练习二 创建柔性体并进行刚柔耦合仿真分析
刚柔耦合机械系统动态特性仿真与分析
刚柔耦合机械系统动态特性仿真与分析近年来，随着科技的不断发展和机械工程领域的进步，刚柔耦合机械系统逐渐成为了研究热点。
刚柔耦合机械系统由刚性部分和柔性部分组成，刚性部分负责传递力量和实现运动控制，而柔性部分则通过弹性变形来减小冲击和振动。
动态特性仿真与分析的研究，可以帮助我们更好地了解刚柔耦合机械系统的运动规律和优化设计。
刚柔耦合机械系统是一个复杂且多变的系统，因此进行仿真和分析是必不可少的一步。
在进行仿真前，我们需要建立系统的数学模型。
数学模型可以描述系统的运动方程和力学关系，是进行仿真与分析的基础。
通过数学模型，我们可以对系统的动态特性进行定量描述，如自然频率、振型等。
一种常见的建模方法是基于有限元分析（FEA）。
FEA可以将复杂的几何结构离散为许多小的有限元，通过求解有限元的位移和变形来分析整体系统的动态响应。
对于刚柔耦合机械系统而言，我们可以将刚性部分建模为刚体，柔性部分建模为弹簧或梁。
通过选择合适的单元类型和约束条件，可以模拟系统在不同载荷下的振动响应和应力分布。
在进行仿真分析时，需要考虑到系统的初始条件和边界条件。
初始条件包括系统的初始位置、速度和加速度等。
边界条件则包括约束和外部施加力等。
通过改变这些条件，我们可以研究系统在不同工况下的响应情况。
例如，可以研究系统在不同频率下的共振现象和应力集中情况，以评估系统的可靠性和安全性。
刚柔耦合机械系统的动态特性仿真与分析可以帮助我们优化系统设计和改进产品性能。
通过仿真，我们可以在不同参数和条件下评估系统的响应，从而提供优化设计方案的依据。
例如，在设计机器人手臂时，我们可以通过仿真分析手臂的振动频率和振幅，进而改进结构和材料的选择，以提高手臂的工作稳定性和精度。
此外，仿真和分析还可以帮助我们预测系统的故障和损坏。
通过分析系统在不同载荷下的应力和变形分布，我们可以评估系统的强度和刚度，以判断系统是否会发生破坏性失效。
这对于预防事故和优化维护策略具有重要意义。
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。
刚柔耦合柔性机械手二阶理论精准建模及实验研究
刚柔耦合柔性机械手二阶理论精准建模及实验研究赵燕;阮成明;王松伟【摘要】Based on dynamic boundary conditions and three deformation theories,a precise dynamics model of double-joint flexible manipulators with pseudo-modal method and Lagrangian method was established by Euler-Bernoulli beam model.Influences of the dynamic boundary conditions and deformation theory on theoretical modeling accuracy of the double-joint flexible manipulators were analyzed according to theoretical simulation results.It is verified that the model of rotating free beam is closer to the actual working conditions,by comparisons of double-joint flexible manipulator's modal frequencies of the experimental results and those from the theoretical model under different dynamic boundary conditions.%基于动边界条件和三种变形理论,选取Euler-Bernoulli梁模型,采用假想模态法并结合拉格朗日方程建立了双关节柔性机械手的精淮动力学模型.根据理论计算仿真结果分析了动边界条件和变形理论对双关节柔性机械手理论建模精准性的影响,并通过实验对比双关节柔性机械手在不同动边界下理论模型和实验条件下的模态频率,验证了转动自由梁模型与实际工况更为贴近.