一文搞懂Ansys Workbench刚体动力学分析

一文搞懂Ansys Workbench刚体动力学分析

Ansys Workbench是一款功能强大的工程仿真软件，广泛应用于机械、航空航天、汽车等领域的结构分析和动力学分析。其中，刚体动力学分析模块可以帮助工程师计算机械系统的结构动态响应，考察机构的运动特性，为结构设计提供重要参考。本文将详细介绍Ansys Workbench中刚体动力学分析的具体步骤和方法。

在机械系统中，大量构件处于运动状态，因此进行结构设计时，需要进行刚体动力学分析，从而计算机械系统的结构动态响应，以及考察机构的运动特性。

Fig. 1 Ansys Workbench刚体动力学分析流程图

Ansys Workbench的刚体动力学分析模块基于全新的模型处理和求解算法，可以结合瞬态动力学分析模块进行结构刚柔耦合分析，其分析流程如上图所示。

Fig. 2 行星轮系几何模型

Step 1：创建并导入几何模型

步骤与结构静力学分析基本一致，只是模型都定义为三维属性，并且在DM界面生成模型前，需要点击Attach，在下方面板设置Simplify Geometry为Yes。

Fig. 3 几何建模与导入

Step 2：设置材料和部件属性

1. 双击Engineering Data，右击空白界面选择Engineering Data Sources，点击欲添加材料后面的“+”号，或者根据工程实际添加所需材料，考虑惯性必须添加密度。

Fig. 4 ANSYS Workbench添加材料属性

2. 双击Model，进入Mechanical界面，展开Geometry，依次点击所有部件，下方列表的Assignment中选择对应材料，设置刚度属性(Stiffness Behavior)为刚体(Rigid)。

Step 3：设置部件间连接关系

1. 点击模型树中的Connections，删除自动生成的所有接触。根据部件相对运动关系，依次添加各种运动副（固定副Fixed Joint、转动副Revolute Joint等）。

Fig. 5 齿面接触设置

2. 对于高副机构，如凸轮副、齿轮副，添加接触(Contact)。参见文章：干货 | ANSYS Workbench常用接触类型。粘性阻尼效应通过定义弹簧(Springs)来实现。

Fig. 6 创建转动副

Step 4：有限元网格划分

由于所有零部件均为刚性体，无结构变形，故不需要划分网格，右击模型树中的Mesh，选择Generate Mesh即可。

Step 5：施加约束和载荷

1. 添加约束，可以是固定约束(Fixed)、位移约束(Displacement)等。参见文章：干货 | ANSYS Workbench常用约束类型。

Fig. 7 ANSYS Workbench约束类型

2. 输入载荷，可以是力矩(Moment)、加速度(Acceleration)、关节驱动(Joint)等。参见文章：干货 | ANSYS Workbench常用载荷类型。

Fig. 8 设置关节角速度

3. 选择Analysis Settings，在下方面板设置Initial Time Step，Minimum Time Step、Maximum Time Step等，其余保持默认。

Fig. 9 分析求解设置

Step 6：求解及后处理

点击模型树中的Solution，添加位移、速度、加速度、接触力等，求解后查看结果，从而分析运动过程中各个运动参数的变化。

写在最后

1. 在接触对的“接触”侧或“目标”侧，为接触条件选择的所有几何图元的“刚度行为”属性必须具有相同的设置。
2. 如果几何体的“刚度行为”属性设置为“刚性”，则必须将“定义”属性设定为“不对称”（Asymmetric）。
3. 不能将接触对中的目标侧范围扩大到多个刚体。如果接触对中同时有刚体和柔体，则必须将刚体作为目标。