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多体动力学平衡状态分析方法介绍

2019-05-17 09:55
CAE仿真
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在多体动力学模型仿真之前,一般需要把模型设置为平衡状态,原因主要有:

如果模型不是平衡状态,仿真开始后受到重力作用,模型中的部件会发生明显的波动,使仿真前几秒甚至更长时间的数据振荡比较大,不是真实的数据,没有价值;

非平衡状态的模型产生非常大的振荡会使求解器解算困难,甚至产生报错,仿真停止;

实际物理模型是平衡状态的(一直受重力作用),非平衡状态的仿真模型不符合实际的物理模型状态。

基于上述原因,需要在多体动力学模型的时域分析之前把模型处于平衡状态。注意:多体仿真模型进行频域分析之前也需要进行平衡分析,因为频域分析是在平衡位置上进行线性化。

Simpack作为专家级多体动力学仿真分析软件,提供多种分析方法使模型达到平衡状态。下面以示例模型为例,介绍具体方法。

 1.静平衡分析

多体动力学平衡分析最常用的方法是静平衡分析,Simpack同样提供静平衡分析方法。

在平台模型中,一个刚体部件四个角使用弹簧安装在地面上,同时受到一个力的作用使该部件受力不平衡。

在此原始状态下进行时域分析,如下图所示。

点击在线平衡分析按钮

,进行静平衡分析,得到静平衡分析结果,如下图所示。

可以看到当前模型状态的最大残余加速度值非常小。如果Maximum residuum in equilibrium参数的数值比较大(有明显的加速度),说明模型没有处于平衡状态,需要继续分析。

点击“Copy computedequilibrium states to model”按钮把计算后的状态复制到当前模型中,这样模型就处于平衡状态。

如果使模型在原始状态和平衡状态相互切换,最好的办法是使用状态集。点击状态集按钮

,这样就把当前模型的状态保存到这个新建的状态集中。

创建两个状态集,分别保存模型的初始状态和平衡后的状态。这样,该平台模型就可以在原始不平衡状态和平衡状态之间实现快速相互切换。

2.预载荷(Preload)分析

观察部件的位置可以发现通过静平衡分析后模型中的部件位置相比原始位置有了明显的变化,这在某些仿真工况中存在一定的问题。

比如,建立汽车(或者机车)仿真模型,其部件位置是基于实际物理样机的部件位置进行建模的,实际物理样机的部件位置已经是平衡状态。仿真模型中的部件初始位置和实际物理样机部件位置相同,但进行平衡分析后,模型中的部件发生位移,和实际部件位置之间产生一定的位置偏差,导致仿真模型与实际不符。

为了解决这个问题,可以使用Simpack预载荷(Preload)分析功能。预载荷分析是通过修改力元的名义力,使其和部件的重力平衡达到平衡状态。下面是预载荷分析和平衡分析之间的对比。

把这个平台模型恢复到初始非平衡状态,点击预载荷分析按钮

,并在Preload对话框中设置需要计算力元的哪些方向数值(本例是全部方向),并点击Perform Preload calculation按钮进行计算,计算后的结果为下图所示,可以看出四个弹簧力元的6分量力都有了名义力。

关闭该对话框,并在模型中打开一个力元的属性对话框,发现计算后的力数值已经赋予到力元中。

对模型进行在线时域分析,发现部件没有产生运动。

如果要把预载荷分析后的模型恢复为原始状态,可以点击Preload对话框中的Set Solver Preloads to zero按钮即可实现。

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