ANSYS刚柔混合多体动力学分析技术
刚柔耦合仿真分析流程及要点
本文主要介绍使用SolidWorks、HyperMesh、ANSYS和ADAMS软件进行刚柔耦合动力学分析的主要步骤。
一、几何建模在SolidWorks中建立几何模型，将模型调整到合适的姿态，保存。
此模型的姿态不要改动，否则以后的MNF文件导入到ADAMS中装配起来麻烦。
二、ADAMS动力学仿真分析将模型导入到ADAMS中进行动力学仿真分析。
为了方便三维模型的建立，SolidWorks中是将每个零件单独进行建模然后在装配模块中进行装配。
这一特点导致三维模型导入到ADAMS软件后，每一个零件都是一个独立的part，由于工作装置三维模型比较复杂，因此part数目也就相应的比较多，这样就对仿真分析的进行产生不利影响。
下面总结一下从三维建模软件SolidWorks导入到ADAMS中进行机构动力学仿真的要点。
（1）首先在SolidWorks中得到装配体。
（2）分析该装配体中，至U底有几个构件。
（3）分别隐藏其他构件而只保留一个构件，并把该构件导出为*.x_t格式文件。
（4）在ADAMS中依次导入各个*.x_t文件，并注意是用part的形式导入的。
（5）对各个构件重命名，并给定颜色，设置其质量属性。
（6）对于产生相对运动的地方，建议先在此处创建一个marker,以方便后面的操作。
否则，三维模型进入ADAMS后，线条繁多，在创建运动副的时候很难找到对应的点。
部件的导入如下图1所示：图1文件输入File Type 选择Parasolid;File To Read找到相应的模型；将Model Name 切换到Part Name,然后在输入框中右击，一次单击part宀create然后在弹出的新窗口中设置相应的Part Name,然后单击OK宀0K。
将一个部件导入，重复以上步骤将部件依次导入。
这里输入的技巧是将部件名称按顺序排列，如zpt_1、zpt_2、zpt_3.,然后在图1中只需将zpt_1改为zpt_2、将PART_1改为PART_2即可。
ansys动力学分析简介
1-20
动力学 - 基本定义和术语
…建模注意事项
材料特性
• • • 杨氏模量和密度是必须的。 记住使用一致的单位制。 对于密度，当使用英制单位时，定义质量密度而不是重量密度:
– [质量密度]=[重量密度]/[g]=[lbf/in3] / [in/sec2] = [lbf-sec2/in4] – 钢的密度=0.283/386 = 7.3 x 10-4 lbf-sec2/in4
1-17
动力学 - 基本定义和术语
…求解方法
直接积分法 • • • 直接求解运动方程
培训手册
Ansys80动力学培训教程——段志东制作
对于谐响应分析，由于载荷与响应都假设是谐函数，所以运动方程是以 力的频率函数而不是以时间函数的形式来写出并求解的。 对于瞬态分析，运动方程保持为时间的函数，可通过显式或隐式方法进 行求解。
培训手册
Ansys80动力学培训教程——段志东制作
例—国际单位制
• •Length unit •Time unit •Mass unit •Force unit •Young’s Modulus of Steel •Density of Steel •Yield stress of Mild Steel •Acceleration due to gravity (a) meter second kilogram Newton 210.0E+09 7.85E+03 200.0E+06 9.81 (b) millimeter second tonne Newton 210.0E+03 7.85E–09 200.0 9.81E+03 (c) millimeter millisecond kilogram kiloNewton 210.0 7.85E–06 0.200 9.81E-03
ANSYS动力学分析指南
