Ansys Motion等速萬向節(jié)剛?cè)狁詈蟿恿W(xué)仿真方案

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前言

傳統(tǒng)多體軟件對于節(jié)點柔性體的剛?cè)?a href="http://ttokpm.com/tags/耦合/" target="_blank">耦合分析，需外接有限元求解器來求解結(jié)構(gòu)變 形，因此用戶體驗割裂感較強，且額外的有限元求解器也增加了實際成本。Ansys Motion集成了多體求解器和基于有限元柔性體的結(jié)構(gòu)求解器，將剛體和不同類型柔性體結(jié)合在同一系統(tǒng)中，求解中結(jié)合全局坐標(biāo)系和相對坐標(biāo)系概念，讓剛?cè)狁詈?a target="_blank">仿真達(dá)到以前難以實現(xiàn)的便捷程度。

Ansys Motion 支持節(jié)點柔性體和模態(tài)柔性體，對求解大自由度、大變形、非線性材料（超彈性材料）、高速運動以及邊界條件發(fā)生劇烈變化的非線性接觸問題有獨特優(yōu)勢，Motion 針對不同應(yīng)用場景開發(fā)多個接觸模型（剛體-剛體，剛體-柔性體，柔性體-柔性體），利用隱式積分算法和專用于剛?cè)峄旌舷到y(tǒng)定制的稀疏矩陣，在求解非線性問題時保證了仿真結(jié)果的穩(wěn)定和精度，完善的解決了傳統(tǒng)動力學(xué)分析仿真結(jié)果收斂困難的痛點。

本文將介紹利用AnsysMotion進(jìn)行等速萬向節(jié)模型動力學(xué)仿真，重點介紹在motion中建立萬向節(jié)模型的剛?cè)狁詈蟿恿W(xué)模型的步驟，在同一系統(tǒng)中同時使用節(jié)點柔性體和模態(tài)柔性體，從而提高求解效率。

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利用Ansys Motion建立等速萬向節(jié)動力學(xué)模型

目前，AnsysMotion有兩個版本可使用，一個是在workbench平臺Mechanical界面下運行，另一個是Motion獨立版本，用戶可根據(jù)習(xí)慣選擇熟悉版本，本文以Motion獨立版為例進(jìn)行介紹。

2.1 導(dǎo)入幾何模型

SpaceClaim功能區(qū)集成Ansys Motion幾何模型接口，可以將幾何模型導(dǎo)入/替換Motion pre中的模型，可以自動打開Motion獨立版界面。

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等速萬向節(jié)由內(nèi)/外滾道，保持架，軸，滾珠等組成

幾何模型修改，邊緣可能會產(chǎn)生意想不到的噪音，可能會對球和內(nèi)/外滾道之間的接觸產(chǎn)生不良影響。

2.2 仿真場景

本次分別建立全剛體模型和剛?cè)狁詈夏Ｐ瓦M(jìn)行動力學(xué)分析，全剛體和剛?cè)狁詈夏Ｐ停鶕?jù)柔性體節(jié)點數(shù)量，其在求解時間上差別很大，用戶可根據(jù)需要選擇適合的類型。如下所示，case1為全剛體模型，case2將保持架設(shè)為節(jié)點柔性體，case3將保持架，內(nèi)滾道節(jié)點柔性體，將輸入軸設(shè)為模態(tài)柔性體，考慮其變形和應(yīng)力情況。

2.3 Ansys Motion接觸建模

Mechanical環(huán)境中的contact對應(yīng)的獨立版中的BASE，Target對應(yīng)Action ;

Case1. 全剛體接觸模型

分別在滾珠與內(nèi)/外滾道，保持架；保持架與內(nèi)/外滾道之間定義通用接觸General contact；

先定義參與接觸的面集faceset→定義通用接觸General contact

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設(shè)置Faceset 參數(shù)

facet尺寸對接觸計算有較大影響，需保持表面網(wǎng)格均勻光滑。但是，過細(xì)的表面網(wǎng)格會增加檢測接觸面的時間。

NURBS:的非均勻有理B樣條曲線曲面（Non-Uniform RationalB-Splines）

Case2. 剛?cè)狁詈辖佑|模型（保持架）

采用自動網(wǎng)格法(六邊形為主)對籠體進(jìn)行網(wǎng)格劃分，通過手動調(diào)整網(wǎng)格，可以提高籠體的網(wǎng)格質(zhì)量。

