ANSYS 部落格
May 5, 2023
多體動力學：現在全部合而為一
汽車、機器人、工業機械，甚至是人體，都是透過許多次系統共同運作，以達到一個可運行且複雜的完整系統。這些相互依存的系統運用多種相互連接組件的流暢運行，不管是自行車、心臟幫浦還是衛星，在世界各地都可見到蹤跡。為了設計、最佳化與維護這些複雜的機械體系，工程師仰賴多體動力學模擬的預測能力。
什麼是多體動力學？
多體動力學為結構動力學的分支，其模擬是運用多個互連零件以數位方式為系統建模的工程方法。由於這些系統可能非常複雜，涉及上百個動作狀態不斷變化的物體，因此在預測系統完整行為和結構適值時，多體動力學模擬扮演著重要角色。
透過系統整體建模，工程師將能清楚掌握每個物體的累積影響，從而進行全面測試並驗證成果。在多體動力學的協助下，我們可調查與瞭解結構物理和關聯物理。
多體動力學模擬的優點
- 觀察系統內每個元件從開始到結束的暫態動態。
- 在建置整個系統前先找出潛在設計問題，以免除實體測試成本。
- 探索改變系統材料與組態如何最佳化效能。
- 針對難以複製的環境條件進行系統測試。
- 為複雜系統進行整體建模，以避免局部或靜態簡化可能發生的不準確結果。
研究運動的物體 (運動學) 時必須考慮許多數量，包括位置、速度、加速度和時間。多體動力學模擬會進行方程式計算，以找出在機器許多齒輪、關節和運作機制時，可能同時發生的數千種行為。
這些都起源於牛頓的運動方程式，即著名的 F = ma (力 = 質量 * 加速度)。此處為運動的暫態動態方程式。
在此方程式中，q 代表通用座標 (每個實體的位置資訊)，Φ 則代表限制的 Jacobian 矩陣。只要再透過一些推導，我們就可求解位置和其他導出數量。
當專案需要同時含有剛體和彈性體的完整系統建模時，工程師會使用 Ansys Motion 等軟體取得快速且準確的分析結果。這套整合式軟體只需單一求解器，就能進行系統整體或元件評估，為您解析複雜的機械關係，並以更快速度做出更佳決策。
多體動力學模擬應用
最近有將文件進行列印嗎? 曾經騎過 10 段變速自行車嗎？我們周遭環境中有許多複雜系統，運用多體動力學模擬可讓航太、工業機器、機器人、生物力學及汽車等各種領域與產業受益。
在汽車產業中，多體動力學模擬可用來為車內系統進行設計、測試與最佳化。工程師可運用模擬來查看車輛的整體行為，或是一次為一個系統建模。
- 懸吊：懸吊系統仰賴各種阻尼器與穩定器的合作，來保持車輛的流暢操控。多體動力學模擬可為懸吊系統所有相關零件建模，以最佳化性能。
- 傳動系統：多體動力學模擬可用來改善引擎、變速箱和傳動系統等傳動系統元件的設計與行為，以提升效能、效率與耐用性。
- 安全：為評估車輛穩定性，多體動力學模擬可在翻覆測試中為車輛運動學建模。
- NVH：控制車內噪音、振動與刺耳度 (NVH) 程度對乘客舒適性與整體體驗至關重要。汽車工程師可使用多體動力學模擬來辨識汽車各零件發出的振動與聲音，並判斷最佳解決方式。
多體動力學範例：變速箱皮帶傳動
此範例中將模擬用來調查皮帶上的作用力與應力，以及變速箱效率。
圖 1.模擬顯示變速箱皮帶傳動應力
多體動力學範例：汽車傳動系統 NVH
範例中將模擬用來調查汽車變速箱中的齒輪高頻異音與振動異音問題。
- 齒輪高頻異音：齒輪嚙合處因變速箱發生錯誤所造成的噪音。多體動力學模擬提供如何透過改善齒輪齒形來減少激振力的深入見解。
圖 2.短時傅立葉轉換 (STFT) 對表面振動的分析，用於判斷主頻率以進行振動根本原因分析。
- 齒輪振動異音：因輸出軸扭矩波動所造成的噪音。多體動力學模擬可說明工作間隙中齒輪齒振動如何造成惱人的聲音。
圖 3.潛在問題的 STFT 特徵很容易區別。例如此影像中的振動異音瀑布圖與高頻異音的圖 (圖 2) 就有所不同。
合作提供更佳效果
無論是重型機械還是消費型商品，為我們日常生活提供動力的系統都十分複雜且相互整合。多體動力學模擬可協助工程師以整體方式檢視系統，並確保每個元件都能適當運作，以達成更高目標。若要深入瞭解多體動力學模擬，請觀看以下網路研討會 Ansys Motion：多體動力學求解器。