多体动力学模块
多体动力学模块
使用多体动力学模块分析刚性和柔性装配
控制直升机旋翼桨叶方向的斜盘的机制分析。同时对刚性和柔性桨叶模型的瞬态仿真让用户可以深入了解桨叶形变和升力等性能指标。
设计和优化多体系统的专业工具
多体动力学模块是结构力学模块的扩展，为使用有限元分析（FEA）设计和优化多体动力学系统提供了一组高级工具。使您可以仿真由柔体和刚体组成的混合系统，其中每个体均有可能发生很大的旋转或平移。此类分析有助于确定多体系统中的关键点，从而使您可以执行更细致的元件级结构分析。多体动力学模块还使您可以自由地分析结构的各个部分受到的力，以及柔性组件中产生的应力，这可能导致由于大形变或疲劳而发生破坏。
使用关节库
模块包含一个预定义的关节库，这使您可以简单可靠地指定多体系统不同组件之间的关系，这些组件相互连接，因此彼此之间仅允许某些类型的运动。关节通过固定体来连接两个组件，其中一个组件在空间中独立运动，另一个则被约束为根据连接类型只能进行特定运动。多体动力学模块中的关节类型具有通用性，可以模拟任意类型的连接。 因此，研究人员和工程师可以使用以下关节类型来设计精确的多体结构力学模型：
- 棱柱（三维、二维）
- 铰接（三维、二维）
- 圆柱副（三维）
- 螺纹（三维）
- 平面（三维）
- 球形（三维）
- 槽（三维）
- 缩进狭槽（三维、二维）
- 固定关节（二维、三维）
- 距离关节（二维、三维）
- 万向接头（三维）
更多图片：
棱柱关节、铰接关节、圆柱关节和螺纹关节的运动方向。
平面关节、球形关节、槽关节和缩进狭槽关节的运动方向。
手动档车辆内变速箱外壳中的应力和 5 档同步变速箱周围空气（顶部绘图和底部右侧绘图）中的声压级。还显示了变速箱一个点上法向加速度的频谱（底部左侧绘图）。
图中的斜盘机制用于控制直升机螺旋桨的方向。本例显示的 App 基于一个直升机螺旋桨模型，只能改变螺旋桨的螺距，但可以同时执行瞬态和特征频率分析。
图中的三缸往复式引擎模型同时包含刚性和柔性零件，可用于将引擎功率最大化并用于设计结构构件。
感应电动机外壳中的应力图（顶部绘图）和转子中的磁通密度图（底部左侧绘图）。还显示两个轴承位置的转子轨迹（底部右侧绘图）。
灵活的多体结构分析
系统中发生形变的组件可以模拟为柔性体，而其他组件（甚至其组成部分）可以定义为刚性。此外，通过将多体动力学模块中的模型与非线性结构材料模块或岩土力学模块组合，您可以为多体动力学设计和分析提供非线性材料属性。与此同时，物理场的其余部分（您可以使用 COMSOL Multiphysics 和一组特定应用的模块模拟）可以耦合到通过多体动力学模块描述的物理场，例如传热或电气现象的影响。
模块可以执行瞬态、频域、特征频率和稳态的多体动力学分析。可以将关节设定为线性/扭转弹簧或阻尼属性，对其施加力和力矩，以及以时间函数的形式规定其运动形式。其分析和后处理功能包括：
- 两个组件之间的相对位移/旋转及其速度
- 关节处的反作用力和力矩
- 局部和全局坐标系参考框架
- 柔体中的应力和形变
- 耦合疲劳模块对关键柔体进行疲劳分析
通常，由于其他物理对象的存在或作用，两个组件之间的运动会受到限制。为了充分定义和模拟这些复杂的系统，可以为关节指定条件性的有限相对运动。例如，在机器人中，两个手臂之间的相对运动可以预定义为时间的函数。关节也可以是弹簧式的，也可以在多体动力学模块中考虑阻尼因子。
多体动力学模块
产品特征
- 对关节进行约束，以限制两个连接组件之间的相对运动
- 锁定关节，使两个连接组件之间的相对运动冻结在指定值
- 对关节处的相对运动施加弹簧条件，在平衡点或具有预变形
- 可以构建集总机械系统，并可包含质量、阻尼、弹簧等
- 可以定义阻尼或缓冲条件，以指定关节处相对运动的损耗
- 需要关节来描述连接组件之间的相对运动* 能够为以下关节类型添加关节摩擦损耗：棱柱、铰接、圆柱副、螺纹、平面和球副关节。
- 凸轮-从动件条件
- 在组件的连接件处可以对所有类型的关节施加力或力矩
- 可以通过初始化机构，以给定的速度进行刚性平移，以及绕指定的旋转中心进行旋转
- 包含内齿轮、外齿轮和齿条的参数化几何零件的“零件库”
应用领域
- 航空航天
- 汽车
- 发动机动力学
- 机电一体化
- 机器人
- 生物力学
- 生物医学仪器
- 车辆动力学
- 通用机械装配动力学仿真
保持低温：SRON 为深空望远镜开发热校准系统
C. de Jonge SRON, Netherlands
外太空望远镜需要超灵敏探测器和校准才能接收弱远红外信号。远红外仪器（SAFARI），一种将登上宇宙学及天体物理学用宇宙学与天体物理空间红外望远镜（SPICA），其具有测量远红外光谱的传感器。SAFARI 系统包括一个辐射源，用于校准，但辐射源非常强大 ...
