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SIMPACK中的柔性体动力学仿真分析研究
这是一篇关于simping用ack软件使用评价的论文,simpack软件主要目前在国内应用于铁道行业
信息技术 　　　　
李笑,等 SIMPACK中的柔性体动力学仿真分析研究
图2　仿真建模流程图
行分析,代码中应包括模型的几何信息(节点位置及其连接)、节点品质和转动惯量、模型的模态频率、模态品质和模态刚度等信息。
点的选择要和SIMPACK中的所要连接点的位置相一致。
c)主自由度的选择。主自由度是用来描述系统动力学的行为,主自由度的选择在建立柔性体中起着重要的作用。选择主自由度的基本原则为:1)主自由度的总数至少是感兴趣的模态数的两倍。2)把预计结构或者部件要振动的方向选为主自由度。3)。4)如果最关,。5)如,则只需选择其中6(SHELL51或SHELL61),选择模型中平行于或接近平行于中心线(平行Y轴方向)部分的所有节点的全局UX自由度为主自由度,这样就可以避免主自由度间的振荡运动。如果运动基本上平行于中心线,则选择范围可以放宽。对于MODE&2的轴对称周期单元,应将其UX,UZ自由度都选择为主自由度。
d)单位制的选择。在导入SID文件时,SIMPACK会自动将有限元分析的单位转换为仿真时使用的单位,因此在生成SID文件时必须为有限元分析指定单位,建议在有限元分析时采用和SIMPACK相同的单位制。
e)约束。柔性体的约束是在SIMPACK中施加的,所以在有限元中不必对柔性体施加约束。
f)刚体模态。将柔性体模态导入SIMPACK中并连接在要替代的刚体模态上时,会自动关闭刚体模态。
2　利用ANSYS生成SID文件
ANSYS是一个大型有限元分析软件,适合于各种复
杂的、跨领域的分析设计。ANSYS与SIMPACK之间的数据接口可以方便的处理柔性体部件对机械系统运动的影响,果,从而提高分析水平。
2.1　a),定义参数变量的时
候要选择合适的单位。
b)建立有限元网格。柔性体除了主节点外的其他部分可采用常用的建模法建立有限元模型。所谓主节点就是指柔性体在SIMPACK模型中与其他构件相连接的点即为SIMPACK中的Mark点。在定义主节点时要注意几个问题:1)主节点的几何位置必须精确;2)主节点与柔性体其他部位的连接必须恰当。常用的方法有:一是质量单元在主节点处建立一个质量单元,并赋予该单元一个很小的属性数据,用约束方程连接主节点处的质量单元与柔性体;二是由多个三维梁单元组成的单元网连接主节点与柔性体;三是刚性区域处理主节点;3)在有限元模型中不需要定义边界条件。
c)计算。进行模态分析求解。d)运用SIMPACK中的FEMBS生成SID文件。将生成的SID文件导入SIMPACK中会发现,柔性体的模态数比ANSYS指定的模态数多。这是因为主节点是有6个自由度的节点,每个自由度都对应一个约束模态。
3　在SIMPACK中使用柔性体
在SIMPACK中使用柔性体进行仿真步骤如下:
a)建立新的Body读入SID文件生成柔性体。对柔性体的设置包括:模态成分、阻尼率、初始条件等。柔性体的主节点为Mark点,与所要连接的物体连接,代替刚性体的Mark点,柔性体将主动代替刚性体。可以对柔性体进行仿真来测量节点的变形量。
b)在柔性体上施加约束和作用力,其中应注意以下几点:1)可以直接加在柔性体节点上的约束副有:旋转副、固定副、球副、万向节副。2)其他运动副和运动激励不能直接加在柔性体节点上,解决方法是在柔性体上附加一个物体,然后将运动副或运动激励施加在该物体上。3)如果柔性体是施力物体,则作用力可以直接在柔性体节点上。
c)调用进行仿真并观察仿真结果。
2.2　利用有限元软件建立柔性体模型生
成SID文件应该注意以下几个问题。
　　a)节点数。SID文件对有限元模型的节点数量要求没有限制,数量越多越能模拟柔性体的变形,但节点的数量越多数据文件就越大,对硬件要求就越高,计算时间就越长。
b)主节点的选择。由于在SIMPACK中的Mark点数目一般不得超过1000所以不要选择太多的主节点,在SIMPACK中约束或者作用力等一些边界条件可以施加在这些点上。在选择主节点时要注意:1)主节点必须是有
6个自由度的节点,每个自由度对应一个约束模态,如果
4　刚柔耦合动力学仿真实例
ZK6型货车转向架是我国目前主要的货车转向架,它
主节点数选择过多就会导致模型自由度数过大;2)主节 92
http:∥http://www.wendangwang.com　E2mail:ZZHD@http://www.wendangwang.com《机械制造与自动化》
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基于ANSYS 与SIMPACK 联合仿真的柔性轮对动力学仿真分析
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3秒自动关闭窗口基于ANSYS&WROKBENCH的多体分析
