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前言

當(dāng)結(jié)構(gòu)分析涉及彈簧部件時(shí)，需要考慮到彈簧在初始狀態(tài)下可能存在多種張緊狀態(tài)。在傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)有限元仿真分析中，通常使用簡(jiǎn)化單元（例如彈簧力）來模擬彈簧的行為，并考慮其初始預(yù)緊力，或者使用實(shí)體彈簧單元，執(zhí)行從松弛狀態(tài)到緊張狀態(tài)的自由變形分析。雖然第一種方法易于建模，但其在分析彈簧的接觸力、振動(dòng)特性以及彈簧與其他組件接觸情況方面存在局限性。另一方面，盡管后一種方法提供了更多的分析可能性，但它的建模和分析過程復(fù)雜，計(jì)算求解時(shí)間較長(zhǎng)。

針對(duì)這類問題，Ansys Motion 作為一款專業(yè)的剛?cè)?a href="http://www.nxhydt.com/tags/耦合/" target="_blank">耦合動(dòng)力學(xué)仿真工具，可以更全面更高效的解決這類問題。Ansys Motion 在大變形，非線性摩擦接觸等，剛?cè)狁詈系确矫婢哂蟹浅?qiáng)的求解能力，同時(shí)通過 Motion 節(jié)點(diǎn)柔性體的形狀更新功能，能夠快速而準(zhǔn)確地模擬機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)行為，其中包括彈簧單元的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)。這種方法不僅能夠提供更精確的彈簧行為分析，還能夠綜合考慮彈簧與其他機(jī)構(gòu)部件之間的復(fù)雜互動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)更全面的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)仿真。

本文主要介紹如何使用Ansys Motion 進(jìn)行包含彈簧結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)仿真，所使用的版本為Ansys Motion 2023 R1。

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仿真流程

目前，Ansys Motion 支持兩個(gè)平臺(tái)使用，一個(gè)是集成在Ansys Workbench平臺(tái)Wechanical 環(huán)境中，另一個(gè)是獨(dú)立版的Motion，分為前處理器motion pre 2023 R1和后處理器motion post 2023 R1，用戶可根據(jù)習(xí)慣選擇熟悉版本，本文以Motion 獨(dú)立版為例進(jìn)行介紹。

2.1 分析方法

在此分析中，將彈簧設(shè)為柔性體，在Motion中使用節(jié)點(diǎn)柔性體對(duì)彈簧進(jìn)行建模，其他部件設(shè)為剛體。首先對(duì)彈簧進(jìn)行靜力學(xué)分析，將彈簧從自由長(zhǎng)度移動(dòng)到裝配的初始位置，此時(shí)彈簧將受到初始預(yù)緊力，然后將位移數(shù)據(jù)映射到機(jī)構(gòu)分析中的彈簧。利用Ansys Motion 的形狀更新功能（update position）生成初始狀態(tài)。分析流程下圖所示。

2.2 預(yù)分析-彈簧靜力學(xué)分析

對(duì)于彈簧初始的模型，其自由狀態(tài)長(zhǎng)度比裝配后的初始狀態(tài)要長(zhǎng)，在預(yù)分析時(shí)，只對(duì)彈簧進(jìn)行靜力學(xué)分析，其他部件抑制，將彈簧建模為柔性體，導(dǎo)入有限元模型，然后，在彈簧底部添加固定副，彈簧頂部添加平移副，壓縮彈簧，使端部位于該位置上初始裝配位置，如下圖所示。

Ansys motion支持靜力學(xué)分析，彈簧靜力學(xué)分析網(wǎng)格可由Workbench Mechanical生成，并在Ansys motion中導(dǎo)入分析。

2.3 柔性體形狀更新

利用Ansys Motion 的形狀更新功能，在求解完成后，可以在后處理器motion porst中按照指定時(shí)間步輸出變形形狀的位移到文件中，這里我們進(jìn)行的是靜力學(xué)分析，所以只需要輸出最后的結(jié)果即可。在進(jìn)行整體分析時(shí)，可將此文件檢索到FEM模型中，以便在更新初始網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)位置的情況下進(jìn)行分析。操作流程如下：

在motion post中選擇模型-export-nodal body-保存

在motion pre中選擇彈簧對(duì)象屬性，使用update position更新形狀。

2.4 設(shè)置運(yùn)動(dòng)副和接觸

運(yùn)動(dòng)副定義了每個(gè)零件之間的平移，固定和旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)（如下圖所示）。對(duì)于凸輪旋轉(zhuǎn)，我們定義了強(qiáng)制旋轉(zhuǎn)，而不是扭矩，以便在定義的旋轉(zhuǎn)接頭上旋轉(zhuǎn)一次。

2.5 接觸設(shè)置

這里共有四個(gè)接觸對(duì)，凸輪-移動(dòng)桿，彈簧與底座，彈簧與移動(dòng)桿，如下圖所示：

接觸屬性設(shè)置

Mechanical環(huán)境中的contact對(duì)應(yīng)的獨(dú)立版中的Base，Target對(duì)應(yīng)Action ;

2.6 結(jié)果后處理

求解完成后，會(huì)自動(dòng)打開motion post后處理器，下圖為后處理器輸出的凸輪彈簧機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)仿真動(dòng)畫，以及接觸力時(shí)程曲線圖

下圖顯示了彈簧和移動(dòng)桿之間的法向接觸力時(shí)程曲線圖，圖中形狀更新后初始位置（點(diǎn)a）和彈簧釋放壓縮位移達(dá)到平衡狀態(tài)（點(diǎn)b），通過形狀更新功能，motion求解器在求解時(shí)會(huì)自動(dòng)計(jì)算壓縮變形所產(chǎn)生的預(yù)應(yīng)力。點(diǎn)a的接觸力0[N]，因?yàn)樗窃谛螤罡潞蟪跏冀Y(jié)果，即柔性體彈簧節(jié)點(diǎn)的位移被強(qiáng)制移動(dòng)到預(yù)分析中獲得的位移位置。相反，點(diǎn)b釋放了初始?jí)嚎s的彈簧，因此可以看到彈簧的恢復(fù)產(chǎn)生了81[N]的預(yù)緊力。

初始位置和平衡狀態(tài)位置結(jié)果

在motion post 后處理器中，可以輸出各部件的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)結(jié)果，柔性體可以輸出應(yīng)力，應(yīng)變，變形量等結(jié)果。在此模型中，可以查看彈簧端點(diǎn)接觸的接觸狀態(tài)，接觸力，摩擦力，接觸穿透值等。下圖為輸出的部分結(jié)果

下圖用標(biāo)記箭頭表示了與彈簧接觸的法向接觸力。根據(jù)彈簧的變形，還可以檢查彈簧兩端以及桿側(cè)面與彈簧之間的接觸（下圖中的放大部分）的接觸狀態(tài)。也可以用圖形顯示每個(gè)時(shí)間點(diǎn)結(jié)果。

彈簧變形結(jié)果和接觸面法向接觸力

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總結(jié)

Ansys Motion作為一款專業(yè)的多體動(dòng)力學(xué)仿真分析軟件，在處理剛?cè)狁詈蠁栴}，結(jié)構(gòu)大變形，高度非線性接觸等方面擁有強(qiáng)大的實(shí)力，motion采用隱式積分算法，提供不同類型的剛?cè)狁詈辖佑|模型，相比同類多體分析軟件，求解更容易收斂。若您對(duì)Ansys Motion以及多體動(dòng)力學(xué)仿真分析感興趣，歡迎來參加莎益博的培訓(xùn)課程，并與我們聯(lián)系。