ANSYS Mechanical多体机构运动副Jiont工具及应用概述

本文摘要（由AI生成）：

本文介绍了ANSYS Mechanical中刚体动力学和瞬态动力学分析的Joint连接工具以及Motion Load的提取方法。刚柔耦合计算涉及非线性收敛问题，需配合载荷步控制进行调试。通过约束方程可建立零件间相对关系，如齿轮啮合传动比控制。刚体动力学分析采用Rigid Dynamic Analysis模块，输出Motion Load至静力学分析模块计算单个零件静力学响应。刚柔耦合分析采用Static Structural或Transient Structural模块，考虑刚性行为设置，模拟柔性结构力学行为。运动载荷施加可通过Joint Load，支持常值、表格数据、函数方法。文章还简要介绍了运动副、弹簧、接触关系、约束方程等连接工具，以及如何将运动载荷导入静力学分析。本文旨在为初学者提供学习参考，严禁直接套用于企业产品分析。

导读：

刚体动力学分析（主要用来计算刚性系统结构的动态响应）以及瞬态动力学分析（用来确定系统结构能否经受住随时间变化载荷作用的一种动态响应分析方法），都会在分析过程中涉及机构运动的运动副和弹簧等进行连接创建，例如通用机械传动、机器人机构的特性分析。

本文针对ANSYS Mechanical创建刚体动力学和瞬态动力学分析所需Jiont连接工具进行介绍，另外也对于如何提取运动载荷Motion Load方法进行简要说明。

具体内容如下：

① 机构连接设置：运动副

② 其他连接工具：弹簧、接触关系、约束方程

③ 刚体动力学提取运动载荷Motion Load方法

④ 运动载荷导入静力学分析

限于笔者水平，错误必然很多。严禁直接套用于企业产品分析使用，以免造成重大事故和不必要的财产损失。仅作为同自己一样的自学、初学者交流学习作用。

一、运动副

运动副可以定义为两个构件直接接触并能产生一定相对运动的可动连接，是建立机构运动重要的方法，只要简单了解《机械原理》教材中关于运动副的基本说明，就能容易的确定机构零件之间的相对运动关系。

按照运动副接触形式分类可以分为低副（面和面接触，低副包括转动副，移动副。）和高副（点或线接触的运动副，例如有车轮与钢轨，凸轮与从动件，齿轮传动等）。按照接触部分的几何形状或者相对运动空间又可以分为圆柱副、平面与平面副、球面副、螺旋副等。常见运动副机构简图如图1所示。

图1 

二、ANSYS Mechanical运动副

1、ANSYS Mechanical运动副基本类型

ANSYS Mechanical运动副自由度的约束与释放是以参考坐标系为基础建立的。各运动副关系示意如图2所示。

从上而下从左至右依次为：

① Fixed Joint（固定副）：约束全部自由度。

② Revolute Joint（铰接副）：放松ROTZ自由度，约束其他全部。

③ Cylindrical Joint（圆柱副）：放松UZ和ROTZ自由度，约束其他全部。

④ Translational Joint（移动副）：放松UZ自由度，约束其他全部。

⑤ Slot Joint（狭槽副）：约束UY、UZ自由度，放松其他全部。

⑥ Universal Joint（万向节）：约束ROTX、ROTZ自由度，放松其他全部。

⑦ Spherical Joint（球副）：约束X、Y、Z自由度，放松其他全部。

⑧ Planar Joint（平面副）：约束UZ、ROTX、ROTY自由度，放松其他全部。

⑨  General Joint（通用副）：自定义上述自由度。

图2 

2、自由度限制说明

如图3所示，以General Joint（通用副）的自由度限制为例进行说明：灰色的图标X、Z、RX、RY表明自由度被限制，而有颜色的Y、RZ表明自由度没有被约束。

图3

3、几种运动副创建方法说明

① 右键导航树【Connections】插入【Connection Group】。再次右键【Connection Group】插入Joint关节，并按照如图4设置，该关节为固定关节。

图4

② 右键导航树【Connections】插入【Connection Group】。插入Joint关节，按照如图5设置，该关节为旋转关节。

图5 

 ③ 右键导航树【Connections】插入【Connection Group】。插入Joint关节，并按照如图6设置，该关节为直线传动关节。

图6

④ 右键导航树【Connections】插入【Connection Group】。插入Joint关节，并按照如图6设置，该关节为通用传动关节。

图7 

⑤ 限于本文参考建模几何结构，其他关节类型本文不再介绍，请自行创建和学习，下面对一些运动副创建的技巧进行说明。

4、运动副创建的一些技巧说明

① 如图7所示，图7所示中为已完成创建后的模型，注意观察Reference与Mobile细节中Scope的几何，目前Reference中的Body选择的是part.3而Mobile中的Body选择是part.8。但操作的整个步骤之初，是先在Reference选择part.8的圆周面，然后在Mobile中选择part.3的两个对应面，最后右键对参照与运动模型进行交换“Flip Reference/Mobile”，通过这样的方法保证参考坐标系在part.8的圆弧面的中心。

