基于ANSYS Workbench的多体分析介绍

在实际工程中,我们所遇到的绝大多数问题,几乎都是多体问题。单独只分析某一个构件的强度和刚度,这是很少见的事情。那么如何对于这些多体,例如发动机的装配体,手刹装配体等等进行分析,这是很棘手的事情。

多体,意味着分析的对象不再只是单一的一个零件,而可能涉及到多个零件。而多个零件组成的对象,如果其间存在着相对运动,从而系统的自由度大于1,则成了机构。如果系统的自由度小于等于0,则是结构。所以多体的分析总体上可以分为机构动力学分析和结构动力学分析两大块。

(1)机构动力学分析——全刚体

如果所有的构件都可以看成是刚体,则这是所谓的多刚体动力学分析问题。多刚体动力学分析,本身就是一个学科,该学科的基础不是别的,就是拉格朗日方程。多刚体动力学虽然理论很完善,但是手工求解是不可能的事情,需要计算机来辅助求解,从而出现了所谓的计算多刚体动力学。而计算多刚体动力学方面,最有名气的软件有ADAMS,DADS,SIMPACK等。

下面是ADAMS2012/VIEW的界面。

这个软件专门用于多刚体动力学的仿真。对于机械系的学生来说,用得非常之多。实际上,理论力学的所有问题,机械原理中的大部分问题,都可以用它来计算。它也是笔者做科研用得最多的软件之一。

下面说下ANSYS Workbench对于多刚体动力学的支持。

一般认为ANSYS只是做强度刚度分析,还会做机构的分析吗?

在ANSYS Workbench的分析系统中,就专门有一个分析系统“rigid dynamics”,用于做机构动力学分析。虽然其操作没有ADAMS那么方便,但是也还可以。在该分析系统里面,所有的构件都是刚体,而不允许变形体出现,对于rigid dynamics而言,建模的过程基本上就是创建各类运动副,比如转动副,移动副之类的,这与ADAMS类似。全刚体的机构动力学分析的结果,无非就是某个构件或者某个点的位移,速度,加速度,以及某些运动副处的约束力,约束力矩,以及动能等量。

(2)机构动力学分析——刚柔耦合

在某些机构中,大部分构件可以当做刚体看待,但是也有少数构件,我们在实践中发现它很容易发生疲劳破坏,这样,这些构件就需要处理成为变形体。例如下面的曲柄滑销机构

这里面的连杆容易出问题,所以我们就把它处理成为变形体,而其它构件则处理成为刚体,就得到如下图所示的有限元模型

这就是所谓的刚柔耦合问题。

对于刚柔耦合的仿真,传统的方法是结合多刚体动力学分析软件和有限元分析软件来做联合仿真。就是说,首先,在有限元软件如ANSYS,NASTRAN中生成柔性体的中性文件,然后导入到多刚体动力学软件如ADAMS中,替换机构中对应的构件,从而做刚柔耦合仿真。

这种转换比较麻烦,所以ANSYS就直接提供了在其内部进行刚柔耦合的功能。这种耦合功能的提供,一方面就是可以对于任意的构件指定其是刚体还是变形体,另外一个方面,就是提供大量的运动副来连接构件。

下面是Mechanical中对于构件指定是刚体还是变形体的细节视图:

下面是Mechanical中提供的大量运动副,包括固定副,转动副,圆柱副,移动副等。

使用上述方式,就可以直接在ANSYS Workbench中进行刚柔耦合的仿真,非常方便。

(3)结构动力学分析——全柔性体

结构动力学分析,意味着它主要并不是以一个机构的形式存在,不会发生那么大幅度的运动。如果在构件之间发生了运动,也是相对较小的运动。这种对象,我们通常称之为装配体的动力学仿真问题。

对于装配体的动力学仿真,最重要的,就是设置零件之间的相互连接关系。这种关系,在ANSYS中,总体上包括这样几类:

(a)运动副。如上图所示,不再赘述。

(b)接触。这在ANSYS 中是一大块,接触分析历来就是装配体分析的重点。ANSYS Workbench提供了强大的接触分析功能,可以自动化的设置五种常见的接触,而且操作界面非常直观。

上面是一个设置接触的例子。ANSYS不仅可以手工设置接触,也可以自动设置接触。对每一种接触,它提供了所谓的body views和sync views来很容易的操纵各个接触面。而且,对于接触分析的后处理,它也提供了专门的接触工具,用于分析接触面的接触状态,渗透状态,接触应力和摩擦应力。

(c)使用弹簧或梁来连接物体。弹簧是只有弹性而没有质量物体的抽象化;而梁则是对于有弹性且有质量物体的简化。如下图所示,两个长方体的顶点之间,一处用弹簧连接,而另外一处用圆截面梁连接。