COMSOL 多體動力學(xué)模塊

多體動力學(xué)模塊

模擬多體系統(tǒng)的動力學(xué)

“多體動力學(xué)模塊”是 COMSOL Multiphysics? 軟件的一款附加產(chǎn)品，其中提供一套先進的工具，支持使用有限元分析（FEA）來設(shè)計、優(yōu)化二維和三維多體系統(tǒng)，能夠模擬柔體和剛體混合系統(tǒng)，同時減少計算工作量，幫助用戶找到系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，方便您在汽車工程、航空航天工程、生物力學(xué)等主要應(yīng)用領(lǐng)域執(zhí)行更加詳細的部件級結(jié)構(gòu)分析。

本模塊提供內(nèi)置的多物理場耦合，包括聲-結(jié)構(gòu)、實體-軸承和流體-多體相互作用。COMSOL? 軟件的多物理場功能支持將多體動力學(xué)與其他物理效應(yīng)（例如高級傳熱、流體流動、聲學(xué)和電磁學(xué)）進行耦合分析。此外，您還可以進一步擴展建模功能，將非線性結(jié)構(gòu)材料和 CAD 導(dǎo)入功能納入建模仿真，以滿足更廣泛的仿真需求。

剛性和柔性部件

在多體系統(tǒng)建模中，柔體和剛體通過各種連接方式（例如關(guān)節(jié)、齒輪、凸輪、軸承、彈簧或阻尼器）相互作用，并承受大量的位移和旋轉(zhuǎn)載荷。使用“多體動力學(xué)模塊”的優(yōu)點之一是您可以輕松混合剛性和柔性部件，以實現(xiàn)更為靈活的模型構(gòu)建。

通常情況下，多體仿真中的所有或大部分部件都是剛性的，因此只需考慮剛體的自由度。然而，在某些情況下，您可能希望將其中一個或多個部分表示為柔性部件。借助本模塊中提供的材料模型，您可以選擇性地將剛性和柔性部件指派到模型，以執(zhí)行包括非線性材料效應(yīng)在內(nèi)的詳細結(jié)構(gòu)分析。舉例來說，“多體動力學(xué)模塊”可用于計算結(jié)構(gòu)的剛性部件中關(guān)節(jié)所承受的力，以及柔性組件中產(chǎn)生的應(yīng)力。

靜態(tài)分析和動態(tài)分析

“多體動力學(xué)模塊”為組件的靜態(tài)和動態(tài)行為建模提供了強大的工具，能夠捕捉它們之間的平移和旋轉(zhuǎn)運動，您可以執(zhí)行各種類型的動態(tài)模型分析，包括：

· 瞬態(tài)

· 特征頻率

· 頻域

· 模態(tài)疊加

· 隨機振動（與結(jié)構(gòu)力學(xué)模塊結(jié)合使用）

舉例來說，本模塊可用于模擬齒輪或鏈條等傳動部件的動力學(xué)。然后，您可以將多體分析的結(jié)果用于其他類型的分析，例如疲勞評估或聲學(xué)分析，以準確評估系統(tǒng)產(chǎn)生的噪聲情況。

本模塊可以計算多種物理量，包括位移、速度、加速度、關(guān)節(jié)力、齒輪接觸力，以及柔性部件中的應(yīng)力等。此外，您還可以對剛體之間的摩擦接觸進行建模，與基于網(wǎng)格的標準接觸相比，這種方法更加穩(wěn)定和高效。

使用多體動力學(xué)模塊分析多體系統(tǒng)

多體動力學(xué)模塊的特征和功能

探索 COMSOL? 軟件的多體動力學(xué)工具，助您實現(xiàn)多體系統(tǒng)的設(shè)計與優(yōu)化。

內(nèi)置用戶接口

進行多體動力學(xué)分析時，您可以在 COMSOL Multiphysics? 環(huán)境中完成建模過程的所有步驟?！岸囿w動力學(xué)模塊”內(nèi)置了一個多體動力學(xué) 接口，它是最為重要的工具之一，用于對柔性和剛性組件或兩者組合的裝配進行建模，其中提供了多種選項，包括模擬各種類型的關(guān)節(jié)、齒輪、鏈輪組件以及凸輪-從動機構(gòu)?！傲慵臁笨梢詭椭鷺?gòu)建組件的幾何形狀。軟件會自動處理網(wǎng)格劃分和求解器設(shè)置，并提供多個手動編輯選項。

多體動力學(xué) 接口，用于對兩個機械部件之間的鉸鏈進行建模。該結(jié)構(gòu)采用柔性和剛性部件進行分析。

關(guān)節(jié)集合

為了設(shè)計逼真的多體動力學(xué)系統(tǒng)，本模塊提供了一個全面的預(yù)定義關(guān)節(jié)集合，相互連接的多體組件之間的相對運動根據(jù)關(guān)節(jié)類型受到約束。其中包含以下關(guān)節(jié)類型：

· 棱柱

· 鉸鏈

· 圓柱

· 螺紋

· 平面

· 球

· 槽

· 縮進槽

· 固定

· 距離

· 萬向節(jié)

