Ansys Motion凸轮轴（弹簧）刚柔耦合动力学仿真案例

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前言

当结构分析涉及弹簧部件时，需要考虑到弹簧在初始状态下可能存在多种张紧状态。在传统的结构有限元仿真分析中，通常使用简化单元（例如弹簧力）来模拟弹簧的行为，并考虑其初始预紧力，或者使用实体弹簧单元，执行从松弛状态到紧张状态的自由变形分析。虽然第一种方法易于建模，但其在分析弹簧的接触力、振动特性以及弹簧与其他组件接触情况方面存在局限性。另一方面，尽管后一种方法提供了更多的分析可能性，但它的建模和分析过程复杂，计算求解时间较长。

针对这类问题，Ansys Motion 作为一款专业的刚柔耦合动力学仿真工具，可以更全面更高效的解决这类问题。Ansys Motion 在大变形，非线性摩擦接触等，刚柔耦合等方面具有非常强的求解能力，同时通过 Motion 节点柔性体的形状更新功能，能够快速而准确地模拟机构的动力学行为，其中包括弹簧单元的动力学响应。这种方法不仅能够提供更精确的弹簧行为分析，还能够综合考虑弹簧与其他机构部件之间的复杂互动，从而实现更全面的结构动力学仿真。

本文主要介绍如何使用Ansys Motion 进行包含弹簧结构的动力学仿真，所使用的版本为Ansys Motion 2023 R1。

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仿真流程

目前，Ansys Motion 支持两个平台使用，一个是集成在Ansys Workbench平台Wechanical 环境中，另一个是独立版的Motion，分为前处理器motion pre 2023 R1和后处理器motion post 2023 R1，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 分析方法

在此分析中，将弹簧设为柔性体，在Motion中使用节点柔性体对弹簧进行建模，其他部件设为刚体。首先对弹簧进行静力学分析，将弹簧从自由长度移动到装配的初始位置，此时弹簧将受到初始预紧力，然后将位移数据映射到机构分析中的弹簧。利用Ansys Motion 的形状更新功能（update position）生成初始状态。分析流程下图所示。

2.2 预分析-弹簧静力学分析

对于弹簧初始的模型，其自由状态长度比装配后的初始状态要长，在预分析时，只对弹簧进行静力学分析，其他部件抑制，将弹簧建模为柔性体，导入有限元模型，然后，在弹簧底部添加固定副，弹簧顶部添加平移副，压缩弹簧，使端部位于该位置上初始装配位置，如下图所示。

Ansys motion支持静力学分析，弹簧静力学分析网格可由Workbench Mechanical生成，并在Ansys  motion中导入分析。

2.3 柔性体形状更新

利用Ansys Motion 的形状更新功能，在求解完成后，可以在后处理器motion porst中按照指定时间步输出变形形状的位移到文件中，这里我们进行的是静力学分析，所以只需要输出最后的结果即可。在进行整体分析时，可将此文件检索到FEM模型中，以便在更新初始网格节点位置的情况下进行分析。操作流程如下：

在motion post中选择模型-export-nodal body-保存

在motion pre中选择弹簧对象属性，使用update position更新形状。

2.4 设置运动副和接触

运动副定义了每个零件之间的平移，固定和旋转关节（如下图所示）。对于凸轮旋转，我们定义了强制旋转，而不是扭矩，以便在定义的旋转接头上旋转一次。

2.5 接触设置

这里共有四个接触对，凸轮-移动杆，弹簧与底座，弹簧与移动杆，如下图所示：

接触属性设置

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

2.6 结果后处理

求解完成后，会自动打开motion post后处理器，下图为后处理器输出的凸轮弹簧机构动力学仿真动画，以及接触力时程曲线图

下图显示了弹簧和移动杆之间的法向接触力时程曲线图，图中形状更新后初始位置（点a）和弹簧释放压缩位移达到平衡状态（点b），通过形状更新功能，motion求解器在求解时会自动计算压缩变形所产生的预应力。点a的接触力0[N]，因为它是在形状更新后初始结果，即柔性体弹簧节点的位移被强制移动到预分析中获得的位移位置。相反，点b释放了初始压缩的弹簧，因此可以看到弹簧的恢复产生了81[N]的预紧力。

初始位置和平衡状态位置结果

在motion post 后处理器中，可以输出各部件的动力学响应结果，柔性体可以输出应力，应变，变形量等结果。在此模型中，可以查看弹簧端点接触的接触状态，接触力，摩擦力，接触穿透值等。下图为输出的部分结果

下图用标记箭头表示了与弹簧接触的法向接触力。根据弹簧的变形，还可以检查弹簧两端以及杆侧面与弹簧之间的接触（下图中的放大部分）的接触状态。也可以用图形显示每个时间点结果。

弹簧变形结果和接触面法向接触力

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总结

Ansys Motion 作为一款专业的多体动力学仿真分析软件，在处理刚柔耦合问题，结构大变形，高度非线性接触等方面拥有强大的实力，motion采用隐式积分算法，提供不同类型的刚柔耦合接触模型，相比同类多体分析软件，求解更容易收敛。若您对Ansys Motion 以及多体动力学仿真分析感兴趣，欢迎来参加莎益博的培训课程，并与我们联系。