Ansys Motion
功能
應用
案例
Ansys Motion多體動力學分析軟件
Ansys Motion現已添加至Ansys Mechanical界面中，是基于高級多體動力學求解器的第三代工程解決方案。它可以快速準確地分析剛體和柔性體，并通過對整個機械系統(tǒng)的分析來準確地評估物理事件。
Ansys Motion 是用于部件和系統(tǒng)建模的完全集成型仿真環(huán)境。它可以通過同一個求解器來同時對剛體和柔性體進行快速準確的分析。在整個設計階段執(zhí)行系統(tǒng)運動性能、應力安全分析、振動分析和疲勞分析，有助于縮短各種工業(yè)應用的上市時間。Motion 的集成 GUI 為組件和系統(tǒng)分析提供了強大的建模環(huán)境，可以獨立或同時完成，從而在設計和分析過程中帶來新的可能性。Ansys Motion是適用于多體動力學系統(tǒng)設計的可靠先進的仿真解決方案。
功能介紹：
MBD Pro-基于剛體的多體動力學分析
FE Dynamics/Modal Flex 基于有限元網格柔性體動力學分析
Linear 系統(tǒng)特征值與頻率響應分析
特征值分析可計算系統(tǒng)的無阻尼固有頻率和模態(tài)。這種分析類型考慮系統(tǒng)的質量與剛度，但不考慮系統(tǒng)的阻尼。在評估系統(tǒng)的特征值之前，會先開展初始分析，然后將初始分析的解用作初始條件。
幾何體特征值分析可計算幾何體的無阻尼固有頻率和模態(tài)形狀，例如節(jié)點無網格幾何體和節(jié)點FE幾何體。該分析考慮了幾何體的質量與剛度，但不考慮阻尼。
頻率響應分析可計算頻域內的系統(tǒng)響應，該分析在特征值分析后的后處理器中可用。
Fatigue 基于S-N與E-N曲線的疲勞分析
常規(guī)疲勞分析要求對載荷歷史和應力進行兩項獨立的分析。在Ansys Motion疲勞分析系統(tǒng)中，這兩個流程被整合為一個流程。Ansys Motion求解器可同時生成載荷歷史和應力歷史。疲勞壽命可以直接顯示在Ansys Motion處理器中。
熱傳導與熱應力分析
支持穩(wěn)態(tài)熱與瞬態(tài)熱分析，可設定熱傳導，熱對流條件。
SMP 求解器的并行求解模塊
支持多核并行運算，可加快求解速度，減少等待時間，縮短產品開發(fā)周期。
API 二次開發(fā)能力
Motion支持軟件二次開發(fā)，用戶可以按照使用情景，利用python語言來執(zhí)行motion中的重復步驟，可節(jié)省大量時間，并減少人工設定失誤次數。
MATLAB interface/ FMI 聯合仿真
Ansys Motion通過腳本、FMI可以與其他軟件集成交互，并提供了專門的MATLAB接口。
CAD接口
1.STEP Translator – 將STEP文件導入Ansys Motion Pre
2.CATIA Import – 將CATIA文件導入Ansys Motion Pre
3.Parasolid Translator – 將 Parasolid 文件導入Ansys Motion Pre
4.Ansys Motion前處理基于ACIS內核研發(fā)，可直接讀取 .sat，.sab 文件。
5.其它CAD數據文件可通過對應的CAD轉換器進行轉換。
定制工具模塊
（1）Drivetrain Toolkit 傳動系統(tǒng)工具包
可根據參數輸入創(chuàng)建齒輪齒形。此外，自動創(chuàng)建接觸表面也讓操作更加方便。齒輪可以作為剛體或柔性體，可直接在Ansys Motion Drivetrain傳動系統(tǒng)定制工具中直接創(chuàng)建或從外部CAD源導入。支持正齒輪、螺旋齒輪和內齒輪?？梢苑治鰝鲃酉到y(tǒng)在各種可變駕駛條件下的振動噪聲（ NVH ）特性。 實現從初始設計概念到詳細的生產模型開展分析。 能夠以與真實測試環(huán)境中相同的方式，生成瀑布圖，方便比較模擬與現實情況。
