在實際工程中,我們所遇到的絕大多數問題,幾乎都是多體問題。單獨只分析某一個構件的強度和剛度,這是很少見的事情。那么如何對于這些多體,例如發動機的裝配體,手剎裝配體等等進行分析,這是很棘手的事情。

多體,意味著分析的對象不再只是單一的一個零件,而可能涉及到多個零件。而多個零件組成的對象,如果其間存在著相對運動,從而系統的自由度大于1,則成了機構。如果系統的自由度小于等于0,則是結構。所以多體的分析總體上可以分為機構動力學分析和結構動力學分析兩大塊。

(1)機構動力學分析——全剛體

如果所有的構件都可以看成是剛體,則這是所謂的多剛體動力學分析問題。多剛體動力學分析,本身就是一個學科,該學科的基礎不是別的,就是拉格朗日方程。多剛體動力學雖然理論很完善,但是手工求解是不可能的事情,需要計算機來輔助求解,從而出現了所謂的計算多剛體動力學。而計算多剛體動力學方面,最有名氣的軟件有ADAMS,DADS,SIMPACK等。

下面是ADAMS2012/VIEW的界面。

這個軟件專門用于多剛體動力學的仿真。對于機械系的學生來說,用得非常之多。實際上,理論力學的所有問題,機械原理中的大部分問題,都可以用它來計算。它也是筆者做科研用得最多的軟件之一。

下面說下ANSYS Workbench對于多剛體動力學的支持。

一般認為ANSYS只是做強度剛度分析,還會做機構的分析嗎?

在ANSYS Workbench的分析系統中,就專門有一個分析系統“rigid dynamics”,用于做機構動力學分析。雖然其操作沒有ADAMS那么方便,但是也還可以。在該分析系統里面,所有的構件都是剛體,而不允許變形體出現,對于rigid dynamics而言,建模的過程基本上就是創建各類運動副,比如轉動副,移動副之類的,這與ADAMS類似。全剛體的機構動力學分析的結果,無非就是某個構件或者某個點的位移,速度,加速度,以及某些運動副處的約束力,約束力矩,以及動能等量。

(2)機構動力學分析——剛柔耦合

在某些機構中,大部分構件可以當做剛體看待,但是也有少數構件,我們在實踐中發現它很容易發生疲勞破壞,這樣,這些構件就需要處理成為變形體。例如下面的曲柄滑銷機構

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

這就是所謂的剛柔耦合問題。

對于剛柔耦合的仿真,傳統的方法是結合多剛體動力學分析軟件和有限元分析軟件來做聯合仿真。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,然后導入到多剛體動力學軟件如ADAMS中,替換機構中對應的構件,從而做剛柔耦合仿真。

這種轉換比較麻煩,所以ANSYS就直接提供了在其內部進行剛柔耦合的功能。這種耦合功能的提供,一方面就是可以對于任意的構件指定其是剛體還是變形體,另外一個方面,就是提供大量的運動副來連接構件。

下面是Mechanical中對于構件指定是剛體還是變形體的細節視圖:

下面是Mechanical中提供的大量運動副,包括固定副,轉動副,圓柱副,移動副等。

使用上述方式,就可以直接在ANSYS Workbench中進行剛柔耦合的仿真,非常方便。

(3)結構動力學分析——全柔性體

結構動力學分析,意味著它主要并不是以一個機構的形式存在,不會發生那么大幅度的運動。如果在構件之間發生了運動,也是相對較小的運動。這種對象,我們通常稱之為裝配體的動力學仿真問題。

對于裝配體的動力學仿真,最重要的,就是設置零件之間的相互連接關系。這種關系,在ANSYS中,總體上包括這樣幾類:

(a)運動副。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。ANSYS Workbench提供了強大的接觸分析功能,可以自動化的設置五種常見的接觸,而且操作界面非常直觀。

上面是一個設置接觸的例子。ANSYS不僅可以手工設置接觸,也可以自動設置接觸。對每一種接觸,它提供了所謂的body views和sync views來很容易的操縱各個接觸面。而且,對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,滲透狀態,接觸應力和摩擦應力。

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