ANSYS 动力学分析指南目 录第1章 模态分析 (1)§1.1 模态分析的定义及其应用 (1)§1.2 模态分析中用到的命令 (1)§1.3 模态提取方法 (1)§1.3.1 分块Lanczos法 (2)§1.3.2 子空间法 (3)§1.3.3 PowerDynamics法 (3)§1.3.4 缩减法 (3)§1.3.5 非对称法 (3)§1.3.6 阻尼法 (4)§1.3.7 QR阻尼法 (4)§1.4 矩阵缩减技术和主自由度选择准则 (5)§1.4.1矩阵缩减 技术 (5)§1.4.2人工选择主自由度的准则 (5)§1.4.3程序选择主自由度的要点 (7)§1.5 模态分析过程 (7)§1.6 建模 (7)§1.7 加载及求解 (8)§1.7.1 进入ANSYS求解器 (8)§1.7.2 指定分析类型和分析选项 (8)§1.7.3 定义主自由度 (10)§1.7.4 在模型上加载荷 (11)§1.7.5 指定载荷步选项 (12)§1.7.6 参与系数表输出 (12)§1.7.7 求解 (13)§1.7.8 退出求解器 (14)§1.8 扩展模态 (14)§1.8.1 注意要点 (14)§1.8.2 扩展模态 (14)§1.9观察结果 (16)§1.9.1 注意要点 (16)§1.9.2 观察结果数据的过程 (16)§1.9.3 选项：列表显示所有频率 (17)§1.9.4 选项：图形显示变形 (17)§1.9.5 选项：列表显示主自由度 (17)§1.9.6 选项：线单元结果 (17)§1.9.7 选项：等值图显示结果项 (18)§1.9.9 选项：列表显示结果项 (18)§1.9.10 其它功能 (18)§1.10 有预应力模态分析 (18)§1.11 大变形预应力模态分析 (19)§1.12 循环对称结构的模态分析 (20)§1.12.1 基本扇区 (20)§1.12.2 节径 (20)§1.12.3 标准（无应力）循环对称结构模态分析 过程 (21)§1.12.4 有预应力循环对称结构模态分析 (24)§1. 13 模态分析实例 (25)§1.13.1飞机机翼模态分析实例 (25)§1.13.2 循环对称结构模态分析实例－简化齿轮的模态分析 (31)§1.13.3 其它模态分析实例的出处 (38)第2章 谐响应分析 (40)§2.1谐响应分析 的定义与应用 (40)§2.2谐响应分析中用到的命令 (40)§2.3三种求解方法 (40)§2.3.1完全法 (41)§2.3.2缩减法 (41)§2.3.3模态叠加法 (41)§2.3.4三种方法共同的局限性 (42)§2.4完全法谐响应分析 (42)§2.4.1完全法谐响应分析过程 (42)§2.4.2建模 (42)§2.4.3加载并求解 (42)§2.4.4观察结果 (49)§2.5缩减法谐响应分析 (51)§2.5.1加载并求得缩减解 (52)§2.5.2观察缩减法求解的结果 (53)§2.5.3扩展解（扩展过程） (53)§2.5.4观察已扩展解的结果 (55)§2.5.5典型的缩减法谐响应分析命令流 (56)§2.6模态叠加法谐响应分析 (57)§2.6.1获取模态分析解 (57)§2.6.2获取模态叠加法谐响应解 (58)§2.6.3扩展模态叠加解 (59)§2.6.4观察结果 (59)§2.6.5典型的模态叠加法谐响应分析命令流 (59)§2.7有预应力的完全法谐响应分析 (61)§2.7.1 有预应力的完全法谐响应分析 (61)§2.7.2有预应力的缩减法谐响应分析 (61)§2.7.3有预应力的模态叠加法谐响应分析 (61)§2.8谐响应分析实例 (61)§2.8.1“工作台-电动机”系统谐响应分析 (62)§2.8.2有预应力的吉他弦的谐响应 (66)§2.8.3其它谐响应分析实例的出处 (73)第3章 瞬态动力学分析 (74)§3.1 瞬态动力学分析的定义 (74)§3.2 学习瞬态动力学的预备工作 (74)§3.3 三种求解方法 (74)§3.3.1 完全法 (75)§3.3.2 模态叠加法 (75)§3.3.3 缩减法 (75)§3.4 完全法瞬态动力学分析 (76)§3.4.1 建造模 型 (76)§3.4.2 建立初始条件 (77)§3.4.3 设置求解控制 (79)§3.4.4 设置其他求解选项 (82)§3.4.5 施加载荷 (84)§3.4.6 存储当前载荷步的载荷配置 (84)§3.4.7 针对每个载荷步重复§3.4.3-6 (85)§3.4.8 存储数据库备份文件 (85)§3.4.9 开始瞬态求解 (85)§3.4.10 退出求解器 (86)§3.4.11 观察结果 (86)§3.4.12 完全法瞬态分析的典型命令流 (87)§3.5 模态叠加法瞬态动力分析 (89)§3.5.1 建造模型 (89)§3.5.2 获取模态解 (89)§3.5.3 获取模态叠加法瞬态分析解 (90)§3.5.4 扩展模态叠加解 (93)§3.5.5 观察结果 (94)§3.5.6 模态叠加法瞬态分析的典型命令流 (94)§3.6 缩减法瞬态动力学分析 过程 (95)§3.6.1 获取缩减解 (96)§3.6.2 观察缩减法求解的结果 (100)§3.6.3 扩展解（扩展处理） (100)§3.6.4 观察已扩展解的结果 (102)§3.7 有预应力瞬态动力学分析 (103)§3.7.1 有预应力的完全法瞬态动力学分析 (103)§3.7.2 有预应力的模态叠加法瞬态动力学分析 (103)§3.7.3 有预应力的缩减法瞬态动力学分析 (103)§3.8 瞬态分析的关键技术细节 (104)§3.8.1 积分时间步长选取准则 (104)§3.8.2 自动时间步长 (106)§3.8.3 阻尼 (106)§3.9 瞬态动力学分析实例 (109)§3.9.1 瞬态完全法分析板-梁结构实例 (109)§3.9.2 瞬态缩减法分析简支梁－质量系统实例 (114)§3.9.3 瞬态模态叠加法分析板-梁结构实例 (119)§3.9.4 其它的分析实例的出处 (124)第4章 谱分析 (125)§4.1 谱分析的定义 (125)§4.2 什么是谱 (125)§4.2.1 响应谱分析 (125)§4.2.2 动力设计分析方法 (126)§4.2.3 功率谱密度 (126)§4.2.4 确定性分析与概率分析 (126)§4.3 谱分析使用的命令 (126)§4.4 单点响应谱(SPRS)分析步骤 (126)§4.4.1 建造模型 (127)§4.4.2 获得模态解 (127)§4.4.3 获得谱解 (127)§4.4.4 扩展模态 (129)§4.4.5 合并模态 (130)§4.4.6 观察结果 (132)§4.4.7 典型的单点响应谱分析命令流 (133)§4.5 随机振动(PSD)分析步骤 (134)§4.5.1 扩展模态 (135)§4.5.2 获得谱解 (135)§4.5.3 合并模态 (138)§4.5.4 观察结果 (139)§4.5.5 典型的PSD分析命令流 (141)§4.6 随机振动分析结果应用 (143)§4.6.1 随机振动结果与失效计算 (143)§4.6.2 随机疲劳失效 (144)§4.7 DDAM（动力设计分析方法）谱分析 (146)§4.8 多点响应谱（MPRS）分析 (146)§4.9 谱分析的实例（GUI命令流和批处理） (147)§4.9.1 单点响应谱分析的算例 (147)§4.9.2 多点响应谱分析的算例 (153)§4.9.3 随机振动和随机疲劳分析算例 (156)§4.9.4 谱分析的其他例题 (165)第1章 模态分析§1.1 模态分析的定义及其应用模态分析用于确定设计结构或机器部件的振动特性（固有频率和振型），即结构的固有频率和振型，它们是 承受动态载荷结构设计中的重要参数。
ANSYS多刚体动力学分析
第1页/共31页 11.0 New Features
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ANSYS v11.0
Introduction
• 刚体动力分析:
– 计算刚体组合机构的动力学响应. – 可以用来考察机构运动特性. – 部件之间采用运动副或者弹簧连接.
