker definuje lokální souřadnicový systém. Z teorie VMS je zřejmé, že marker je v systému ADAMS jeden ze stěžejních objektů. Lze ho libovolně přiřazovat (umisťovat) ke
všem tělesům včetně rámu a libovolně natáčet. Markery jsou důležité pro definici středů
hmotnosti těles, pro definice vazeb, definice působících sil, atd.
4.2
Tělesa (parts)
Tělesa (parts) jsou objekty, které mohou mít setrvačné vlastnosti a mohou se pohybovat.
V ADAMSu zavádíme tři druhy těles.
• Tuhá tělesa (rigid bodies) mají hmotnost a momenty setrvačnosti a nemohou se
deformovat.
• Poddajná tělesa (flexible bodies) mají také setrvačné vlastnosti a navíc se mohou deformovat. Pro modelování poddajných těles je ale zapotřebí použít modul
ADAMS/Flex.
• Soustředěné hmoty (point masses) mají pouze hmotnost a nemají momenty setrvačnosti.
Nástrojový panel ADAMS/View nabízí širokou škálu základních těles, která lze použít
v modelech VMS. Složitější tělesa lze skládat z nabízených primitiv. Dále lze rovněž importovat geometrii tělesa z různých CAD programů. Vytváření těles pomocí základních
grafických objektů je podobné jako ve všech CAD nebo MKP softwarech. Setrvačné vlastnosti těles lze zadat ručně a nebo ponechat na systému, aby vypočítal hmotnost a momenty
setrvačnosti z dané geometrie. Lze samozřejmě volit použitý materiál a jiné obvyklé parametry. ADAMS/View poskytuje výběr různých způsobů vizualizace těles.
Každé nově vytvořené těleso má šest stupňů volnosti, proto je ho potřeba svázat s ostatními tělesy nebo s rámem pomocí kinematických vazeb.
4.3
Vazby (constraints), klouby (joints)
Vazby určují jak se mohou jednotlivá tělesa pohybovat vůči rámu nebo vůči ostatním tělesům. ADAMS/View stejně jako v případě těles nabízí celou řadu předdefinovaných základních kinematických vazeb — kloubů (translational, revolute, spherical, . . . ). Kloub spojuje
vždy dvě tělesa a je zapotřebí ho přiřadit k určitým markerům. Přehled předdefinovaných
kloubů a jejich vlastností lze najít ve zdroji [1]. Vlastnosti kloubu lze libovolně měnit. Je
4
možné přidávat také pasivní účinky a předepisovat počáteční podmínky souřadnicím ve
vazbě.
Kromě předdefinovaných kloubů lze vytvářet vlastní vazby pomocí joint primitives a
používat vyšší kinematické dvojice.
4.4
Předepsané pohyby (imposed motions)
Libovolným souřadnicím těles či vazeb lze předepisovat určitý pohyb v závislosti na čase.
Tato práce je stejně jako vše v ADAMSu velice intuitivní. Navíc lze použít pomůcku pro
vytváření funkcí, tzv. function builder.
4.5
Síly (forces)
Síly mohou v modelech ADAMS/View reprezentovat například pružící a tlumící prvky,
mohou hrát roli budících či řídících veličin, důležité jsou rovněž kontaktní síly. V nástrojovém panelu jsou k dispozici předdefinované základní síly a momenty použitelné v modelech
VMS.
4.6
Další
Vyjmenované objekty důležité pro stavbu modelů vázaných mechanických soustav v softwaru ADAMS/View nejsou zdaleka jediné dostupné. Výše uvedený přehled spíše shrnuje
kroky při stavbě kompletního modelu. Pro lepší přehled, pro informace o speciálnějších objektech, které je možné zahrnout do navrhovaných matematických modelů, a samozřejmě
pro důkladnější znalost, týkající se modelování a používaní objektů, je nutné nahlédnout
do zdroje [1]
5
Simulace a vyhodnocování
Jestliže máme vytvořen model, můžeme ho začít analyzovat. Máme na výběr ze tří druhů
analýz, statické, kinematické nebo dynamické analýzy. Vše odpovídá příslušným partiím
z mechaniky, přičemž se předpokládá, že uživatel je s nimi obeznámen, proto zde nebudeme
více rozvádět volbu jednotlivých analýz. Důležité je zvolit správný krok a konečný čas celé
simulace. Více o numerických metodách řešení je ve zdroji [1].
Při analýze můžeme chtít například sledovat pouze funkčnost navržené VMS (třeba
analýza navrženého řízení přední nápravy automobilu) nebo požadujeme nalezení odezvy
na běžné buzení mechanického systému. Jednou z nejdůležitějších částí analýzy je výběr
sledovaných veličin, v systému ADAMS/View zavádíme tzv. measures. Výstupem z řešiče
jsou samozřejmě všechny možné veličiny od posuvů, přes rychlosti a zrychlení, až po reakce. Nastavíme-li ale v ADAMS/View nějaké measures, můžeme sledovat průběh vybrané
veličiny přímo během simulace v samostatném vykreslovacím okně. Sledovaných veličin
5
může být více. Další důležitou pomůckou přímo v ADAMS/View je nástroj pro animaci
vypočítaného pohybu namodelované VMS.
Lepším a výkonějším pomocníkem pro vyhodnocování výsledků analýz je modul
ADAMS/PostProcessor, pro nějž existuje rovněž podrobná příručka. Pro informace o numerických simulacích a vyhodnocování získaných výsledků jsou nejvhodnější opět příručky
ze zdroje [1].
Sestavujeme-li složitější model komplikovanější VMS, je vhodné rozdělit ho na několik
funkčních celků a ty modelovat nejprve samostatně a po důkladné kinematické či jiné
analýze je teprve spojit do celkového modelu. Vyhneme se tím řadě nepřesností a neztratíme
tolik času laděním celého modelu.
6
Zdroje
[ 1 ] Základní informace ke všem produktům řadícím se k systému ADAMSu lze najít
v řádně nainstalovaném lokálním helpu, který obsahuje soubory ve formátu PDF a
HTML. Doporučuji začít se souborem home.pdf, (platí pro starší verze) odkud se lze
dobrat ke všem ostatním uživatelským příručkám. Některé odkazy v příručkách míří
přímo na internetové stránky obsahující základní tutoriály a jiné příklady.
[ 2 ] Další informace o ADAMSu jsou k dispozici na stránkách http://www.adams.com
nebo na http://www.mscsoftware.com/products/products_detail.cfm?PI=413.
[ 3 ] Zajímavé zdroje lze najít na adrese http://www.ktm.sjf.stuba.sk/atc, což je prezentace Authorised Training Center for MSC.ADAMS při Slovenské technické univerzitě v Bratislavě.
[ 4 ] Jako zdroje teoretických vědomostí jsou vhodné publikace
◦ Brát, V.: Maticové metody v analýze a syntéze prostorových vázaných mechanických soustav. Academia, Praha 1981.
◦ Slavík, J. — Stejskal, V. — Zeman, V.: Základy dynamiky strojů. Vydavatelství
ČVUT, Praha 1997.
6