Ansys Motion等速万向节刚柔耦合动力学仿真方案

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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。

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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。

  节点柔性体：内滚道;  模态柔性体：轴

接触参数设置

2.4  Constraint and Joint

保持架，滚珠，外滚道与内滚道之间通过定义部件接触传递运动；

如下图所示，在模型中添加移动副，圆柱副，等速万向节和标量力；

  2.5 求解设置

求解器相关设置，求解时间：0.8s，输出步长：2400。

SolverType: Super，当系统没有不连续接触的问题，或系统有节点有限元体并发生小变形时，其求解速度优于general求解器。

UseFDM Jacobian：使用此选项可以通过FDM（有限微分法）计算出更精准的雅可比矩阵。如果仿真模型具有高频率和较大的接触刚度，使用此选项将增加步长，提高解决方案。

2.6 仿真结果

Motionpost是非常强大的专用后处理

Case 1：全刚体模型

4#滚珠与内/外滚道之间接触力

保持架与内/外滚道之间接触力

 

1#滚珠与保持架之间接触力

Case2. 刚柔耦合接触模型（保持架）

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

Maximumstress: 1097Mpa

Case3. 刚柔耦合接触模型（保持架+内滚道+轴）

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总结

本案例以等速传动轴为例，利用ansysmotion对等速万向节模型进行动力学建模，分别进行全刚体模型，刚柔耦合模型动力学分析，详述具体设置步骤和接触建模方法。

Ansys Motion为新一代专业刚柔耦合多体动力学分析软件，可以在同一系统中同时建立刚体和柔性体模型，拥有独立motion求解器，针对不同应用场景，提供多种接触模型，对求解大自由度，高速运动，非线性接触问题优势明显。

Ansys Motion同时支持节点和模态柔性体，并可以自由选择，节点柔心体适合大变形，非线性材料，整体和局部变形，适合所有类型柔性体，求解时间长；模态柔性体利用模态坐标适合求解小变形，线性问题，求解效率高。

 

审核编辑：刘清