【期刊名称】《中国机械工程》【年(卷),期】2018(029)002【总页数】6页(P205-210)【关键词】柔性机械手;刚柔耦合;精准建模;动边界条件;变形理论【作者】赵燕;阮成明;王松伟【作者单位】武汉理工大学机电工程学院,武汉,430070;武汉理工大学机电工程学院,武汉,430070;武汉理工大学机电工程学院,武汉,430070【正文语种】中文【中图分类】TP240 引言柔性机械手动力学行为表现为复杂的刚柔耦合现象[1-2]，其动力学模型具有时变、非线性、强耦合等特点，而模型的建立是对柔性机械手进行动力学研究分析的基础。
基于刚-柔耦合理论的某供药机构的仿真分析
基于刚-柔耦合理论的某供药机构的仿真分析李勇;郑建国【期刊名称】《兵工自动化》【年(卷),期】2017(036)008【摘要】某供药机构中分药装置的拨杆需在极短的时间内与抱爪的卡锁接触,并将模块药从储药筒中拨出;为了研究高速运动对运动部件的影响,考虑拨杆为柔性体,并建立相应的柔体动力学方程;将原动件拨杆和被接触件卡锁用Ansys软件创建成柔性体,在ADAMS中建立相应的刚柔耦合动力学模型,与原有的多刚体动力学模型对比.对比结果表明:柔性体拨杆在外力作用下时,速度响应曲线会出现波动,而刚性体拨杆不会;针对柔性体碰撞仿真计算出的接触力比刚性体碰撞时的接触力峰值小且滞后;导致以上结果的原因是运动过程中柔性体部件会发生弹性变形.该研究对研究某供药机构中的分药装置有一定的参考作用.%The shift lever of dispensing device in charge feeding mechanism should contact with the locker device of the cartridge case in a very short period of time and let modular charge get out from the cartridge case. In order to study the impact of high-speed movement on moving parts, the shift lever was created as flexible body by Ansys software and was established rigid-flex coupling dynamics models with ADAMS software. Compared with the original multi-rigid-body dynamics model, the following conclusions can be obtained: velocity-response curve of the shift lever with flexible body will fluctuate under the action of external force and the shift lever with rigid body will not; the contact force calculated by the simulation of the flexible body collision issmaller than it calculated by the simulation of the rigid body collision. The reason for the above result is that the flexible body part is elastically deformed during the movement. The study of the modular charge feeding mechanism in the modular supply device has a reference role.【总页数】5页(P20-23,43)【作者】李勇;郑建国【作者单位】南京理工大学机械工程学院,南京 210094;南京理工大学机械工程学院,南京 210094【正文语种】中文【中图分类】TJ303【相关文献】1.