（2）Links Toolkit 鏈條、履帶和皮帶傳動系統(tǒng)工具包
快速建立傳動系統(tǒng)中各項零件接觸關系（包含齒盤、鏈條、驅動輪盤、惰輪和皮帶等），可以節(jié)省大量重復設定模型的時間，模擬系統(tǒng)運行情形，并分析其中各零件受力、變形對系統(tǒng)運轉造成的影響。
（3）Car Toolkit 車輛動力學分析工具包
通過各式各樣的底盤模板，輸入懸掛系統(tǒng)的幾何尺寸參數即可建立仿真模型，專用模板和子系統(tǒng)建模工具，可用于為預定義分析場景構建底盤、懸掛、方向盤和車輪。對稱建模功能和基于模板的工作流程，讓用戶可以輕松地分析運動學與規(guī)范(K&C)場景及行駛與操縱(R&H)場景。
（4）EasyFlex Toolkit 無網格技術工具包
與常規(guī)有限元分析不同，Ansys Motion EasyFlex無網格柔性體仿真定制工具在結構分析前無需進行網格劃分。因為無需對復雜的3D CAD進行網格劃分，該模塊適用于所有用戶群體，即使是不熟悉網格劃分技術，也能輕松開展靈活性建模。通過Ansys Motion EasyFlex定制工具，用戶在幾分鐘內就能計算出各種形狀機器部件的應變和應力。
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Ansys Motion 產品應用領域及具體應用
應用領域
1、汽車工程領域：用于汽車整車及零部件的多體動力學分析，如對汽車底盤系統(tǒng)（包括懸掛、轉向、車輪等）、傳動系統(tǒng)（如變速器、傳動軸等）的性能分析與優(yōu)化。
2、機械制造領域：在各類機械設備的設計與分析中發(fā)揮作用，像工程機械（挖掘機、起重機等）、工業(yè)自動化設備等的運動性能、結構強度、振動疲勞等方面的研究。
3、軌道交通領域：可應用于軌道車輛（如火車、地鐵等）的動力學性能分析，包括車輛的運行平穩(wěn)性、軌道與車輪之間的相互作用、牽引系統(tǒng)的性能等方面的研究。
具體應用
1、系統(tǒng)級性能分析與優(yōu)化
· 運動性能評估：精確模擬機械系統(tǒng)的運動過程，獲取系統(tǒng)的位移、速度、加速度等運動學參數，分析系統(tǒng)在不同工況下的運動特性，如汽車在行駛過程中的操控穩(wěn)定性、工程機械工作裝置的運動軌跡準確性等，從而優(yōu)化系統(tǒng)的運動性能。
· 應力-安全分析：對機械系統(tǒng)中的零部件進行應力計算，評估在各種動態(tài)載荷作用下的應力分布情況，判斷零部件是否滿足強度要求，預測潛在的失效位置，確保系統(tǒng)在運行過程中的安全性，如對汽車發(fā)動機曲軸、連桿等關鍵零部件的應力分析。
· 振動與疲勞分析：分析機械系統(tǒng)在運動過程中的振動特性，計算振動頻率、振幅等參數，評估振動對系統(tǒng)性能和零部件壽命的影響；同時，結合應力分析結果，進行疲勞壽命預測，確定零部件的疲勞薄弱環(huán)節(jié)，為改進設計提供依據，如對機械設備中的旋轉部件、連接件等進行疲勞分析。
2、特定系統(tǒng)或部件分析工具包應用
· 傳動系統(tǒng)（Drivetrain）分析
噪聲、振動與聲振粗糙度（NVH）特性分析：在汽車、工程機械等設備的傳動系統(tǒng)設計中，利用 Drivetrain Toolkit 分析傳動部件（如齒輪、軸、軸承等）在不同工況下產生的噪聲、振動情況，通過模擬計算得到瀑布圖（Waterfall color maps）和階次跟蹤數據（Order tracking data），與實際測試環(huán)境中的數據進行對比，優(yōu)化傳動系統(tǒng)的 NVH 性能，提高乘坐舒適性和工作環(huán)境友好性。