除了選擇適當(dāng)?shù)年P(guān)節(jié)類型外，您還可以對關(guān)節(jié)應(yīng)用額外的屬性，例如彈性、摩擦、約束（允許最大運動范圍）和鎖定。

本例使用由鉸鏈關(guān)節(jié)和棱柱關(guān)節(jié)制成的不同組件之間的連接來模擬彈簧離心調(diào)速器，結(jié)果顯示各個部分的位移和飛球的軌跡。

集總機械系統(tǒng)

集總機械系統(tǒng) 接口可通過具有集總組件（例如質(zhì)量塊和彈簧）的回路表示來模擬抽象的機械系統(tǒng)。這些集總組件可以按串聯(lián)或并聯(lián)的方式排列，用于分析位移、速度、加速度和力。

集總-結(jié)構(gòu)連接 多物理場耦合可用于將這些系統(tǒng)插入基于任意結(jié)構(gòu)力學(xué)物理場接口構(gòu)建的有限元（FE）模型中。

集總機械系統(tǒng) 接口用于模擬具有 11 個自由度的車輛懸掛系統(tǒng)集總模型。

齒輪和齒條集合

本模塊提供一個預(yù)定義的齒輪和齒條集合，讓您能夠輕松而可靠地創(chuàng)建包含多個運動部件的傳動系統(tǒng)模型。通過自動檢查正確輪齒嚙合的可比性標準，該工具可以幫助您確定正確的齒輪副。齒輪可以直接安裝在剛性或柔性軸上，也可以通過使用鉸鏈和襯套進行安裝。

為了增加傳動系統(tǒng)模型的準確性和真實性，齒輪副還可以包含彈性、傳動誤差、齒隙和摩擦等額外參數(shù)。以下是我們提供的齒輪和齒條類型：

· 直齒輪，外部

· 直齒輪，內(nèi)部

· 斜齒輪，外部

· 斜齒輪，內(nèi)部

· 錐齒輪

· 蝸輪副

· 直齒條

· 斜齒條

本例對直齒輪系進行分析，以計算所有齒輪的角速度及其承受的力和力矩。結(jié)果顯示殼體中的位移和法向加速度。

鏈傳動

典型的鏈傳動是由兩個或多個鏈輪構(gòu)成的組件，鏈輪上纏繞著鏈條，可以將機械動力從一個軸傳遞到另一個軸。通過使用多體動力學(xué) 接口中的鏈傳動 特征，您可以對滾子鏈輪組件進行二維或三維建模，不僅能夠確定鏈傳動組件內(nèi)的相互作用，還能自動生成一組多體動力學(xué)特征來描述組件的行為。

彈性鏈輪總成三維模型，其中的滾子鏈纏繞在兩個鏈輪上。本例使用鏈傳動 特征來快速建立鏈傳動系統(tǒng)。結(jié)果顯示鏈輪的應(yīng)力分布。

徑向滾子軸承

滾子軸承廣泛應(yīng)用于低速場景，其中噪音水平并不是一個重要的考慮因素。盡管這些軸承的使用壽命有限，尤其在不對中的情況下更為明顯，但由于其成本較低，更換軸承變得輕而易舉。

“多體動力學(xué)模塊”與轉(zhuǎn)子動力學(xué)模塊結(jié)合使用時，可以提供多種不同類型的三維預(yù)定義徑向滾子軸承，包括：

· 深溝球

· 角接觸球

· 調(diào)心球

· 球面滾子

· 圓柱滾子

· 圓錐滾子

本例使用徑向滾子軸承 特征通過在兩個組件之間插入滾動體來模擬它們之間的相對旋轉(zhuǎn)。結(jié)果顯示不對中軸承的應(yīng)力和軸承力以及軸的角速度。

剛體接觸和摩擦

為了準確模擬剛體之間的機械接觸，我們提供了剛體接觸 特征，可以輕松模擬標準形狀剛體之間的無網(wǎng)格接觸。根據(jù)源體和目標體的形狀，您可以使用以下不同類型的公式：

· 球到球

· 球到圓柱

· 球到平面

· 球到任意

· 圓柱到圓柱

· 圓柱到平面

除了這些剛體接觸公式以外，我們還提供了一種通用公式，用于分析兩個體（其中至少一個是柔體）之間的分布式接觸。

圓柱滾子軸承系統(tǒng)，其中使用剛體接觸 特征來模擬多個剛體之間的結(jié)構(gòu)接觸。結(jié)果顯示接觸力和速度。

凸輪-從動件連接

凸輪-從動件 連接特征用于通過在凸輪及其從動件之間施加雙向約束來模擬簡化接觸。凸輪-從動系統(tǒng)通過一個點沿一組邊界或邊的跟隨運動進行定義。凸輪可以在剛體和彈性體上定義，因此凸輪邊界或邊可以經(jīng)歷任意形式的剛體運動或變形。