基于刚-柔耦合模型的高速机车齿轮传动系统断齿故障仿真分析 [J], 王贞云;刘永强;廖英英;石鹏飞2.基于刚-柔耦合模型的高速机车齿轮传动系统断齿故障仿真分析 [J], 王贞云;刘永强;廖英英;石鹏飞3.基于变胞原理的舰炮装填机构刚-柔耦合动力学建模及误差分析 [J], 胡胜海;郭春阳;余伟;祁松;孙军超4.基于刚-柔耦合模型的供弹系统动力学分析 [J], 李利;魏立新;樊永锋5.基于加权广义逆求解被动过约束刚-柔耦合并联机构的受力问题 [J], 刘文兰;许允斗;陈亮亮;姚建涛;赵永生因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
刚柔耦合汽车平顺性仿真及试验研究
刚柔耦合汽车平顺性仿真及试验研究引言汽车平顺性是指车辆在行驶过程中对车内乘员舒适安全的影响程度，是衡量车辆行驶质量的重要指标之一。
对于乘坐长途或者高速行驶的用户来说，车辆平顺性直接关系到驾驶感受以及行车安全。
为了保护车内乘员的身体健康以及满足高端用户对于行车舒适性的要求，汽车制造厂商和科研机构都开始将平顺性打造成为一个优先考虑的研究方向。
因此，针对汽车平顺性的仿真及试验研究，已经成为了当前汽车工程中的一个热点问题。
1 汽车平顺性的研究意义汽车平顺性作为决定行车乘坐舒适性的主要因素之一，其水平直接决定了驾驶员的舒适感受以及车内乘员的身体健康。
对于汽车生产厂家而言，拥有良好的平顺性技术能够使得企业生产的汽车质量更加高端。
对于由家庭、旅游等需求驱动的消费者而言，平顺性成为了选购汽车的主要指标之一。
同时，汽车平顺性的研究关注点和理论应用深度，可以推动更多汽车相关的技术发展，具有深远的影响。
2 平顺性仿真及试验的研究内容平顺性仿真及试验的研究内容主要包括：2.1.设计车型及数据处理方案：根据所研究的汽车类型、驾驶场景、行车路线以及道路条件等因素，制定相应的试验计划，并对数据采集以及处理过程进行理论建模与数据分析。
2.2.行车路面条件仿真：通过计算机软件仿真实验，模拟不同道路条件（如辣椒路面、石子路面等）下车辆的行进情况，改变路面的摩擦力、高低程度、毛坯路的情况，更好地体现汽车的平顺性。
2.3.车辆各类性能测试：通过实车或者虚拟仿真平台进行相应测试，包括车辆实测加速度、车轮反弹度、悬挂改变、轴距以及螺旋卷等。
并对车辆运动状态，震动情况，音响特性以及噪音等进行较为全面的分析。
2.4.优化改善方案的实现：在针对汽车平顺性的优化过程中，可以根据行车乘坐的实际情况以及业界最先进的设计思想。
通过图形化处理统计、工程模拟、模型试验等技术手段快速优化车型设计，打造最符合市场的高端低品质产品。
3 仿真及试验研究的思考和发展趋势要全面掌握汽车平顺性的仿真及试验研究技术，需要对传统平顺性实验和计算模型所涉及到的问题和方法进行了解。
齿轮仿真耦合实验报告(3篇)
第1篇一、实验背景齿轮作为机械传动系统中的重要组成部分，其性能直接影响着整个系统的效率和寿命。
为了提高齿轮设计的准确性和可靠性，本研究采用有限元分析（FEA）和刚柔耦合动力学仿真（Rigid-Flexibility Coupling）方法，对齿轮进行仿真耦合实验，以评估齿轮在实际工作条件下的力学行为和性能。
二、实验目的1. 建立齿轮的有限元模型，并进行网格划分。
2. 通过有限元分析，计算齿轮在静态载荷作用下的应力分布和变形情况。
3. 利用刚柔耦合动力学仿真，模拟齿轮在实际工作条件下的动态响应。
4. 分析齿轮的疲劳寿命和强度性能，为齿轮设计和优化提供理论依据。
三、实验方法1. 有限元模型建立与网格划分首先，根据齿轮的实际尺寸和材料属性，建立齿轮的几何模型。
然后，采用四面体网格对齿轮进行网格划分，确保网格质量满足仿真要求。
2. 静态载荷下的有限元分析在有限元分析中，将齿轮置于静态载荷作用下，通过求解非线性方程组，得到齿轮的应力分布和变形情况。
主要关注齿轮的齿面接触应力、齿根应力、齿面磨损和齿面疲劳寿命。
3. 刚柔耦合动力学仿真为了模拟齿轮在实际工作条件下的动态响应，采用刚柔耦合动力学仿真方法。
将齿轮视为柔性体，同时考虑齿轮与轴承、轴等部件的相互作用。
通过施加转速和扭矩等激励，模拟齿轮在旋转过程中的动态响应。
4. 疲劳寿命和强度性能分析在仿真过程中，对齿轮的疲劳寿命和强度性能进行分析。
