Ansys Motion等速万向节刚柔耦合动力学仿真方案-电子发烧友网

前言

传统多体软件对于节点柔性体的刚柔耦合分析，需外接有限元求解器来求解结构变形，因此用户体验割裂感较强，且额外的有限元求解器也增加了实际成本。Ansys Motion集成了多体求解器和基于有限元柔性体的结构求解器，将刚体和不同类型柔性体结合在同一系统中，求解中结合全局坐标系和相对坐标系概念，让刚柔耦合仿真达到以前难以实现的便捷程度。

Ansys Motion 支持节点柔性体和模态柔性体，对求解大自由度、大变形、非线性材料（超弹性材料）、高速运动以及边界条件发生剧烈变化的非线性接触问题有独特优势，Motion 针对不同应用场景开发多个接触模型（刚体-刚体，刚体-柔性体，柔性体-柔性体），利用隐式积分算法和专用于刚柔混合系统定制的稀疏矩阵，在求解非线性问题时保证了仿真结果的稳定和精度，完善的解决了传统动力学分析仿真结果收敛困难的痛点。

本文将介绍利用AnsysMotion进行等速万向节模型动力学仿真，重点介绍在motion中建立万向节模型的刚柔耦合动力学模型的步骤，在同一系统中同时使用节点柔性体和模态柔性体，从而提高求解效率。

利用Ansys Motion建立等速万向节动力学模型

目前，AnsysMotion有两个版本可使用，一个是在workbench平台Mechanical界面下运行，另一个是Motion独立版本，用户可根据习惯选择熟悉版本，本文以Motion独立版为例进行介绍。

2.1 导入几何模型

SpaceClaim功能区集成Ansys Motion几何模型接口，可以将几何模型导入/替换Motion pre中的模型，可以自动打开Motion独立版界面。

等速万向节由内/外滚道，保持架，轴，滚珠等组成

几何模型修改，边缘可能会产生意想不到的噪音，可能会对球和内/外滚道之间的接触产生不良影响。

2.2 仿真场景

本次分别建立全刚体模型和刚柔耦合模型进行动力学分析，全刚体和刚柔耦合模型，根据柔性体节点数量，其在求解时间上差别很大，用户可根据需要选择适合的类型。如下所示，case1为全刚体模型，case2将保持架设为节点柔性体，case3将保持架，内滚道节点柔性体，将输入轴设为模态柔性体，考虑其变形和应力情况。

2.3 Ansys Motion接触建模

Mechanical环境中的contact对应的独立版中的BASE，Target对应Action ;

Case1. 全刚体接触模型

分别在滚珠与内/外滚道，保持架；保持架与内/外滚道之间定义通用接触General contact；

先定义参与接触的面集faceset→定义通用接触General contact

设置Faceset 参数

facet尺寸对接触计算有较大影响，需保持表面网格均匀光滑。但是，过细的表面网格会增加检测接触面的时间。

NURBS:的非均匀有理B样条曲线曲面（Non-Uniform RationalB-Splines）

Case2. 刚柔耦合接触模型（保持架）

采用自动网格法(六边形为主)对笼体进行网格划分，通过手动调整网格，可以提高笼体的网格质量。

Tips: 确保网格线与CAD几何图形一致。(在进行啮合工作时，CAD几何图形可能会扭曲(调整大小)，并可能导致接触不稳定。(引起意外的初始接触力)

节点柔性体和模态柔性体比较

Case3. 刚柔耦合接触模型（保持架+内滚道+轴）

设置FE节点柔性体Patchset参数

设置刚体接触面faceset参数

Surface Smoothing

选择Surface Smoothing时，根据几何实际情况建议使用No Smoothing或Smoothing，尽量不使用automatic；

“no smoothing”选项使求解器使用在界面边缘有不连续切平面的原始facet。如果相邻两个切面的切平面的不连续很小，则使用此选项是很好的。“smoothing”选项使求解器使用高阶多项式曲面，以避免相对角度较大的两个相邻切面的切平面不连续。“自动”选项计算两个相邻切面的相对角度，仅当两个相邻切面的相对角度较大时，才应用高阶多项式曲面。