基于RecurDyn机器人简易参数化模型及刚柔耦合案例分析

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导读：RecurDyn作为系统级动力学分析软件，可以对工业机器人进行多体动力学建模，进而进行刚体动力学分析，进行正运动学分析（根据关节输入力矩求关节的角位移、角速度、角加速度）及逆运动学分析（根据关节角度的变化求关节力矩等），同时RecurDyn可以进行刚体和柔形体耦合分析计算机器人连杆或铸件的动应力。3月25日（周六），笔者将受邀在仿真秀机器人工业品学习月第四期讲座分享《机器人轨迹规划及机械仿真案例》，详情见后文。

一、六轴机器人连杆模型的参数化建模

RecurDyn中设置参数，通过参数表示各连杆的初始位姿，可形成六轴机器人零位姿态的模型。

定义易辨识的参数名称和初始参数值，并通过引用这些参数形成参数化的点，再基于快速创建规则几何的功能创建连杆。

设置参数

引用参数定义参数化的点

引用参数化的点形成连杆模型

同样连杆的质量和质心也可以通过参数、参数化的点表示。最后可以形成如下图所示的简易机器人模型。

参数的简易机器人模型

二、刚体和柔性体耦合的机器人模型分析

以模态柔性体（RFLex）为例进行说明，本文介绍使用ansys生成模态柔性体，可以在ansys经典界面使用宏或者在workbench界面使用插件输出rst结果文件等，然后在多体动力学软件中生成模态柔性体的输入文件。

1、在ansys经典界面使用宏输出rst结果文件的流程如下：

1）从开始菜单找到ANSYS Mechanical APDL Product Launcher，点击后弹出界面；

设置工作目录和job name，点击“Run”启动ANSYS经典界面。

2）将x_t导入ansys经典界面；

从File菜单选Import下的PARA，浏览到x_t的几何模型，点“OK”，导入几何模型。

3）设置材料参数

点击Main Menu>Preprocessor>Material Props>Material Models，弹出材料设置对话框，注意材料参数数值对应的单位，此次以密度为kg/m3为例进行说明，设置弹性模量和泊松比；

4）设置单元类型

点击Main Menu>Preprocessor>Element Type，弹出Element Types对话框

点击“Add”添加单元类型Solid>Brick 8 node 185，点“Apply”，接着添加Structural Mass>3D mass 21单元类型，点“OK”退出单元类型库对话框，点“Close”退出单元定义对话框；

5）定义3D mass 21单元的实常数

点击Main Menu>Preprocessor>Real Constants/Add/Edit/Delete，弹出Real Constants对话框；

选择MASS21单元类型，

设置MASS21的Real Constants；依次“OK”、“Close”退出Real Constants对话框。

6）划分网格

划分完成的网格如下图所示。

7）在运动副的中心点处建立节点

点Main Menu>Preprocessor>Modeling>Creat>Nodes>In Active CS，在杆件两端的圆柱面的中心分别创建节点，节点号设置为10001、10002，坐标设置为0、0、0和0、0、-0.08。

8）定义质量单元

点Main Menu>Preprocessor>Modeling>Creat>Elements>Elem Attributes，选择Element type number为2 MASS21，点“OK”退出对话框；

点Main Menu>Preprocessor>Modeling>Creat>Elements>Auto Numbered>Thru Nodes，在弹出的对话框中输入10001（前面单独创建的节点号），点“OK”，接着点Thru Nodes，在弹出的对话框中输入10002，点“OK”。

可以通过下拉菜单或者在命令输入框输入Elist命令查看建立的单元信息。

9）选择运动副定义附属的面，并选择面上的节点，创建组，作为后面创建刚性单元的从节点

点击下拉菜单Select>Entities，在弹出的对话框中将选择类型选为“Areas”，点“OK”，弹出“Select Areas”对话框，在图形界面中选择杆件一端的圆柱面；

再次点击下拉菜单Select>Entities，在弹出的对话框中将选择类型选为“Nodes”，方式为Attached to，选择“Areas，All”，点“OK”退出对话框。

点击下拉菜单Select>Comp/Assembly>Create Component，在弹出的对话框里输入Component的名称，点“OK”退出对话框。

采用类似的操作建立杆件另一端圆柱面上的节点组成的Component，命名为S2.

