ADAMS弓箭仿真-刚柔耦合-约束的失效

弓柔性体建立  

     在拉弓射箭中，弓的弹性占主要成分，因此在ADAMS仿真中将弓设置为柔性体。建立柔性体时适当的设置材料的弹性模量和密度(本次仿真的材料与铝比较接近)。然后刚性连接点一共设置3个，分别在弓的两端用于连接弓弦，另一个在弓的中部用于与箭的约束连接。柔性体结构及模态见图1、2：

图1.弓柔性体建立

图2.弓的模态

      弓的第一阶模态50Hz(与实际有一定误差)，为弯曲模态。

模型建立  

2.1弓及箭模型的建立及简化

图3.模型简述

      通过图3可以看到弓主要由弓体、弓弦组成。在仿真中，弓体已做柔性体处理，而实际弓弦同样具有弹性，因此在图3右图弓弦的中部设置一个圆柱的弓弦中，然后在弓弦中与弓的两端分别建立弹簧。

图4.弓的建模

      然后箭的设置如图4所示，在箭的尾部设置一个沟槽，用于和弓弦中的接触(主要通过结构的布尔操作合成)。箭的质量可以设置的较小些，后期仿真时使箭射的更远。

2.2力的设置

      力的设置主要包含两部分-弹簧力和接触力，首先是弹簧力，由于在张工拉弦之前，弓弦处于紧绷状态，所以需要给弹簧添加预紧力，这里设置为20N，并且刚度设置为50N/mm:

图5.弹簧力的建立

     由于弓箭与弦存在接触关系，所以在箭与弓弦中之间建立接触关系，并设置合适的接触刚度：

图6.接触力的建立

2.3约束的建立

      射箭时，是手握着弓，在仿真中，在弓中间的外联点处建立与地面的固定副；然后拉弓时箭与弓之间存在移动关系，所以在中间的外联点处建立箭与弓的移动副。如图7：

图7.约束关系建立

     但当放箭时，弓与箭的移动副约束关系应该是失效掉的，使箭脱离弓进行运动，所以需要在后面的某一过程中将该约束失效。

2.4驱动的建立

      拉弓时，需要用力拉，但是用力控制箭往后移动时，不容易控制箭的位移变化，所以，在仿真时，在移动副上添加位移驱动使箭往后走：

图8.驱动关系建立

    位移驱动是限制箭在移动方向的自由度，因此只有位移驱动处于激活状态，这个限制就一直存在，因此同样需要当箭拉到某个位置时将位移驱动失效掉。

失效设置及仿真  

      这种约束副、驱动、力等的失效可以用命令代码控制失效，也可以通过脚本控制，本文主要说明通过脚本控制的方法。

3.1建立传感器

      失效时，首先需要建立某种条件，也就是约束副、驱动等在某种条件下失效。这个条件可以用传感器来表达，如下图，在第1个框里为表达式，可以设置函数比如距离、角度、时间等，本次仿真通过时间控制；在第2个框里为关系，＝、＜等关系；第3个框为值，本次仿真设为5，也就是当运行5秒后进行条件判断；第4个框表示在该条件下的是继续运行还是停止，由于箭离开弦后还需要运动，所以选择继续-Continue。

  图9.传感器建立

3.2脚本建立(重点)

     点击创建脚本后，脚本形式选择Adams Solver Commands，

    然后选择Dynamic Simulation出现时间设置窗口后，End time设置为5s与传感器设置时间一致，然后点确定后出现新的命令行，如图：

    然后再选择Deactivate，设置失效内容，在约束行选择移动副，在驱动行选择位移驱动，在传感器行选择前面设置的传感器：

     最后由于前面传感器设置的是继续仿真，所以还需要再设置后续的仿真时间，在失效命令行后面再添加一行运行时间及步数，也就是总的运行时间为10s:

      通过以上步骤就完成了脚本的设置。

3.3仿真分析

    在仿真中选择按脚本分析，点击确定后(绿色箭头)就会完成计算分析。

仿真结果如下：

     上面的仿真似乎箭所获得的力不够，可以增大箭向后拉的距离，或者增加"弦"的刚度。增加刚度后仿真动画如下：

    仿真后明显箭的轨迹变直了，说明箭获得了更大的水平方向的动能。

明天是祖国建立75周年，祝祖国美丽富强，人民安居乐业、幸福美满！