通过计算齿面接触应力、齿根应力等参数，评估齿轮的疲劳寿命和强度性能。
四、实验结果与分析1. 静态载荷下的应力分布和变形通过有限元分析，得到齿轮在静态载荷作用下的应力分布和变形情况。
结果表明，齿轮的齿面接触应力主要集中在齿根附近，齿根应力较大。
同时，齿轮的变形主要集中在齿面和齿根处。
2. 刚柔耦合动力学仿真结果通过刚柔耦合动力学仿真，模拟齿轮在实际工作条件下的动态响应。
结果表明，齿轮的齿面接触应力、齿根应力等参数在旋转过程中发生变化，但总体上满足设计要求。
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。
泵车臂架刚柔耦合模型仿真
泵车臂架刚柔耦合模型仿真《机械工程与自动化杂志》2014年第二期1柔性体理论及创建方法多柔性体系统动力学是研究由可变形物体以及刚体所组成的系统在经历大范围空间运动时的动力学行为［3］。
它在多刚体动力学理论基础上，不仅考虑了各部件连接点处的阻尼与弹性等的影响，又进一步考虑到部件的变形，极大地提高了多体系统仿真的准确性。
1.1柔性体运动学方程在多柔性体系统动力学分析中，系统能量是一个非常重要的物理量。
同时，在理论计算过程中，能量的时间历程能否遵循保守系统能量守恒的原理保持常数，是考核计算结果正确与否的一个重要的指标。
柔性体的动能可表示为。
运用拉格朗日乘子法建立的多柔性体运动微分方程为：其中：K，M，D分别为模态刚度矩阵、质量矩阵和阻尼矩阵；Dξ•，Kξ分别为物体内部由于阻尼和弹性变形而引起的广义力；ψ为全局坐标基相对于局部坐标基的角度；λ为有约束的拉格朗日乘子；Q为外力作用下的广义力；fg为广义重力。
1.2柔性体创建方法使用ADAMS软件创建柔性体有3种方法［5］：①利用ADAMS中柔性梁的方法，即将模型中的某一个构件离散成许多段刚性单元，经过离散化的构件之间采用柔性梁的方式连接，然后为每一段离散件赋予不同的材料、颜色等属性，指定柔性梁的参数，但这种方法仅限于外形简单的构件时才能够使用，而且离散连接的实质并不是建立了真正意义上的柔性体，只是刚性体与刚性体的柔性连接；②利用ADAMS中的AutoFlex模块，在View模式下直接建立柔性体的模态中性文件，然后再利用该文件创建的柔性体代替原有刚性体实现柔性化处理，但自ADAMS软件07版本以后，软件已淡化了本身制作柔性体的功能；③先将刚性体模型导入到有限元软件中，将其离散成细小的网格后，计算有限元模型的模态，最后将计算结果保存为MNF 文件导入到ADAMS中建立柔性体。
通过计算构件的固有频率和对应的模态，按照模态理论，本文采用第3种方法建立柔性臂架，建立臂架系统刚柔耦合模型的流程见图1。
大范围运动刚柔耦合系统动力学建模与仿真
大范围运动刚柔耦合系统动力学建模与仿真随着科技的不断发展，机器人技术在各个领域得到了广泛的应用。
机器人的运动控制是机器人技术中的一个重要研究方向。
在机器人的运动控制中，刚柔耦合系统动力学建模与仿真是一个重要的研究方向。
刚柔耦合系统是指由刚体和柔性结构组成的系统。
刚体是指具有固定形状和大小的物体，而柔性结构则是指具有一定弹性的物体。
刚柔耦合系统的动力学建模与仿真是指对这种系统进行数学建模和仿真分析，以便更好地理解和控制这种系统的运动。
在刚柔耦合系统的动力学建模中，需要考虑刚体和柔性结构之间的相互作用。
这种相互作用可以通过建立刚柔耦合系统的动力学模型来描述。
动力学模型可以用来预测系统的运动轨迹和响应。
在建立动力学模型时，需要考虑系统的质量、惯性、弹性和摩擦等因素。
在刚柔耦合系统的仿真分析中，可以使用计算机模拟的方法来模拟系统的运动。
计算机模拟可以帮助研究人员更好地理解系统的运动特性，并预测系统的响应。
在进行仿真分析时，需要考虑系统的初始状态、外部扰动和控制策略等因素。
刚柔耦合系统的动力学建模与仿真在机器人技术中具有广泛的应用。
例如，在机器人的运动控制中，刚柔耦合系统的动力学建模和仿真可以帮助研究人员更好地理解机器人的运动特性，并设计更有效的控制策略。
此外，在机器人的设计和制造中，刚柔耦合系统的动力学建模和仿真也可以帮助研究人员更好地理解机器人的结构和性能，并优化机器人的设计。
刚柔耦合系统的动力学建模与仿真是机器人技术中的一个重要研究方向。
