Ansys Motion等速萬向節剛柔耦合動力學仿真方案

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前言

傳統多體軟件對于節點柔性體的剛柔耦合分析，需外接有限元求解器來求解結構變 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構求解器，將剛體和不同類型柔性體結合在同一系統中，求解中結合全局坐標系和相對坐標系概念，讓剛柔耦合仿真達到以前難以實現的便捷程度。

Ansys Motion 支持節點柔性體和模態柔性體，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生劇烈變化的非線性接觸問題有獨特優勢，Motion 針對不同應用場景開發多個接觸模型（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柔混合系統定制的稀疏矩陣，在求解非線性問題時保證了仿真結果的穩定和精度，完善的解決了傳統動力學分析仿真結果收斂困難的痛點。

本文將介紹利用AnsysMotion進行等速萬向節模型動力學仿真，重點介紹在motion中建立萬向節模型的剛柔耦合動力學模型的步驟，在同一系統中同時使用節點柔性體和模態柔性體，從而提高求解效率。

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利用Ansys Motion建立等速萬向節動力學模型

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，用戶可根據習慣選擇熟悉版本，本文以Motion獨立版為例進行介紹。

2.1 導入幾何模型

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

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等速萬向節由內/外滾道，保持架，軸，滾珠等組成

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

2.2 仿真場景

本次分別建立全剛體模型和剛柔耦合模型進行動力學分析，全剛體和剛柔耦合模型，根據柔性體節點數量，其在求解時間上差別很大，用戶可根據需要選擇適合的類型。如下所示，case1為全剛體模型，case2將保持架設為節點柔性體，case3將保持架，內滾道節點柔性體，將輸入軸設為模態柔性體，考慮其變形和應力情況。

2.3 Ansys Motion接觸建模

Mechanical環境中的contact對應的獨立版中的BASE，Target對應Action ;

Case1. 全剛體接觸模型

分別在滾珠與內/外滾道，保持架；保持架與內/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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設置Faceset 參數

facet尺寸對接觸計算有較大影響，需保持表面網格均勻光滑。但是，過細的表面網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. 剛柔耦合接觸模型（保持架）

采用自動網格法(六邊形為主)對籠體進行網格劃分，通過手動調整網格，可以提高籠體的網格質量。

Tips: 確保網格線與CAD幾何圖形一致。(在進行嚙合工作時，CAD幾何圖形可能會扭曲(調整大小)，并可能導致接觸不穩定。(引起意外的初始接觸力)

節點柔性體和模態柔性體比較

Case3. 剛柔耦合接觸模型（保持架+內滾道+軸）

設置FE節點柔性體Patchset參數

設置剛體接觸面faceset參數

Surface Smoothing

選擇Surface Smoothing時，根據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切平面的原始facet。如果相鄰兩個切面的切平面的不連續很小，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?！白詣印边x項計算兩個相鄰切面的相對角度，僅當兩個相鄰切面的相對角度較大時，才應用高階多項式曲面。

節點柔性體：內滾道; 模態柔性體：軸

接觸參數設置

2.4 Constraint and Joint

保持架，滾珠，外滾道與內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，等速萬向節和標量力；

2.5 求解設置

求解器相關設置，求解時間：0.8s，輸出步長：2400。

SolverType: Super，當系統沒有不連續接觸的問題，或系統有節點有限元體并發生小變形時，其求解速度優于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/外滾道之間接觸力

保持架與內/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. 剛柔耦合接觸模型（保持架）

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

Maximumstress: 1097Mpa

Case3. 剛柔耦合接觸模型（保持架+內滾道+軸）

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總結

本案例以等速傳動軸為例，利用ansysmotion對等速萬向節模型進行動力學建模，分別進行全剛體模型，剛柔耦合模型動力學分析，詳述具體設置步驟和接觸建模方法。

Ansys Motion為新一代專業剛柔耦合多體動力學分析軟件，可以在同一系統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，非線性接觸問題優勢明顯。

AnsysMotion同時支持節點和模態柔性體，并可以自由選擇，節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；模態柔性體利用模態坐標適合求解小變形，線性問題，求解效率高。

審核編輯：劉清