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Joints
Training Manual
• 要改变参考坐标系方向, 首先点击joint details中的 “coordinate system”. • 参考坐标系即可别激活 (see next page).
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ANSYS v11.0
Joints
Training Manual
• 刚性体的连接通过joint和弹簧来实现，不像揉形体通过接触来实现. • 连接方式可以是体对体（BTB）或者体对地（BTG） • 一个有效的模型系统必须包括一个接地连接。 • 注意，弹簧不是 joints 不能组成接地 (尽管定义为BTG). • 定义为“free”的部件必须通过一个BTG “general” joint定义。
第8页/共31页 11.0 New Features
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ANSYS v11.0
Joints
• 在被激活的CS 中点击需要的轴来改变它的方向。 • 可以选择六个方向中的任何一个。
ANSYS刚柔耦合分析
这个例子如下图所示，是一个曲柄摇杆机构。
左边是曲柄，右边是摇杆，中间是连杆，所有连接的地方都是转动副。
现在曲柄与地面的转动副上施加一个匀加速转动，而在摇杆与地面的转动副之间施加一个反向的力偶。
曲柄和摇杆都是刚体，而中间的连杆是柔性体。
现在想考察在机构转动1秒以后，连杆上的应力分布及位移。
由于连杆是柔性体，而曲柄和摇杆是刚体，所以这是一个刚柔耦合仿真问题。
要完成这个刚柔耦合仿真，需要经历如下步骤。
1.使用SOLIDWORKS创建四杆机构并装配使用SOLIDWORKS创建三根杆件，并在两端钻孔，然后使用轴对齐的方式进行装配。
为了简化起见，这里没有创建连接的销钉。
所以只有三根杆件。
装配完毕以后，导出为*.x_t格式。
2.在AWB中创建瞬态动力学分析刚柔耦合动力学仿真要在瞬态动力学分析中进行，如下图。
3.导入模型把前面的几何装配体导入到geometry单元格中，如下图。
4.设置杆件的属性曲柄和摇杆都设置为刚体。
连杆设置为柔性体。
5.设置运动副在曲柄-地面；摇杆-地面之间设置转动副。
使用如下工具栏。
在曲柄-连杆；连杆-摇杆之间设置转动副，使用如下工具栏。
6.划分网格7.设置分析选项这里仅仅是一个示意，最简单的设置。
仿真1秒，随便给一些时间步，打开大变形开关。
8.给原动件施加角加速度给曲柄-地面之间的转动副施加角加速度。
9.给从动件施加反向力偶给摇杆-地面之间的转动副施加反向力偶。
10.求解开始求解。
大概2分钟左右，计算结束。
11.查看连杆的应力12.查看总体位移动画13.结束。
ANSYS多刚体动力学分析
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Rigid Dynamic Setup
• 模型都定义为三维实体。 • 材料属性只有密度有效. • 部件定义为刚性体.
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Introduction
• 刚体动力分析:
– 计算刚体组合机构的动力学响应. – 可以用来考察机构运动特性. – 部件之间采用运动副或者弹簧连接.
