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 ...
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”
双摆的动力学分析
本教学案例演示 COMSOL Multiphysics 中两个体之间铰链关节的建模，还演示了可用于关节的各种节点，如约束、锁定、弹簧、阻尼器、指定运动和摩擦。 许多实际结构可以用双摆模型来近似。因此，本教学案例选择了双摆模型。
曲柄滑块机构
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”。
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。
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。
铰链关节装配
本例阐明如何对连接某一装配中两个实心物体的桶铰链进行建模。在此模型中，连接的细节不是分析的重点，因此，使用“多体动力学模块”中的“关节”特征对铰链关节进行建模。连接的零件可以是刚性零件或柔性零件，也可以是此模型中所示的组合零件。
锥齿轮上的力和力矩
本教学案例模拟直锥齿轮副。齿轮作为刚体建模，但其中一个齿轮被固定，而另一个齿轮铰接在刚性杆上，刚性杆也铰接在固定齿轮的轴线的某个点上。执行瞬态分析来计算固定齿轮中心的力和力矩，将分析结果与国际期刊参考文献中的结果进行了比较。
卡车吊机分析器
许多卡车都配备有吊机用来装卸货物。此类吊机具有多个液压缸来控制吊机的运动。这些液压缸和吊机的其他组成部件在处理重载荷时会承受很大的力。要确定吊机的承载能力，我们必须计算这些力。 在该 App 中，通过对吊机执行刚体分析，可以确定吊机在指定方向和伸缩范围内的有效负载能力。 输入参数包括悬臂间的夹角、总伸缩长度、大小臂油缸的容量以及伸缩油缸的容量。该 App 的分析结果包括有效负载能力和液压缸的使用情况。
复合轮系的振动
此模型模拟复合轮系中的振动。用于对轮系建模的直齿轮安装在刚性轴上，轴由两端的弹性壳支撑。假定齿轮啮合发生变刚度的弹性变形，这是振动的根源。我们执行瞬态分析来计算齿轮的动力学特性及外壳的振动。 模型使用接触建模来计算齿轮啮合刚度，执行参数化分析将齿轮啮合刚度作为一个啮合周期中齿轮转动的函数进行计算。 该模型计算齿轮副中的 von Mises 应力分布，其中，接触点和齿根处的应力较高，还计算齿轮啮合刚度、齿轮位移以及振动引起的外壳法向加速度。
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