10）选择自建的节点，创建组，作为后面创建刚性单元的主节点

点击下拉菜单Select>Entities，在弹出的对话框中将选择类型选为“Nodes”，方式为“By Num/Pick”，点“OK”，在弹出的对话框中输入前面单独建立的节点的节点号10001，点“OK”退出对话框。

点击下拉菜单Select>Comp/Assembly>Create Component，在弹出的对话框里输入Component的名称M1，点“OK”退出对话框。

点击下拉菜单Select>Entities，在弹出的对话框中将选择类型选为“Nodes”，方式为“By Num/Pick”，点“OK”，在弹出的对话框中输入前面单独建立的节点的节点号10002，点“OK”退出对话框。

点击下拉菜单Select>Comp/Assembly>Create Component，在弹出的对话框里输入Component的名称M2，点“OK”退出对话框。

11）创建主节点和从节点集的assembly

点击下拉菜单Select>Comp/Assembly>Create Assembly，在弹出的对话框里选择M1和S1，在Assembly name中输入MS1；

以相同的方式创建Assembly MS2。

12）创建刚性单元

点击下拉菜单Select>Comp/Assembly>Select Comp/Assembly，在弹出的对话框里点“OK”，选择MS1，点“OK”退出对话框；

点击下拉菜单Plot>Nodes，显示选择的MS1包含的节点；

切换视图，方便后续选择主节点和从节点；

点击Main Menu>Preprocessor>Coupling/Ceqn>Rigid Region，弹出对话框，输入主节点号10001，或者在图形窗口选择主节点，接着使用圈选（Circle）的方式选择从节点；

要注意使用Unpick、Single的形式取消选择中间的主节点，在弹出的对话框中点击“OK”；以相同的方式以Assembly MS2包含的节点创建Rigid Region。

13）以主节点创建INTERFACE组

点击下拉菜单Select>Component Manager，在弹出的对话框中点击“Create Component”按钮，

在弹出的“Create Component”对话框中勾选Pick entites，输入INTERFACE，点击“OK”，在弹出的对话框中输入主节点号10001，10002，点“OK”；

14）设置标量参数

点击下拉菜单Parameters>Scalar Parameters，在弹出的对话框里输入NMODES=10，点“Accept”，以设置模态分析的阶数；

15）运行宏RecurDyn_AnsysCMS.MAC，生成后缀名为rst、cm、emat、mp的文件

将宏文件RecurDyn_AnsysCMS.MAC（D:\Program Files\FunctionBay, Inc\RecurDyn V9R4\Toolkits\Flexible input files\ANSYS）复制到当前工作目录；点击下拉菜单File>Read Input from，选择当前工作目录的宏文件，点“OK”开始运行，运行成功后有提示。

2、在workbench界面使用插件输出rst结果文件的流程如下：

1）在workbench里创建一个静力分析流程

2）单位制切换成m-kg

3）导入铸件的几何

4）定义网格划分控制

5）创建点质量（point mass）

点质量的质量取非0的很小的值，行为设置为刚性。

6）点击RDRFlex插件中的“Creat RFlex Body”，创建RDFlexBody

7）在RDRFlexBody的细节窗口里，选择“Scoping Method”右边的下拉箭头选择Points

8）点击“Interface Points”右边的Tabular Data，弹出对话框

在对话框里将point mass前面的select选项选为yes，点“Apply”

9）点RDRFlex插件中的CMS Analysis开始分析

10）生成后缀名为rst、cm、emat、mp的文件

3、在Recurdyn中制作RFI文件

点击Flexible页面的MakeRFI，点“OK”，选择第（1）步生成的rst文件，切换长度单位为meter，点“OK”，生成RFI文件，成功后有提示框；

4、用模态柔性体代替多体动力学模型中的刚体

1）在Recurdyn中点击Flexible页面下的G-Manager

（2）选择模态柔性体要替换的刚体零件，选择Target Converting Body类型为RFlex，浏览选择需要使用的*.rfi文件（模态柔性体输入文）

（3）查看输入的rfi文件的属性，取消选择前6阶模态

（4）运行动力学仿真

（5）完成仿真后点Flexible页面下RFlex区域的Contour，可以设置要关注动态应力的节点或单元选择集。点“OK”退出对话框

（6）回到Analysis页面，点动画播放按钮，查看动画及应力.

机器人运动过程中某个时刻大臂连杆的应力

三、机器人轨迹规划及机械仿真案例

仿真秀以分享知识传递价值，为仿真优质内容创作者赋能，解决机器人行业关联企业研发技术攻关中的难点，并服务国家重大需求。自2023年2月2日起，仿真秀正式启动机器人-工业品仿真技术专题讲座。

对于已经身处机器人行业、或是有意从事机器人相关专业的同学和工程师们，可以关注仿真秀接下来的几场直播讲座。2月25日周六，仿真秀机器人工业品仿真第四期讲座《机器人轨迹规划及机械仿真案例》将邀请移动机器人行业资深仿真设计工程师-AMESIM液压专家主讲，高级机械工程师，超过15年的机械设计和仿真分析经历，技术经验涵括多体动力学、有限元分析、疲劳分析、液压系统仿真及优化、振动测试等领域。

以下是讲座安排

工业品机器人仿真（四）：机器人轨迹规划及机械仿真案例-仿真秀直播