齒輪性能與耐久性分析：借助新的齒面接觸壓力（Tooth Contact Pressure，TCP）、齒面變形（Tooth Contact Deformation，TCD）計算功能以及齒剛度計算方法和齒輪規(guī)格“公差”選項卡，更準確地評估齒輪在嚙合過程中的性能，預測齒輪的磨損、疲勞壽命等耐久性指標，優(yōu)化齒輪設計參數，提高傳動效率和可靠性。
· 鏈式與帶式傳動（Links for Chains and Belts）分析
不規(guī)則鏈傳動建模與分析：使用 Links Toolkit 構建各種類型的不規(guī)則鏈傳動系統(tǒng)，如工業(yè)生產線上的鏈式輸送機、摩托車的鏈條傳動等。通過定義路徑體（path bodies）和段體（segment bodies），自動創(chuàng)建鏈裝配體，方便地控制鏈節(jié)之間的接觸參數，研究鏈傳動系統(tǒng)在不同負載、速度等工況下的力學性能，如鏈條的張力分布、鏈節(jié)的磨損情況等。
· 履帶式車輛（Links for Tracks）分析
參數化研究與簡化建模：基于提供的預定義幾何形狀，對履帶式車輛的履帶系統(tǒng)進行參數化研究，分析不同參數（如履帶節(jié)距、寬度、張緊力等）對車輛行駛性能（如牽引力、行駛阻力、穩(wěn)定性等）的影響。同時，簡化履帶裝配過程，自動搜索和使用路徑體來組裝履帶段，減少建模工作量，提高分析效率。
· 汽車整車（Car）分析
底盤與懸掛系統(tǒng)分析：利用 Car Toolkit 中的專用模板和子系統(tǒng)建模工具，構建汽車底盤、懸掛、轉向和車輪等部件，分析汽車在不同行駛條件下的運動學和彈性運動學（Kinematics and Compliance，K&C）特性，如車輪定位參數的變化、懸掛系統(tǒng)的變形特性等，優(yōu)化底盤和懸掛系統(tǒng)的設計，提高汽車的操控性能和乘坐舒適性。
整車行駛性能分析：模擬汽車在加速、制動、轉彎等行駛工況下的整車性能，評估車輛的動力性、制動性、操縱穩(wěn)定性等指標，為汽車的總體設計和性能優(yōu)化提供支持。
· 柔性體建模與分析（EasyFlex）
快速柔性體應力應變計算：針對形狀復雜的機械零件，如橡膠密封件、塑料外殼、柔性連接件等，使用 EasyFlex Toolkit 無需預先進行復雜的網格劃分即可進行結構分析。在短時間內計算出零件在受力情況下的應變和應力分布，評估其在實際工作中的變形情況和承載能力，為柔性零件的設計和材料選擇提供依據。
3、協同工作與集成應用
· 與 MATLAB/Simulink 集成：通過 MATLAB 接口（MATLAB Interface），實現與 MATLAB 控制模型的聯合仿真。在控制系統(tǒng)設計中，如汽車的電子穩(wěn)定控制系統(tǒng)（ESP）、發(fā)動機控制系統(tǒng)等，將 Ansys Motion 中的機械系統(tǒng)模型與 MATLAB 中的控制算法相結合，模擬控制系統(tǒng)對機械系統(tǒng)動態(tài)性能的影響，優(yōu)化控制策略，提高系統(tǒng)的整體性能。
· 與其他仿真工具協同仿真（FMI 功能）：利用功能模型接口（Functional Mockup Interface，FMI），與支持 FMI 的其他仿真工具進行協同仿真。例如，在多學科系統(tǒng)仿真中，將 Ansys Motion 與流體力學仿真工具、熱力學仿真工具等結合，實現對復雜系統(tǒng)（如發(fā)動機熱管理系統(tǒng)、飛行器空氣動力學與結構動力學耦合系統(tǒng)等）的全面分析，考慮不同物理域之間的相互作用，提高仿真的準確性和可靠性。
多體動力學：齊聚一堂
