基于ANSYS Workbench的多體分析介紹

在實(shí)際工程中,我們所遇到的絕大多數(shù)問題,幾乎都是多體問題。單獨(dú)只分析某一個(gè)構(gòu)件的強(qiáng)度和剛度,這是很少見的事情。那么如何對(duì)于這些多體,例如發(fā)動(dòng)機(jī)的裝配體,手剎裝配體等等進(jìn)行分析,這是很棘手的事情。

多體,意味著分析的對(duì)象不再只是單一的一個(gè)零件,而可能涉及到多個(gè)零件。而多個(gè)零件組成的對(duì)象,如果其間存在著相對(duì)運(yùn)動(dòng),從而系統(tǒng)的自由度大于1,則成了機(jī)構(gòu)。如果系統(tǒng)的自由度小于等于0,則是結(jié)構(gòu)。所以多體的分析總體上可以分為機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析和結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析兩大塊。

(1)機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析——全剛體

如果所有的構(gòu)件都可以看成是剛體,則這是所謂的多剛體動(dòng)力學(xué)分析問題。多剛體動(dòng)力學(xué)分析,本身就是一個(gè)學(xué)科,該學(xué)科的基礎(chǔ)不是別的,就是拉格朗日方程。多剛體動(dòng)力學(xué)雖然理論很完善,但是手工求解是不可能的事情,需要計(jì)算機(jī)來輔助求解,從而出現(xiàn)了所謂的計(jì)算多剛體動(dòng)力學(xué)。而計(jì)算多剛體動(dòng)力學(xué)方面,最有名氣的軟件有ADAMS,DADS,SIMPACK等。

下面是ADAMS2012/VIEW的界面。

這個(gè)軟件專門用于多剛體動(dòng)力學(xué)的仿真。對(duì)于機(jī)械系的學(xué)生來說,用得非常之多。實(shí)際上,理論力學(xué)的所有問題,機(jī)械原理中的大部分問題,都可以用它來計(jì)算。它也是筆者做科研用得最多的軟件之一。

下面說下ANSYS Workbench對(duì)于多剛體動(dòng)力學(xué)的支持。

一般認(rèn)為ANSYS只是做強(qiáng)度剛度分析,還會(huì)做機(jī)構(gòu)的分析嗎?

在ANSYS Workbench的分析系統(tǒng)中,就專門有一個(gè)分析系統(tǒng)“rigid dynamics”,用于做機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析。雖然其操作沒有ADAMS那么方便,但是也還可以。在該分析系統(tǒng)里面,所有的構(gòu)件都是剛體,而不允許變形體出現(xiàn),對(duì)于rigid dynamics而言,建模的過程基本上就是創(chuàng)建各類運(yùn)動(dòng)副,比如轉(zhuǎn)動(dòng)副,移動(dòng)副之類的,這與ADAMS類似。全剛體的機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析的結(jié)果,無非就是某個(gè)構(gòu)件或者某個(gè)點(diǎn)的位移,速度,加速度,以及某些運(yùn)動(dòng)副處的約束力,約束力矩,以及動(dòng)能等量。

(2)機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析——?jiǎng)側(cè)狁詈?

在某些機(jī)構(gòu)中,大部分構(gòu)件可以當(dāng)做剛體看待,但是也有少數(shù)構(gòu)件,我們?cè)趯?shí)踐中發(fā)現(xiàn)它很容易發(fā)生疲勞破壞,這樣,這些構(gòu)件就需要處理成為變形體。例如下面的曲柄滑銷機(jī)構(gòu)

這里面的連桿容易出問題,所以我們就把它處理成為變形體,而其它構(gòu)件則處理成為剛體,就得到如下圖所示的有限元模型

這就是所謂的剛?cè)狁詈蠁栴}。

對(duì)于剛?cè)狁詈系姆抡?傳統(tǒng)的方法是結(jié)合多剛體動(dòng)力學(xué)分析軟件和有限元分析軟件來做聯(lián)合仿真。就是說,首先,在有限元軟件如ANSYS,NASTRAN中生成柔性體的中性文件,然后導(dǎo)入到多剛體動(dòng)力學(xué)軟件如ADAMS中,替換機(jī)構(gòu)中對(duì)應(yīng)的構(gòu)件,從而做剛?cè)狁詈戏抡妗?

這種轉(zhuǎn)換比較麻煩,所以ANSYS就直接提供了在其內(nèi)部進(jìn)行剛?cè)狁詈系墓δ?。這種耦合功能的提供,一方面就是可以對(duì)于任意的構(gòu)件指定其是剛體還是變形體,另外一個(gè)方面,就是提供大量的運(yùn)動(dòng)副來連接構(gòu)件。

下面是Mechanical中對(duì)于構(gòu)件指定是剛體還是變形體的細(xì)節(jié)視圖:

下面是Mechanical中提供的大量運(yùn)動(dòng)副,包括固定副,轉(zhuǎn)動(dòng)副,圓柱副,移動(dòng)副等。

使用上述方式,就可以直接在ANSYS Workbench中進(jìn)行剛?cè)狁詈系姆抡?非常方便。

(3)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析——全柔性體

結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析,意味著它主要并不是以一個(gè)機(jī)構(gòu)的形式存在,不會(huì)發(fā)生那么大幅度的運(yùn)動(dòng)。如果在構(gòu)件之間發(fā)生了運(yùn)動(dòng),也是相對(duì)較小的運(yùn)動(dòng)。這種對(duì)象,我們通常稱之為裝配體的動(dòng)力學(xué)仿真問題。

對(duì)于裝配體的動(dòng)力學(xué)仿真,最重要的,就是設(shè)置零件之間的相互連接關(guān)系。這種關(guān)系,在ANSYS中,總體上包括這樣幾類:

(a)運(yùn)動(dòng)副。如上圖所示,不再贅述。

(b)接觸。這在ANSYS 中是一大塊,接觸分析歷來就是裝配體分析的重點(diǎn)。ANSYS Workbench提供了強(qiáng)大的接觸分析功能,可以自動(dòng)化的設(shè)置五種常見的接觸,而且操作界面非常直觀。

上面是一個(gè)設(shè)置接觸的例子。ANSYS不僅可以手工設(shè)置接觸,也可以自動(dòng)設(shè)置接觸。對(duì)每一種接觸,它提供了所謂的body views和sync views來很容易的操縱各個(gè)接觸面。而且,對(duì)于接觸分析的后處理,它也提供了專門的接觸工具,用于分析接觸面的接觸狀態(tài),滲透狀態(tài),接觸應(yīng)力和摩擦應(yīng)力。

(c)使用彈簧或梁來連接物體。彈簧是只有彈性而沒有質(zhì)量物體的抽象化;而梁則是對(duì)于有彈性且有質(zhì)量物體的簡(jiǎn)化。如下圖所示,兩個(gè)長(zhǎng)方體的頂點(diǎn)之間,一處用彈簧連接,而另外一處用圓截面梁連接。