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ANSYS刚体运动学分析详解
A N S Y S刚体运动学分析详解LELE was finally revised on the morning of December 16, 2020刚体运动学分析一、前处理1.创建分析项目双击主界面Toolbox中的Analysis System>Rigid Dynamics（刚体动力学）选项，在项目管理区创建分析项目A，如图所示。
2.定义材料数据1)双击项目A中的A2栏Engineering Data项，进入材料参数设置界面，在该界面下即可进行材料参数设置。
2)根据实际工程材料的特性，在Properties of Outline Row 2: Structure Steel表中可以修改材料的特性。
3)关闭A2:Engineering Data，返回到Workbench主界面，材料库添加完毕。
3.添加几何模型1)在A2栏的Geometry上单击鼠标右键，在弹出的快捷菜单中选择Import Geometry>Browse，此时会弹出“打开”对话框。
2)在弹出的对话框中选择文件路径，导入chap16几何体文件，此时A2栏Geometry后的？变为√，表示实体模型已经存在。
3)单击DM（DesignModeler）界面右上角的“关闭”按钮退出DM，返回到Workbench主界面。
4. 定义零件行为1)双击主界面项目管理区项目A中的A3栏Model项，进入Mechanical界面，在该界面下即可进行网格的划分、分析设置、结果查看等操作。
2)选择Mechanical界面左侧Outline树结构图中Geometry选项下的所有Solid，在Details of “Solid”中确保所有的Solid对象的Stiffness Behavior（刚度特性）均为Rigid（刚性），如图所示。
5.设置连接1)查看是否生成了Contact接触，如存在，则全部删除，如图所示。
2)选择Mechanical界面左侧Outline树结构图中的Connections对象，然后在工具箱中选择Body-Ground>Revolute，此时树结构图中出现Revolute对象。
ansys动力学分析全套讲解
.第一章模态分析§1.1模态分析的定义及其应用模态分析用于确定设计结构或机器部件的振动特性（固有频率和振型），即结构的固有频率和振型，它们是承受动态载荷结构设计中的重要参数。
同时，也可以作为其它动力学分析问题的起点，例如瞬态动力学分析、谐响应分析和谱分析，其中模态分析也是进行谱分析或模态叠加法谐响应分析或瞬态动力学分析所必需的前期分析过程。
ANSYS的模态分析可以对有预应力的结构进行模态分析和循环对称结构模态分析。
前者有旋转的涡轮叶片等的模态分析，后者则允在建立一部分循环对称结构的模型来完成对整个结构的模态分析。
ANSYS产品家族中的模态分析是一个线性分析。
任非线性特性，如塑性和接触（间隙）单元，即使定义了也将被忽略。
ANSYS提供了七种模态提取法，它们分别是子空间法、分块Lanczos法、PowerDynamics 法、缩减法、非对称法、阻尼法和QR阻尼法。
阻尼法和QR阻尼法允在结构中存在阻尼。
后面将详细介绍模态提取法。
§1.2模态分析中用到的命令模态分析使用所有其它分析类型相同的命令来建模和进行分析。
同样，无论进行种类型的分析，均可从用户图形界面（GUI）上选择等效于命令的菜单选项来建模和求解问题。
后面的“模态分析实例（命令流或批处理式）”将给出进行该实例模态分析时要输入的命令（手工或以批处理式运行ANSYS时）。
而“模态分析实例（GUI式）”则给出了以从ANSYS GUI中选择菜单选项式进行同一实例分析的步骤。
（要想了解如使用命令和GUI选项建模，请参阅<<ANSYS建模与网格指南>>）。
<<ANSYS命令参考手册>>中有更详细的按字母顺序列出的ANSYS命令说明。
§1.3模态提取法典型的无阻尼模态分析求解的基本程是经典的特征值问题：其中：=刚度矩阵,=第阶模态的振型向量（特征向量）,=第阶模态的固有频率（是特征值）,=质量矩阵。
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• “Sync Views”
• 窗口同步
Joint Features—Reference Coordinate Systems
• 参考坐标系:
• 自动位于joint分支下. • 可以手动更改
Joint Features—Stops
• Stops或者 Lock设置运动副的运动极限或条件. • 当达到相对运动，Stops限制条件会有冲击发生，
Lock则是锁定在固定
• SECSTOP • SECLOCK
Joint Features—DOF Checker (Background)
• 存在过约束问题，也可以计算，但是结果变得不准确. • Question : 模型对称，为什么支反力不对称?
