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 ADAM- Sem 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 manuál či učebnice. 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 wokenní aplikace a tomu odpovídá i jednoduché myšoidní 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-click, 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 mo- 3
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 objekty 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