早期ANSYS书籍中的例子，多是一些简单的杆，板，弹簧质块之类的构件，很少涉及到多体问题。但在实际工程中，我们所遇到的绝大多数问题，几乎都是多体问题。单独只分析某一个构件的强度和刚度，这是很少见的事情。那么如何对于这些多体--例如发动机的装配体，手刹装配体等等--进行分析，这是很棘手的事情。而很奇怪的是，在国内学术文献上，很少有相关的研究。是出于保密的原因？或者是因为这一块现在只是处于军阀混战状态，从而没有成熟的方法和理论出现呢？
笔者近几年以来，一直密切关注国内在多体方面的研究进展。既然没有发现很成熟的指导理论出现，那么，笔者就大胆地先抛出一些肤浅的看法，这些看法显然是粗糙而不成熟的，但是不要紧，有一个破屋顶总比完全没有屋顶的要好。笔者希望能因此而推动国内对于多体仿真的研究。
多体，意味着分析的对象不再只是单一的一个零件，而可能涉及到多个零件。而多个零件组成的对象，如果其间存在着相对运动，从而系统的自由度大于1，则成了机构。如果系统的自由度小于等于0，则是结构。所以多体的分析总体上可以分为机构动力学分析和结构动力学分析两大块。
（1）机构动力学分析----全刚体
如果所有的构件都可以看成是刚体，则这是所谓的多刚体动力学分析问题。多刚体动力学分析，本身就是一个学科，该学科的基础不是别的，就是拉格朗日方程。多刚体动力学虽然理论很完善，但是手工求解是不可能的事情，需要计算机来辅助求解，从而出现了所谓的计算多刚体动力学。而计算多刚体动力学方面，最有名气的软件有ADAMS,DADS,SIMPACK等。
下面是ADAMS2012/VIEW的界面。
这个软件专门用于多刚体动力学的仿真。对于机械系的学生来说，用得非常之多。实际上，理论力学的所有问题，机械原理中的大部分问题，都可以用它来计算。它也是笔者做科研用得最多的软件之一。
当然，本文的题目是ANSYS
WORKBENCH，所以我们还是重点谈谈ANSYS WOKRBENCH对于多刚体动力学的支持。
ANSYS，在一般人的感觉里面，只是做强度刚度分析，还会做机构的分析吗？
可以。在ANSYS
WORKBENCH的分析系统中，就专门有一个分析系统“rigid
dynamics”，用于做机构动力学分析。虽然其操作没有ADAMS那么方便，但是也还可以。在该分析系统里面，所有的构件都是刚体，而不允许变形体出现，对于rigid
dynamics而言，建模的过程基本上就是创建各类运动副，比如转动副，移动副之类的，这与ADAMS类似。全刚体的机构动力学分析的结果，无非就是某个构件或者某个点的位移，速度，加速度，以及某些运动副处的约束力，约束力矩，以及动能等量。
（2）机构动力学分析----刚柔耦合
在某些机构中，大部分构件可以当做刚体看待，但是也有少数构件，我们在实践中发现它很容易发生疲劳破坏，这样，这些构件就需要处理成为变形体。例如下面的曲柄滑销机构
这里面的连杆容易出问题，所以我们就把它处理成为变形体，而其它构件则处理成为刚体，就得到如下图所示的有限元模型
这就是所谓的刚柔耦合问题。
对于刚柔耦合的仿真，传统的方法是结合多刚体动力学分析软件和有限元分析软件来做联合仿真。就是说，首先，在有限元软件如ANSYS,NASTRAN中生成柔性体的中性文件，然后导入到多刚体动力学软件如ADAMS中，替换机构中对应的构件，从而做刚柔耦合仿真。
这种转换比较麻烦，所以ANSYS就直接提供了在其内部进行刚柔耦合的功能。这种耦合功能的提供，一方面就是可以对于任意的构件指定其是刚体还是变形体，另外一个方面，就是提供大量的运动副来连接构件。
下面是MECHANICAL中对于构件指定是刚体还是变形体的细节视图
下面是MECHANICAL中提供的大量运动副，包括固定副，转动副，圆柱副，移动副等。
使用上述方式，就可以直接在ANSYS
WOKRBENCH中进行刚柔耦合的仿真，非常方便。
（3）结构动力学分析--全柔性体
结构动力学分析，意味着它主要并不是以一个机构的形式存在，不会发生那么大幅度的运动。如果在构件之间发生了运动，也是相对较小的运动。这种对象，我们通常称之为装配体的动力学仿真问题。
对于装配体的动力学仿真，最重要的，就是设置零件之间的相互连接关系。这种关系，在ANSYS中，总体上包括这样几类
（a）运动副。如上图所示，不再赘述。
（b）接触。这在ANSYS
中是一大块，接触分析历来就是装配体分析的重点。ANSYS
WOKRBENCH提供了强大的接触分析功能，可以自动化的设置五种常见的接触，而且操作界面非常直观。
上面是一个设置接触的例子。ANSYS不仅可以手工设置接触，也可以自动设置接触。对每一种接触，它提供了所谓的body
views和sync
views来很容易的操纵各个接触面。而且，对于接触分析的后处理，它也提供了专门的接触工具，用于分析接触面的接触状态，渗透状态，接触应力和摩擦应力。
（c）使用弹簧或梁来连接物体。弹簧是只有弹性而没有质量物体的抽象化；而梁则是对于有弹性且有质量物体的简化。如下图所示，两个长方体的顶点之间，一处用弹簧连接，而另外一处用圆截面梁连接。
以上大致说明了多体分析的主要内容。后面会陆续说明多体分析的一些例题以及建模技巧。
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