换档杆
该模型演示 COMSOL 中模拟多体动力学问题的功能，其中包含一个多连杆机构，该机构在古董汽车中用作换档杆。我们出于好奇创建了这个模型，目的是确定各个组件上的力有多大。模型采用柔性件，也就是结合使用“结构力学模块”与“多体动力学模块”。
三缸往复式发动机
在示例中，对三缸往复式发动机进行动态分析，研究在运行过程中产生的应力，从而确定关键组件。为实现相对于发动机重量的高功率输出，需要仔细设计发动机的组件。 该往复式发动机模型包含刚性部件和柔性部件的组合。
感应电动机中的振动建模
在“感应电动机振动”教学案例中，定子绕组中的时谐电流和转子的旋转在转子中产生感应涡流，转子中的感应电流与线圈产生的磁场相互作用，在转子上产生驱动扭矩，转子与定子之间的气隙是不对称的，导致电动机振动。 电磁仿真采用二维建模，多体动力学仿真采用三维建模。根据时间计算旋转扭矩，然后将扭矩用于多体动力学模型来计算转子转速，分析惯性效应。由于轴上的电阻损耗和负载扭矩，转子的转速不会像定子绕组那样快，因此会发生角位移。 请阅读相关博客文章，了解有关本例的更多细节：“感应电动机结构完整性的仿真分析”
负载弹簧旋转滑块的动态特性
此模型演示由基板旋转引起的滑块运动的建模，分析了滑块在惯性力、离心力、弹簧力和阻尼力等各种力作用下的运动。 用于连接两个组件的棱柱关节为弹簧负载，并且还包含阻尼效应。 将滑块的运动与解析解进行比较，解析解也通过常微分方程同时进行计算。
离心调速器建模
离心调速器常常用于控制旋转机械的速度，例如通过调节燃料供应来控制发动机的每分钟转数。 本模型展示了弹簧式离心调速器的工作原理，分析了调速器在离心力、弹簧力和阻尼力作用下的动力学特性，研究了两种不同转速下套筒的运动，还计算了不同关节所受的力和力矩。
差动轮系机构
此模型模拟汽车及其他轮式车辆中使用的差动齿轮机构。差动齿轮允许在转动时，外驱动轮比内驱动轮旋转得更快，在车辆转弯时这一点非常重要，可以使沿转弯曲线外部行驶的车轮转动更快，并且比转弯曲线内部的车轮行驶的距离更远。两个驱动轮的平均转速即为传动轴的输入转速，一个车轮速度的提高可通过降低另一个车轮速度来达到平衡。 在车辆沿直线或弯曲路线行驶的情况下，我们执行瞬态分析来计算星形齿轮的运动，分别针对这两种情况来计算不同组件的速度大小以及内侧和外侧车轮的角速度。
直升机滑盘机构
此模型演示了直升机中滑盘装置的操作，该装置将直升机飞行控制的输入转换为水平旋翼叶片的运动，从而控制水平旋翼叶片的方向。 在此模型中，水平旋翼叶片在两种不同情况下分别被模拟为刚体或柔体。假定所有其他组件都是刚体，分析了柔性水平旋翼叶片在旋转和外加动态升力作用下的应力和变形，还执行了特征频率分析，确定了与水平旋翼叶片的弯曲和扭转相对应的振型。
起落架的应力和发热
陀螺效应建模
陀螺仪一般用于测量飞机、航天器和潜艇载具的方位或保持其稳定性，还用作惯性制导系统中的传感器。 此模型演示机械陀螺仪的建模，分析旋转盘对因坐标系旋转产生的外部扭矩的响应。结果表明，旋转盘在高速旋转时能够保持其方向，这个事实可以用角动量守恒原理来解释。 在模型的第二部分，对陀螺的运动进行了分析，计算了陀螺旋转时外部扭矩引起的进动和章动。
斜齿轮动力学
此模型演示斜齿轮动力学，利用 COMSOL Multiphysics 中“多体动力学”接口的齿轮功能构建。 本例执行瞬态研究来分析恒定齿轮啮合刚度、变齿轮啮合刚度及传动误差对从动齿轮角速度和接触力的影响，执行特征频率分析来计算齿轮副刚性和弹性齿轮啮合的固有频率和振型。
下一步:
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