通过建立动力学模型和进行仿真分析，可以更好地理解和控制刚柔耦合系统的运动特性，从而为机器人技术的发展提供有力的支持。
ADAMS柔性体-刚柔耦合模块详解
ADAMS柔性体-刚柔耦合模块一、ADAMS柔性体理论1、ADAMS研究体系：a）刚体多体系统（低速运动）b）柔性多体系统（考虑弹性变形，大轻薄，高速）c）刚柔耦合多体系统（根据各个构件情况考虑，常用普遍仿真类型）大部分仿真分析都采用的是刚性构件，在受到力的作用不会产生变形，现实中把大部分构件当做刚性体处理是可以满足要求的，因为各个零件之间的弹性变形对于机构各部分的动态特性影响微乎其微。
但是需要考虑构件变形，变形会影响精度结果，需要对构件其应力大小和分布以及载荷输出研究的时候，以及薄壁构件，高精密仪器部件等，则需要当做柔性体对待，这样计算结果会准确一些。
对于柔性体机构，变形对动态影响起着决定性作用，刚柔耦合系统约束的添加必须考虑各个零部件之间的连接和受力关系，更可能还原实际工况，从而使模型更真实还原。
2、柔性体柔性体是由模态构成的，要得到柔性体就需要计算构件的模态。
柔性体最重要的假设就是仅考虑了相对于连体坐标系得晓得线性变形，而连体坐标系同时也在做大的非线性运动。
对于柔性体变形，模态中性文件必然存在某一些模态不响应，没有参与变形或者变性太大，参与系数非常小，比如前六阶或者不正常的阶数，如果去掉贡献较小的模态阶数，便可以提高仿真的效率。
…………3、模态谈到柔性体，就必然脱不了模态的概念，构件的模态是构件自身的一个物理属性，一个构件一旦制造出来，他的模态就是自身的一种属性，再将几何模型离散成有限元模型以后，有限元模型的各个节点有一定的自由度，这样所有的节点自由度的和就构成了有限元模型的自由度，一个有限元模型有多少自由度，它就有多少阶模态。
由于构件各个节点的实际位移是模态的按一定比例的线性叠加，这个比例就是一个系数，通常成为模态参与因子，参与因子越大，对应的模态对于构件变形的贡献量越多，因此对构件的振动分析，可以从构件的模态参与因子大小来分析，如果构建在振动时，某阶模态的参与因子大，可以通过改进设计，抑制改接模态对振动贡献量，可以明显降低构件的振动。
作大范围运动柔性梁和柔性薄板刚柔耦合动力学建模与仿真的开题报告
作大范围运动柔性梁和柔性薄板刚柔耦合动力学建模与仿真的开题报告一、研究背景和意义运动柔性结构是将柔性材料（比如橡胶、塑料等）用在机械结构中，使其具有较好的韧性和可变形性。
在工程实践中，运动柔性材料被广泛应用于机械振动、减震、噪声控制、刚度可调控、多自由度装置、自适应控制等方面。
因此，精确模拟和预测运动柔性结构的动力特性及其耦合效应，对于机械系统噪声控制、性能优化、系统可靠性研究等方面具有极其重要的理论和应用价值。
在实际运动柔性结构应用中，柔性杆、柔性梁和柔性薄板等作为运动柔性结构的代表，因其模型简化和计算方便性，被广泛应用于理论研究和数值仿真。
其中，在运动柔性梁和柔性薄板的研究中，刚柔耦合效应是非常重要的。
刚柔耦合动力学是指刚性结构与柔性结构之间的相互作用，确保系统的稳定性和可靠性。
因此，准确的建模和仿真运动柔性梁和柔性薄板的刚柔耦合动力学特性，具有重要的理论和应用价值。
本文从建立运动柔性梁和柔性薄板的刚柔耦合动力学模型入手，研究运动柔性梁和柔性薄板的动力学特性及其刚柔耦合效应，以期为机械系统优化、性能提高和噪声控制等领域提供理论依据和指导。
二、研究目标及内容1、研究运动柔性梁和柔性薄板的动力学特性，建立相应的数学模型。
2、考虑柔性结构的应变变形和刚度变化，利用有限元方法建立耦合动力学模型。
3、利用数值仿真方法，探究跨声速气流中柔性梁和薄板的非线性动力学特性。
4、通过实验验证和数值仿真结果的比较，检验模型的可靠性。
三、研究方法与流程1、文献综述:查阅机械振动、柔性结构、刚柔耦合动力学、有限元方法等领域相关文献。
2、建立运动柔性梁和柔性薄板的刚柔耦合动力学模型，确定分析的运动学和动力学参数。
3、利用有限元方法和MATLAB等数值仿真软件，进行模型模拟和数据处理。
4、通过思考如何设计实验验证模型，并进行实验测试。
5、撰写论文，归纳总结研究成果。
四、预期结果1、建立运动柔性梁和柔性薄板的刚柔耦合动力学模型，分析刚柔耦合效应的影响。
刚柔耦合机械系统动力学仿真