Revolute joint
FX=0 N MY=0 N-m
• 多体动力学和其他模块的连接
Step1 ：导入几何
Step2 ：定义运动副和接触
使用多窗口工具
自由度检查和过约束分析
Step3 ：加载载荷和边界，进行分析设置
载荷可通过直接拖动运动副形式实现
• 载荷步数目
• 初始、最小、 最大时间步
• 输出控制
Step4 ：后处理
指定时间点输出
大纲
• 多体动力学分析组成 • 多体动力学分析流程
Random Vibration
A. 多体动力学简介
Ansys中有两种多体动力学分析:
多刚体系统运动分析
• 只包含刚性体 • 求解快 • 由于接触或者运动副产生运动 • 主要求解各个零部件的位移、速度、加速度和反作用力/力矩等历程曲线。 • 支持大变形大旋转效应 • 通过“Rigid Dynamics” 分析ine Connections
Assemble
接触
• 可自动或者手动生成 • 可定义不同接触类型(bonded, no separation, frictionless, frictional). • 只在接触表面生成网格 • 网格不必太细 • 可定义接触表面能量损失因子(pure elastic = 1, pure plastic = 0)
边界条件和载荷
• 边界条件或者载荷可定义常数，表格或者函数 • 可以抑制某一载荷步的边界
约束方程
• 用于创建运动副之间的关系: • – 可以是位移，速度，角速度等 • 例如对图中齿轮减速机构: • - 小齿轮10个齿，大齿轮50个齿
后处理
大纲
• 多体动力学分析组成 • 多体动力学分析流程
大纲
• 多体动力学分析组成 • 多体动力学分析流程
• 多体动力学和其他模块的连接
运动副
• Revolute • Cylindrical • Spherical • Translational • Slot • Planar • Universal • General • Bushing
Revolute Translational
ANSYS 刚柔混合多体动力学分析技术
什么是多体动力学 (Multibody Dynamic,MBD) ？
• 多体运动学是研究多体系统 (一般由若干个柔性和刚性物体相互连接所组成)运动规律的科学。
A. 多体动力学简介
• ‘刚体动力学’ 是ANSYS 动力学分析中的一个分支
ANSYS Dynamics
• 多体动力学和其他模块的连接
Nonlinear Transient Dynamics
Modal
Harmonic Response
Rigid Dynamics
Flexible Dynamics
Modal Superposition
Linear Transient Dynamic
Spectrum
Harmonic Response
Response Spectrum
Joint Features—Configuration Tool
• 选择具体调整自由度坐标， 拖曳鼠标到具体位置.
• 通过“Set” 确定初始位 置.
• 通过“Revert” 还原到最 初状态.
Joint Features—Assemble Tool
• 装配体组合工具允许客户通过定义连接的方式去组装装配体.
Cylindrical
Spherical
Planar
Universal
Slot
运动副—有间隙:
• 提供三种考虑间隙的运动副:
• In-plane radial gap • Spherical gap • Radial gap
Joints—Body Views
• 自动探测建立 joint • “Body Views”
Spherical joint Fx = 0.76 N My = 0 Nm
Slot joint Fx = 0.76 N My = 0 Nm
Joint Features—DOF Checker
• 接触的 Worksheet 可以显示 “Joint DOF Checker.” • 如果总自由度数小于1，则可能有过约束问题，表格会给出提示信息:
ANSYS MECHANICAL: 1min RIGID DYNAMIC: 1s
A.多体动力学简介
柔性体或者刚柔混合多体动力学
• 包含柔性体和刚体 • 求解时间长 • 允许所有的非线性效应 • 不仅可以求解系统当中刚体的动力学特性；同时还可以输出柔性体
的动力学特性：包括柔体的应力、应变、变形、接触压力等等。 • 通过“Transient Structural” 模块求解
Revolute joint
FX=1.51 N MY=6.05 x 10-2 N-m
Joint Features—Redundancy Analysis
• Answer : 模型存在过约束，使用过约束分析，更改运动副类型. 过约束分析显式多余约束
更改revolute joint为 spherical joint 和 slot joint
Joint Features—Redundancy Analysis
• 进行过约束分析，改善约束条件
Joint Features—Configuration Tool
• 单摆处于自由状态的位置. • 通过“Configure” 可改
变初始位置.
• 先选择configue，然后选 择具体运动副，出现调整 的坐标