マルチボディダイナミクス: すべてを一緒に

自動車、ロボット、産業機械、さらには人体まで、これらすべての系では、多くの要素が協調した結果に向かって連携して動作します。相互接続された多くの部品をシームレスに同期させた、これらの相互依存システムは、自転車や心臓ポンプから人工衛星まで、あらゆる場所に存在しています。これらの複雑な機械的有機体を設計、最適化、維持するために、エンジニアはマルチボディダイナミクスシミュレーションの予測の力に頼っています。

マルチボディダイナミクスとは

構造力学の一分野であるマルチボディダイナミクスシミュレーションは、相互接続されたパーツを多数含む系をデジタルにモデル化するために使用されるエンジニアリング手法です。これらの系は非常に複雑であり、動作の状態が絶えず変化する数百のボディが関与しているため、系の完全な振る舞いや構造的な適性を予測するには、マルチボディダイナミクスシミュレーションが不可欠です。

系全体をモデル化することで、エンジニアは各ボディの累積影響を明確に把握し、結果を総合的にテストして検証することができます。マルチボディダイナミクスを使用することで、構造の物理特性と関連する物理特性の両方を調査し、理解することができます。

マルチボディダイナミクスシミュレーションの利点

• 系内の時刻歴応答を観察します。つまり、すべてのコンポーネントを最初から最後まで観察します。
• 系全体を構築する前に潜在的な設計上の問題を特定することで、実機試験にかかるコストを回避できます。
• 系の材料と構成を変更してパフォーマンスを最適化する方法について説明します。
• 再現が困難な環境条件に対して系をテストします。
• 複雑な系全体をモデル化して、局所的な単純化や静的な単純化で発生する不正確な結果を回避します。

動作（運動）中の対象物を調べる場合、位置、速度、加速度、時間など、さまざまな量を考慮しなければなりません。マルチボディダイナミクスシミュレーションでは、これらの方程式を計算して、機械の多くのギア、ジョイント、メカニズムが能動的に動作している間に、同時に発生する可能性のある何千もの振る舞いを明らかにします。

すべては、よく知られたF = ma (力 = 質量 * 加速度)として表される、ニュートンの運動の法則から始まります。ここでは、運動の時刻歴応答の方程式を示します。

プロジェクトで剛体と弾性体の両方の系全体のモデリングが必要な場合、エンジニアはAnsys Motionなどのソフトウェアを使用して、迅速かつ正確な解析を行います。この統合されたソフトウェアは、系全体とコンポーネントの両方を単一のソルバーから評価して、複雑な機械的関係を解析できるため、より適切な意思決定を迅速に行うことができます。 

マルチボディダイナミクスシミュレーションの適用

最近、印刷するためにドキュメントを送る、あるいは10速自転車に乗る機会はありましたか。複雑な系は私たちの周りにあります。マルチボディダイナミクスシミュレーションは、航空宇宙、産業機械、ロボット工学、生体力学、自動車など、さまざまな分野や業界に恩恵をもたらすことができます。

自動車業界では、マルチボディダイナミクスシミュレーションを使用して、車両のさまざまな系を設計、テスト、最適化しています。エンジニアは、シミュレーションを使用して車両の全体的な振る舞いを確認したり、系を1つずつモデル化したりできます。

• サスペンション: 車両の操縦性を滑らかに保つために、サスペンションシステムはさまざまなダンパーやスタビライザーの協調的な力に依存しています。マルチボディダイナミクスシミュレーションでは、サスペンションシステムを構成し、相互に関連するすべての部品をモデル化して、性能を最適化できます。
• パワートレイン: マルチボディダイナミクスシミュレーションを使用すると、エンジン、トランスミッション、ドライブトレインなどのパワートレインコンポーネントの設計と振る舞いを改善し、性能、効率、耐久性を向上させることができます。
  
• 安全性: マルチボディダイナミクスシミュレーションでは、車両の安定性を評価するために、ロールオーバーテストで車両の運動をモデル化できます。
• NVH: 車両内のノイズ、振動、ハーシュネス（NVH）レベルを制御することは、乗員の快適性と全体的な体験の向上に不可欠です。マルチボディダイナミクスシミュレーションを使用することで、自動車エンジニアは、自動車のすべての部品から生じる振動やサウンドの発生源を特定し、それらに対処するための最良の方法を決定できます。

マルチボディダイナミクスの例: トランスミッションベルトドライブ

この例では、シミュレーションを使用して、ベルトにかかる力や応力、さらには伝達効率を調べます。

マルチボディダイナミクスの例: 車両ドライブトレインのNVH

これらの例では、シミュレーションを使用して、車両のトランスミッションにおけるギアのうなり音とがたつき音の問題を調査します。

• ギアのうなり音: ギアメッシュのトランスミッションエラーによるノイズ。マルチボディダイナミクスシミュレーションでは、ギア歯の形状を改善することで励起力を低減する方法についての知見を得られます。 

• ギアのがたつき音: アウトプットシャフトからのトルク変動によるノイズ。マルチボディダイナミクスシミュレーションでは、動作クリアランス内のギア歯の振動がどのようにして不快な音を引き起こすかを示しています。

より優れた連携

重機から消費財まで、私たちの生活を支える系は複雑で統合されています。マルチボディダイナミクスシミュレーションは、エンジニアがこれらの系全体を把握し、すべてのコンポーネントがより大きな目標に向かって動作していることを確認するのに役立ちます。マルチボディダイナミクスシミュレーションの詳細については、ウェビナー「Ansys Motion: マルチボディダイナミクスソルバー」をご覧ください。