№.3 陕西科技大学学报 J un.2006・74・ J OU RNAL OF SHAANXI UN IV ERSIT Y OF SCIENCE &TECHNOLO GY Vol.243 文章编号:1000-5811(2006)03-0074-04刚柔耦合机械系统动力学仿真刘言松,曹巨江,张元莹(陕西科技大学机电工程学院,陕西咸阳 712081)摘 要:有限元技术和虚拟样机技术相结合,实现了对高速机械系统刚柔耦合的动力学仿真,并以一个算例说明了该方法的可行性。
关键词:有限元技术;虚拟样机技术;刚柔耦合;动力学仿真中图分类号:T H113 文献标识码:A0 前言机械系统的动力学分析与仿真是随着计算机技术的发展而不断成熟的,多体系统动力学是其理论基础。
多体系统是指由多个物体通过运动副连接的复杂机械系统,多体系统动力学的根本目的是用计算机技术进行复杂机械系统的动力学分析与仿真。
多体系统可分为多刚体系统和多柔体系统,前者是指对于低速运动的系统中的物体,由于其弹性变形不影响其大范围的运动特性,因此均被假定为刚体,后者是指在大型、轻质、高速的工况下,组成系统的物体的弹性变形直接影响了系统的运动特性,因而将所有或部分物体假定为柔性体。
本文将研究如何利用有限元技术和虚拟样机技术实现刚柔耦合的机械系统的动力学仿真。
1 多柔体系统动力学方程的建立建立如图1所示的多柔体的坐标系。
e r 为惯性坐标系,e b 为动坐标系,前者不随时间变化,后者建立在柔性体上,用于描述柔性体的运动。
e b 可以相对e r 进行有限的移动和转动,e b 在e r 中的坐标称为参考坐标。
图1 柔性体上节点P 的位置对于小变形的柔性体运动可以将其运动分解为:刚性运动———刚性转动———变形运动3个阶段。
如图1,对于柔性体上的任意一点P ,其位置向量为:r = r 0+A ( r p + up )(1)式中,r 为P 点在惯性坐标系e r 中的向量,r 0为动坐标系e b 原点在e r 中的向量,u p 为相对变形量,可以用模态坐标来描述:u p = Φp q f(2)式中,Φp 为点P 满足里兹基向量所要求的假设变形模态矩阵,q f为变形的广义坐标。
刚—柔耦合系统动力学建模理论与仿真技术研究
刚—柔耦合系统动力学建模理论与仿真技术研究一、概述随着现代科学技术的发展，刚—柔耦合系统在航空、航天、机械工程等多个领域发挥着越来越重要的作用。
这类系统通常由刚体部分和柔性体部分组成，其动力学行为既包含刚体的运动特性，也包含柔性体的变形特性。
如何准确、高效地对刚—柔耦合系统进行动力学建模和仿真，对于理解和预测系统在实际工作条件下的行为，以及优化系统设计具有重要意义。
本文旨在对刚—柔耦合系统的动力学建模理论与仿真技术进行深入研究。
将对刚—柔耦合系统的基本概念、特点和分类进行介绍，明确研究背景和意义。
随后，将综述当前在刚—柔耦合系统动力学建模领域的主要方法和进展，包括基于多体系统动力学理论的建模方法、有限元方法、以及近年来兴起的刚—柔耦合建模方法。
在此基础上，本文将重点探讨刚—柔耦合系统动力学建模的关键技术，如刚柔耦合界面的建模、参数识别、以及模型验证等。
本文还将探讨刚—柔耦合系统动力学仿真的相关技术。
仿真技术的选择和实现对于准确预测系统动态行为至关重要。
本文将分析不同的仿真策略，如多体系统动力学仿真、有限元仿真以及多尺度仿真，并探讨这些策略在刚—柔耦合系统中的应用。
同时，将讨论仿真过程中可能遇到的问题和挑战，如计算效率、精度控制和结果分析等。
本文将通过具体的案例研究，展示所提出的动力学建模与仿真技术在刚—柔耦合系统中的应用效果，验证所提方法的有效性和实用性。
通过本文的研究，期望能为刚—柔耦合系统动力学建模与仿真技术的发展提供新的理论依据和技术支持。
1. 刚—柔耦合系统的定义与特性刚—柔耦合系统是指在工程实际中广泛存在的一类复杂系统，其核心特点在于系统内同时包含了刚性部件和柔性部件。
这种系统的动力学行为不仅受到刚性部件的直接影响，还受到柔性部件的显著作用。
刚—柔耦合系统的动力学建模与仿真技术研究，对于理解和预测这类系统的动态行为具有重要的理论和实际意义。
刚—柔耦合系统可以被定义为一个由至少一个刚性部件和一个柔性部件组成的动力学系统。
LMS Virtual Lab学习心得之刚柔耦合分析详细流程
