Ansys博客
May 5, 2023
多体动力学：齐聚一堂
汽车、机器人、工业机械，甚至人体都是由许多个部件结构协同工作以实现协调结果的系统。通过许多互连部件的无缝同步，这些相互依存的系统遍布我们的世界，从自行车和心脏泵到卫星，无所不包。为了设计、优化和维护这些复杂的机械生物体，工程师需要依靠多体动力学仿真的预测能力。
什么是多体动力学？
多体动力学仿真是结构动力学的一个分支，是一种用于对具有许多互连部件的系统进行数字建模的工程方法。由于这些系统可能极其复杂，涉及数百个处于不断变化的运动状态的物体，因此多体动力学仿真对于预测系统的完整行为和结构价值至关重要。
通过对整个系统进行建模，工程师可以清楚地了解每个部件物体的累积影响，以便能够全面地测试和验证结果。在多体动力学的帮助下，他们可以研究和了解结构物理和附属物理。
多体动力学仿真的优势
- 观察系统内的瞬态动力学，从开始到结束的每个组件。
- 在构建整个系统之前，通过识别潜在的设计问题来避免物理测试的成本。
- 探索系统材料和配置的更改如何优化性能。
- 针对难以再现的环境条件对系统进行测试。
- 对复杂系统进行整体建模，以避免因局部或静态简化而产生不准确的结果。
在研究处于运动状态的物体（运动学）时，需要考虑各种量，包括位置、速度、加速度和时间。多体动力学仿真可计算这些方程，以揭示机器的多个齿轮连接副和机械装置在积极运行时可能同时发生的数千种行为。
这一切都始于牛顿的运动方程，即著名的F = ma（力=质量*加速度）。此处表示的是瞬态动力学方程。
在该方程中，q表示广义坐标（每个实体的位置信息），Φ表示约束的雅可比矩阵。利用数学计算方法，我们可以求解位置和其他推导量。
当一个项目需要对刚体和柔体进行整个系统建模时，工程师可以使用Ansys Motion等软件进行快速准确的分析。该集成软件可以将系统作为一个整体和组件进行评估（所有这些都来自单个求解器），以剖析复杂的机械关系，并以更快速度做出更好的决策。
多体动力学仿真的应用
最近你是否发送了需要打印的文档？或者骑过一辆10速自行车？复杂的系统无处不在，多体动力学仿真可被应用于航空航天、工业机械、机器人、生物力学和汽车等各个领域和行业。
在汽车行业，多体动力学仿真用于设计、测试和优化整个车辆的系统。工程师可以使用仿真来了解汽车的整体行为，或者一次就对整个系统进行建模。
- 悬架：为了保持汽车的平稳操控，悬架系统依赖于各种减震器和稳定器的协同作用。多体动力学仿真可以对悬架系统的所有相关部件进行建模，以优化性能。
- 动力总成：多体动力学仿真可用于改进动力总成组件（例如发动机、变速器和传动系统）的设计和行为，以获得更好的性能、效率和耐用性。
- 安全性：为了评估车辆的稳定性，多体动力学仿真可以在侧翻测试中对车辆运动学进行建模。
- NVH：控制车辆内的噪声、振动和粗糙度（NVH）水平对于乘客舒适度和整体体验至关重要。通过使用多体动力学仿真，汽车工程师可以识别汽车所有部件发出的振动和声音的来源，并确定解决这些问题的最佳方法。
多体动力学示例：传动带驱动
在本示例中，仿真用于研究传动带承受的力和应力，以及传动效率。
图1：显示传动带驱动应力的仿真
多体动力学示例：汽车传动系统NVH
在这些示例中，仿真用于研究汽车变速器中的齿轮呜呜声和嘎嘎声问题。
- ·齿轮啸叫：由齿轮啮合处的传动误差引起的噪声。多体动力学仿真有助于您深入了解如何通过改善齿轮齿形来减少激振力。
图2：对表面振动进行短时傅里叶变换（STFT）分析，以确定振动的主导频率，从而进行根本原因分析。
- 齿轮撞击噪声：由于输出轴的扭矩波动而产生的噪声。多体动力学仿真显示了齿轮齿在工作间隙内的振动是如何产生令人厌烦的声音的。
图3：潜在问题的STFT特征可以轻松区分。例如，该图中的啸叫瀑布图与撞击噪声图（图2）不同。
更好地协作
从重型机械到消费品，为我们的生活提供动力的系统是复杂而综合的。多体动力学仿真可帮助工程师将这些系统视为一个整体，并确保每个部件都在为实现整体目标而工作。如欲了解有关多体动力学仿真的更多信息，请观看网络研讨会Ansys Motion：多体动力学求解器。