Tips: 確保網(wǎng)格線與CAD幾何圖形一致。(在進(jìn)行嚙合工作時，CAD幾何圖形可能會扭曲(調(diào)整大小)，并可能導(dǎo)致接觸不穩(wěn)定。(引起意外的初始接觸力)

節(jié)點柔性體和模態(tài)柔性體比較

Case3. 剛?cè)狁詈辖佑|模型（保持架+內(nèi)滾道+軸）

設(shè)置FE節(jié)點柔性體Patchset參數(shù)

設(shè)置剛體接觸面faceset參數(shù)

Surface Smoothing

選擇Surface Smoothing時，根據(jù)幾何實際情況建議使用No Smoothing或Smoothing，盡量不使用automatic；

“no smoothing”選項使求解器使用在界面邊緣有不連續(xù)切平面的原始facet。如果相鄰兩個切面的切平面的不連續(xù)很小，則使用此選項是很好的?！皊moothing”選項使求解器使用高階多項式曲面，以避免相對角度較大的兩個相鄰切面的切平面不連續(xù)?！白詣印边x項計算兩個相鄰切面的相對角度，僅當(dāng)兩個相鄰切面的相對角度較大時，才應(yīng)用高階多項式曲面。

節(jié)點柔性體：內(nèi)滾道; 模態(tài)柔性體：軸

接觸參數(shù)設(shè)置

2.4 Constraint and Joint

保持架，滾珠，外滾道與內(nèi)滾道之間通過定義部件接觸傳遞運動；

如下圖所示，在模型中添加移動副，圓柱副，等速萬向節(jié)和標(biāo)量力；

2.5 求解設(shè)置

求解器相關(guān)設(shè)置，求解時間：0.8s，輸出步長：2400。

SolverType: Super，當(dāng)系統(tǒng)沒有不連續(xù)接觸的問題，或系統(tǒng)有節(jié)點有限元體并發(fā)生小變形時，其求解速度優(yōu)于general求解器。

UseFDM Jacobian：使用此選項可以通過FDM（有限微分法）計算出更精準(zhǔn)的雅可比矩陣。如果仿真模型具有高頻率和較大的接觸剛度，使用此選項將增加步長，提高解決方案。

2.6 仿真結(jié)果

Motionpost是非常強大的專用后處理

Case 1：全剛體模型

4#滾珠與內(nèi)/外滾道之間接觸力

保持架與內(nèi)/外滾道之間接觸力

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1#滾珠與保持架之間接觸力

Case2. 剛?cè)狁詈辖佑|模型（保持架）

Contourrange has changed: Min: 0 ~Max: 200Mpa

Maximumstress: 1097Mpa

Case3. 剛?cè)狁詈辖佑|模型（保持架+內(nèi)滾道+軸）

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總結(jié)

本案例以等速傳動軸為例，利用ansysmotion對等速萬向節(jié)模型進(jìn)行動力學(xué)建模，分別進(jìn)行全剛體模型，剛?cè)狁詈夏Ｐ蛣恿W(xué)分析，詳述具體設(shè)置步驟和接觸建模方法。

Ansys Motion為新一代專業(yè)剛?cè)狁詈隙囿w動力學(xué)分析軟件，可以在同一系統(tǒng)中同時建立剛體和柔性體模型，擁有獨立motion求解器，針對不同應(yīng)用場景，提供多種接觸模型，對求解大自由度，高速運動，非線性接觸問題優(yōu)勢明顯。

AnsysMotion同時支持節(jié)點和模態(tài)柔性體，并可以自由選擇，節(jié)點柔心體適合大變形，非線性材料，整體和局部變形，適合所有類型柔性體，求解時間長；模態(tài)柔性體利用模態(tài)坐標(biāo)適合求解小變形，線性問題，求解效率高。

審核編輯：劉清