該工具允許您將任何用戶定義的凸輪輪廓繪制成幾何模型，并根據(jù)位移、速度和加速度曲線計算從動件的運動。此外，還可以計算接觸點的連接力，因此，通過查看連接力的符號，就可以預(yù)測凸輪與從動件之間的間歇接觸。

本例分析一種帶有搖臂和徑向凸輪的彈簧式閥門開啟機構(gòu)，其中使用凸輪-從動件 特征來檢查一個運動體的某個點是否與另一個運動體保持接觸。

液體動壓軸承

在進行液體動壓軸承的多體分析時，需要與“轉(zhuǎn)子動力學(xué)模塊”中的液體動壓軸承 接口進行耦合。本接口可用于分析三維液膜軸承，其中使用表面幾何進行有效建模。當(dāng)模型中同時存在多體動力學(xué) 和液體動壓軸承 接口時，您可以使用實體-軸承耦合 多物理場耦合功能，輕松地對多體系統(tǒng)中的以下軸頸軸承進行建模：

· 滑動軸頸

· 橢圓軸頸

· 對開軸頸

· 多油葉軸頸

· 可傾瓦軸頸

本例分析由液體動壓軸承支撐的單缸往復(fù)式發(fā)動機，其中使用“轉(zhuǎn)子動力學(xué)模塊”中的液體動壓軸承 接口對軸承進行建模

部件模態(tài)綜合法（CMS）

在“多體動力學(xué)模塊”中，我們引入了 Craig-Bampton 方法，可以將線性部件簡化為計算效率高的降階模型。通過這種方法，您可以將這些部件用于完全由降階部件組成的模型中，或者與非降階彈性有限元模型結(jié)合使用，后者可以是非線性的。這一方法被稱為部件模態(tài)綜合法 或動態(tài)子結(jié)構(gòu)方法，在計算時間和內(nèi)存使用率方面帶來了顯著的改進。

使用 CMS 降階模型方法模擬的變速箱殼體的 von Mises 應(yīng)力，以及周圍區(qū)域的聲壓級。

零件庫

“多體動力學(xué)模塊”提供了一個內(nèi)置幾何庫，用于創(chuàng)建不同類型的齒輪，包括二維和三維兩種形式。利用這個強大的幾何庫，您可以構(gòu)建齒輪齒、單個齒輪、一對齒輪或整個輪系。所有齒輪幾何都經(jīng)過參數(shù)化處理，您可以根據(jù)需要改變輸入?yún)?shù)，以定制齒輪齒或齒輪毛坯的形狀。為了確保幾何圖形的有效性，我們還提供了一個特征，用于檢查輸入?yún)?shù)值的一致性。

盡管齒輪特征是一種純數(shù)學(xué)描述，但幾何部分主要用于可視化目的。您也可以將它們用于詳細的有限元模型。此外，“零件庫”還包含參化的鏈輪和滾子鏈零件，可供您隨意使用。

從“零件庫”導(dǎo)入的斜齒輪。該庫包含內(nèi)齒輪、外齒輪和齒條的參數(shù)化幾何零件。

通過多物理場耦合擴展多體動力學(xué)分析

在同一軟件環(huán)境中輕松耦合多個物理場相互作用。

振動聲學(xué)

執(zhí)行多體分析以計算聲學(xué)振動和噪聲。1

本例使用變速箱殼體的法向加速度作為聲學(xué)分析的邊界條件，從而提供變速箱外部的聲場。

機電設(shè)備

模擬受磁力或感應(yīng)電流影響的剛體動力學(xué)。2

在三個不同的時間點，由感應(yīng)電流引起的鐵芯損耗。

熱膨脹

分析摩擦熱和熱膨脹。3

盤式制動器的溫度分布。

轉(zhuǎn)子動力學(xué)

將軸承仿真與多體仿真相結(jié)合。4

齒輪轉(zhuǎn)子的第二種振動模式。

結(jié)構(gòu)力學(xué)

使用通用結(jié)構(gòu)力學(xué)來增強多體動力學(xué)模型，從而對梁、殼和非線性材料等進行建模。5

洗衣機的特征模態(tài)之一。本例使用多體動力學(xué)特征對機械裝置進行建模，并使用殼單元對蓋體建模。

電磁和振動

在二維和三維中模擬電磁效應(yīng)和振動。2

三相感應(yīng)電機外殼在特定時刻的 Von Mises 應(yīng)力分布。

流體-多體相互作用

模擬流體和剛性或可變形固體相互影響的現(xiàn)象。

浸沒在流體中的機構(gòu)的閉合運動和流體引起的向前運動。

疲勞

對關(guān)鍵柔體執(zhí)行疲勞分析。6

往復(fù)式發(fā)動機柔性部件的應(yīng)力

備注：

1. 需要“聲學(xué)模塊”

2. 需要“AC/DC 模塊”

3. 需要“傳熱模塊”

4. 需要“轉(zhuǎn)子動力學(xué)模塊”

5. 需要“結(jié)構(gòu)力學(xué)模塊”

6. 需要“疲勞模塊”