② 图8关节类型为Revolute旋转关节。图8中分析所需是考虑模拟圆环.2公转，公转绕着圆环.1的几何中心，作用是将钢管进行折弯，因此需要对其“Reference Coordinate System”进行修改，在Origin细节的Geometry选项中选择圆环.1的表面作为参考坐标系，其他默认不变。这个刚柔耦合分析的计算结果如图9所示，可以观察圆环.2公转旋转折弯钢管的过程。

图8 

图9

③ “Reference Coordinate System”位置修正工具，如图10所示，可以针对建立的参考坐标系进行平移、旋转、反向等以帮助满足运动副释放和限制自由度的定义。

图10

三、多体运动装配其他连接工具

多体动力学分析除通过运动副（Joints）连接，一般还需要弹簧（Springs）、接触、约束方程等搭建装配体模型连接关系。仅简要介绍如下：

1、弹簧（Springs）

能够创建直线弹簧和扭簧两种形式，目前支持扭簧的创建作为测试功能，但功能有限。如图4所示直线部分弹簧选项如下：

弹簧行为【Spring behavior】具有三种选择方式：同时拉压、只拉、只压，支持弹簧刚度和阻尼的输入。

① 预载荷【Preload】选项可以进行三种方式选择，默认情况为自由状态不承载，使用者可以自己选择自由长度或者预载荷值。

② 需要建立局部坐标系模拟零件之间或者地面位置。

图11 

2、高副创建

可以采用接触关系模拟高副的创建，如凸轮机构、齿轮机构啮合等。关于接触对关系详细内容，请参阅前期稿件《ANSYS Mechanical非线性接触功能基础概述》一文，不再累述。对于刚柔耦合计算，接触算法的计算量还是非常庞大的，同时需要考虑非线性收敛的问题。

3、约束方程

可以通过图12所示的约束方程建立零件之间的相对关系，例如齿轮机构的啮合的接触运动约束方程建立传动比进行控制。

图12 

四、刚体与刚柔耦合分析载荷控制

ANSYS Mechanical采用【Rigid Dynamic Analysis】模块进行刚体动力学分析，通过输出和输入Motion Load至静力学分析模块【Static Analysis】，能够计算单个零件的静力学响应。

刚柔耦合分析可以采用【Static Structural】或【Transient Structural】直接进行分析，对不需要计算强度或刚度的几何结构考虑刚性行为设置，计算过程模拟各时间载荷下柔性结构的力学行为。

以上两者都可以采用Joint Load载荷施加，配合对应分析求解载荷设置完成运动施加过程。

1、Joint Load载荷施加

以上求解模块均可以通过插入Joint Load来进行运动载荷的施加。支持常值、表格数据以及函数的方法进行载荷添加，如图13所示。

图13

2、载荷分析设置过程

以某机构刚体分析中载荷控制施加说明，如图14所示，该例中两个Joint Load联合模拟气缸1推动连杆和收回连杆，连杆上端推动或者收回水平结构中的伸缩机构水平运动，将某小型零件送入传送带，气缸2的作用是运动拉下水平机构下降以及复位。

注意可以对机构载荷步进行激活或者不激活控制。

其中这个运动机构中其他的运动副部分设置如图15所示。该机构4个时刻的运动状态如图16所示。

图14

图15 

图16

3、刚柔耦合计算

对于涉及柔性机构分析能够考虑多体运动过程中的几何结构零件的弹性或者非线性计算问题，输入对应有限元所需的材料参数即可。

但是因为引入接触、多载荷步、弹塑性本构问题，通常需要更多考虑配合载荷步控制、非线性收敛等的调试问题，某简化折弯机构计算结果如图17所示。限于本文篇幅不再说明。

图17

五、Motion Load载荷与静力学分析

Rigid Dynamic Analysis能够输出运动载荷“Motion Load”，借助惯性释放，进而转变为静力学分析模块中单一零件的加载条件，对单一零件完成静力学环境求解计算。

具体方法与操作步骤如下：

1、右键刚体动力学分析求解后处理相关选项（例如Total Deformation，注意选择观察的时间对应的结果），输出设置【Export Motion Loads】到指定文件夹，如图18所示。

图18

2、对项目流程图中原有分析文件【Rigid Dynamics】进行复 制，替换分析类型为【Static Structural】，如图19所示。

3、计算某零件静力学求解，抑制其他所有不参加计算零件，明细栏下修改计算模型几何特性为柔性。

4、分析选项“Analysis Setting”修改，设置【Inertia Relief=On】、【Weak Spring=Program Controlled】。

5、右键静力学分析求解环境【Static Structural】插入【Motion Load】引入运动载荷，如图20所示。

6、求解结果略

图19

图20

写在文后

本文针对ANSYS Mechanical创建刚体动力学和瞬态动力学分析所需Jiont连接工具进行介绍，另外也对于如何提取运动载荷Motion Load方法等进行简单说明，以期许对于初学者有一定的学习作用。

限于笔者水平，错误必然很多。严禁直接套用于企业产品分析使用，以免造成重大事故和不必要的财产损失。

作者： 付稣昇，男，安世中德结构仿真咨询专家，中国机械工程学会机械工程师（认证），仿真秀科普作者，目前主要从事大型机械结构的强度、疲劳、复合材料、动力学以及优化等有限元计算工作，编著出版《ANSYS Workbench17.0数值模拟与实例精解》一书。

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