模拟多体系统的动力学
“多体动力学模块”是 COMSOL Multiphysics® 软件的附加产品，提供了一套先进的功能，基于有限元分析（FEA）对二维和三维多体系统进行设计和优化。该模块能够高效模拟刚体与柔体混合系统，以识别系统中的关键部件，同时有效节省计算资源；从而支持在汽车工程、航空航天工程、生物力学等主要应用领域，开展更精细的部件级结构分析。
本模块内置了声–结构、实体–轴承、流体–多体相互作用等多物理场耦合功能，并能与 COMSOL 产品库中的其他模块结合使用，以引入高级传热、流体流动、声学和电磁等效应。此外，建模功能还可进一步扩展，以包含非线性结构材料和 CAD 导入功能。
联系 COMSOL
在多体系统建模中，柔体和刚体通过不同类型的关节、齿轮、凸轮、轴承、弹簧或阻尼器相互连接，并承受较大的位移和旋转。“多体动力学模块”的一大优势在于能够方便地将刚性与柔性部件进行混合建模。
通常情况下，多体仿真中的全部或大部分部件都被视为刚性，因此仅通过刚体自由度进行描述。但在某些情况下，可能需要将一个或多个部件表示为柔性。利用本模块内置的材料模型，用户可以选择性地为模型中的部件指派刚性或柔性属性，从而进行包含非线性材料效应的详细结构分析。例如，该模块可用于计算结构中刚性部件关节处所受的力，以及柔性部件中产生的应力。
“多体动力学模块”可用于模拟部件之间发生平动与转动耦合运动时的静态与动态行为。对于动态模型，可以执行多种类型的分析，例如：
该模块可用于模拟齿轮、链条等传动部件的动力学行为。多体分析结果随后可用于疲劳评估或声学分析等其他类型的分析，用于确定系统产生的噪声。
可计算的典型物理量包括位移、速度、加速度、关节力、齿轮接触力，以及柔性部件中的应力。此外，还可以对刚体之间的摩擦接触进行建模，与基于网格的标准接触方法相比，这种方法更加稳健且计算效率更高。
使用 COMSOL® 软件设计并优化多体系统。
在进行多体动力学分析时，所有建模步骤均可在 COMSOL Multiphysics® 环境中完成。“多体动力学模块”最重要的特征之一是其内置的多体动力学 接口，用于模拟柔性部件、刚性部件或二者组合构成的装配。可用选项涵盖对各种类型的关节、齿轮、链轮总成以及凸轮-从动件机构的建模。网格划分和求解器设置由软件自动处理，同时也提供手动编辑选项。
集总机械系统 接口可通过具有集总组件（例如质量块和弹簧）的回路表示来模拟抽象的机械系统。这些集总组件可以按串联或并联的方式排列，用于分析位移、速度、加速度和力。
集总-结构连接 多物理场耦合可用于将这些系统插入基于任意结构力学物理场接口构建的有限元（FE）模型中。
典型链传动是由两个或多个链轮以及绕其运行的链条组成的组件，用于在轴之间传递机械功率。利用多体动力学 接口中的链传动 特征，可以在二维或三维中对滚子链轮总成进行建模。该特征能够确定链传动组件内部的相互作用，并自动生成一组用于描述组件行为的多体动力学特征。
滚子轴承广泛应用于低速场景，其中噪音水平并不是一个重要的考虑因素。尽管这些轴承的使用寿命有限，尤其在不对中的情况下更为明显，但由于其成本较低，更换轴承变得轻而易举。
“多体动力学模块”与转子动力学模块结合使用时，可以提供多种不同类型的三维预定义径向滚子轴承，包括：
凸轮-从动件 连接特征用于通过在凸轮与其从动件之间施加双向约束，对简化接触进行建模。凸轮–从动件系统通过由一个点跟随的一组边界或边进行定义。凸轮既可定义在刚体上，也可定义在弹性体上。因此，其边界或边可以发生任意类型的刚体运动或变形。
该特征允许将任何用户定义的凸轮轮廓作为几何模型进行绘制，并计算从动件在位移、速度和加速度曲线方面的运动。此外，还可以计算接触点处的连接力，并通过连接力的符号来预测凸轮与从动件之间的间歇接触。
在“多体动力学模块”中，我们引入了 Craig-Bampton 方法，可以将线性部件简化为计算效率高的降阶模型。通过这种方法，您可以将这些部件用于完全由降阶部件组成的模型中，或者与非降阶弹性有限元模型结合使用，后者可以是非线性的。这一方法被称为部件模态综合法 或动态子结构方法，在计算时间和内存使用率方面带来了显著的改进。
为了设计逼真的多体动力学系统，本模块提供了一系列预定义的关节。相互连接的多体部件之间的相对运动根据关节类型进行约束。可用的关节类型包括：
此外，您还可以为关节应用附加属性，例如弹性、摩擦、约束（允许最大运动范围）和锁定。
关节 接口可用于分析由各类关节连接的机械装配，同时还能简化在固体力学、壳 以及梁 接口中进行连接建模的流程。
本模块提供一个预定义的齿轮和齿条集合，让您能够轻松而可靠地创建包含多个运动部件的传动系统模型。通过自动检查正确轮齿啮合的可比性标准，该工具可以帮助您确定正确的齿轮副。齿轮可以直接安装在刚性或柔性轴上，也可以通过使用铰链和衬套进行安装。
为了增加传动系统模型的准确性和真实性，齿轮副还可以包含弹性、传动误差、齿隙和摩擦等额外参数。以下是我们提供的齿轮和齿条类型：
为了准确模拟刚体之间的机械接触，我们提供了刚体接触 特征，可以轻松模拟标准形状刚体之间的无网格接触。根据源体和目标体的形状，您可以使用以下不同类型的公式：
除了这些刚体接触公式以外，我们还提供了一种通用公式，用于分析两个体（其中至少一个是柔体）之间的分布式接触。
在进行液体动压轴承的多体分析时，需要与“转子动力学模块”中的液体动压轴承 接口进行耦合。本接口可用于分析三维液膜轴承，其中使用表面几何进行有效建模。当模型中同时存在多体动力学 和液体动压轴承 接口时，您可以使用实体-轴承耦合 多物理场耦合功能，轻松地对多体系统中的以下轴颈轴承进行建模：
“多体动力学模块”包含内置的“零件库”，用于在二维和三维模式下创建不同类型的齿轮。这些零件可用于构建齿轮齿、单个齿轮、齿轮副或轮系。所有齿轮几何均已参数化，用户可以通过改变输入参数来定制齿轮齿或齿坯形状。为避免生成无效几何，软件还提供了一个特征用于检查输入参数值的一致性。
由于齿轮特征基于纯数学描述，相关几何零件主要用于可视化目的，但同样也可用于详细的有限元模型。类似地，“零件库”还提供链轮和滚子链的参数化零件。
COMSOL 是否能用于解决我的问题？
欢迎联系我们，我们的专业工程师可以协助您评估技术可行性，并根据使用场景推荐许可形式。
点击右侧的“联系 COMSOL”按钮，填写并提交信息，我们的工作人员将会尽快与您联系。
评估与试用 COMSOL® 软件