汽車、機器人、工業(yè)機械，甚至人體都是由許多個部件結構協同工作以實現協調結果的系統(tǒng)。通過許多互連部件的無縫同步，這些相互依存的系統(tǒng)遍布我們的世界，從自行車和心臟泵到衛(wèi)星，無所不包。為了設計、優(yōu)化和維護這些復雜的機械生物體，工程師需要依靠多體動力學仿真的預測能力。
什么是多體動力學？
多體動力學仿真是結構動力學的一個分支，是一種用于對具有許多互連部件的系統(tǒng)進行數字建模的工程方法。由于這些系統(tǒng)可能極其復雜，涉及數百個處于不斷變化的運動狀態(tài)的物體，因此多體動力學仿真對于預測系統(tǒng)的完整行為和結構價值至關重要。
通過對整個系統(tǒng)進行建模，工程師可以清楚地了解每個部件物體的累積影響，以便能夠全面地測試和驗證結果。在多體動力學的幫助下，他們可以研究和了解結構物理和附屬物理。
多體動力學仿真的優(yōu)勢
1.觀察系統(tǒng)內的瞬態(tài)動力學，從開始到結束的每個組件。
2.在構建整個系統(tǒng)之前，通過識別潛在的設計問題來避免物理測試的成本。
3.探索系統(tǒng)材料和配置的更改如何優(yōu)化性能。
4.針對難以再現的環(huán)境條件對系統(tǒng)進行測試。
5.對復雜系統(tǒng)進行整體建模，以避免因局部或靜態(tài)簡化而產生不準確的結果。
在研究處于運動狀態(tài)的物體（運動學）時，需要考慮各種量，包括位置、速度、加速度和時間。多體動力學仿真可計算這些方程，以揭示機器的多個齒輪?連接副和機械裝置在積極運行時可能同時發(fā)生的數千種行為。
這一切都始于牛頓的運動方程，即著名的F = ma（力=質量*加速度）。此處表示的是瞬態(tài)動力學方程。
在該方程中，q表示廣義坐標（每個實體的位置信息），Φ表示約束的雅可比矩陣。?利用數學計算方法，我們可以求解位置和其他推導量。
當一個項目需要對剛體和柔體進行整個系統(tǒng)建模時，工程師可以使用Ansys Motion等軟件進行快速準確的分析。該集成軟件可以將系統(tǒng)作為一個整體和組件進行評估（所有這些都來自單個求解器），以剖析復雜的機械關系，并以更快速度做出更好的決策。
多體動力學仿真的應用
最近你是否發(fā)送了需要打印的文檔？或者騎過一輛10速自行車？復雜的系統(tǒng)無處不在，多體動力學仿真可被應用于航空航天、工業(yè)機械、機器人、生物力學和汽車等各個領域和行業(yè)。
在汽車行業(yè)，多體動力學仿真用于設計、測試和優(yōu)化整個車輛的系統(tǒng)。工程師可以使用仿真來了解汽車的整體行為，或者一次就對整個系統(tǒng)進行建模。
1.懸架：為了保持汽車的平穩(wěn)操控，懸架系統(tǒng)依賴于各種減震器和穩(wěn)定器的協同作用。多體動力學仿真可以對懸架系統(tǒng)的所有相關部件進行建模，以優(yōu)化性能。
2.動力總成：多體動力學仿真可用于改進動力總成組件（例如發(fā)動機、變速器和傳動系統(tǒng)）的設計和行為，以獲得更好的性能、效率和耐用性。
3.安全性：為了評估車輛的穩(wěn)定性，多體動力學仿真可以在側翻測試中對車輛運動學進行建模。
4.NVH：控制車輛內的噪聲、振動和粗糙度（NVH）水平對于乘客舒適度和整體體驗至關重要。通過使用多體動力學仿真，汽車工程師可以識別汽車所有部件發(fā)出的振動和聲音的來源，并確定解決這些問題的最佳方法。
多體動力學示例：傳動帶驅動
在本示例中，仿真用于研究傳動帶承受的力和應力，以及傳動效率。
多體動力學示例：汽車傳動系統(tǒng)NVH
在這些示例中，仿真用于研究汽車變速器中的齒輪嗚嗚聲和嘎嘎聲問題。
1.·齒輪?嘯叫：由齒輪嚙合處的傳動誤差引起的噪聲。多體動力學仿真有助于您深入了解如何通過改善齒輪齒形來減少激振力。
2.齒輪?撞擊噪聲：由于輸出軸的扭矩波動而產生的噪聲。多體動力學仿真顯示了齒輪齒在工作間隙內的振動是如何產生令人厭煩的聲音的。