刚柔耦合分析详细流程主要内容：1）零件重新网格划分；2）材料和属性的设置；3）刚体的替代；4）Rigid Spider的建立；5）柔性体Craig-Bampton模态计算；以satellite为例，刚体模型建立完毕，进行计算，保存为satellite.CATAnalysis。
●将需设置成柔性体的零件在新窗口打开，此时默认进入几何设计模块(Geometry)。
●进入网格划分模块：开始->Meshing->CAD meshing模块，对零件进行网格划分。
一般先进行surface mesh(点击Advanced surface mesher，选择零件)，然后进行3D网格划分(点击Tetrahedron，选择面网格)，采用四面体进行填充。
此时，必须将Surface网格Deactivate(在特征树中选择Advanced Surface mesh，右键单击，选择Deactivate)，因为分析中用不到2D网格，激活的2D网格由于缺少材料属性会使模态计算失败，切勿忘记。
进入Structure->Finite Element Analysis Pre/Post->Materials&Properties，进行零件材料和网格属性的设置：新建一个Isotropic Material，设置杨氏模量、泊松比和密度等基本参数；新建一个Solid Property，Application Region选择该3D网格(可在特征树中选择Tetrahedron Filler Mesh)，Material选择刚才建立的Isotropic Material。
●保存该分析为Flex.CATAnalysis。
●不要关闭Flex.CATAnalysis(最小化即可)，进入satellite.CATAnalysis分析文件，用上面柔性体分析文件替换刚体：选择要被替换的刚体，右键单击，选择：显示->Flex->Make Flexible with Existing Data，在弹出的对话框中选择Flex.CATAnalysis文件，此时该刚体被替换。
UM软件入门系列教程04：刚柔耦合动力学仿真-pub
目录1．曲柄-滑块机构 (1)1.1配置ANSYS工作环境 (3)1.2准备连杆柔性体模型 (4)1.2.1在ANSYS里的工作 (4)1.2.2柔性子系统向导 (6)1.3刚柔耦合系统动力学建模 (12)1.3.1创建几何图形 (13)1.3.2创建刚体 (15)1.3.3创建柔性子系统 (16)1.3.4创建铰 (17)1.4刚柔耦合系统动力学仿真 (20)2．柔性平台-电机模型 (26)2.1准备柔性平台 (27)2.1.1在ANSYS环境里工作 (28)2.1.2在ANSYS Workbench环境里工作 (29)2.1.3柔性子系统向导 (36)2.2刚柔耦合系统动力学建模与仿真 (37)2.2.1导入柔性平台 (37)2.2.2连接柔性平台与大地 (38)2.2.3创建几何图形 (38)2.2.4创建力元 (42)2.2.5导入电机子系统 (45)2.2.6设置电机转子速度曲线 (47)2.2.7连接电机与柔性平台 (49)2.2.8计算系统平衡位置和固有频率 (51)2.2.9运动仿真 (53)1．曲柄-滑块机构本例模型为一个曲柄-滑块机构，如图 1.1所示。
在{UM Data}\SAMPLES\ Flex目录有一个名为slider_crank_all的模型。
这个模型里共有三个曲柄-滑块机构，其不同之处在于构件连杆的建模方式：⚫连杆为一个刚体；⚫连杆为一个子系统，由11个刚体通过铰和力元连接而成；⚫连杆为一个柔性体，从有限元软件导入。
图1.1 曲柄-滑块机构：1-机架，2-曲柄，3-连杆，4-滑块这里主要介绍第三个模型——刚柔耦合机构的建模流程：1.建立连杆的有限元模型；2.计算所需的模态，并转换保存为UM格式；3.创建几何图形；4.创建刚体（曲柄和滑块）；5.导入连杆弹性体；6.创建铰和力元。
前两步在ANSYS里进行，后面四步在UM软件里进行。
备注：UM使用子系统技术处理外部导入的柔性体，每个柔性体都是一个独立的子系统，导入时选择Linear FEM Subsystem类型。
大范围运动刚柔耦合系统动力学建模与仿真
大范围运动刚柔耦合系统动力学建模与仿真
1. 引言
大范围运动刚柔耦合系统是指由刚体和柔性体组成的一个多自由
度系统，其动力学行为受到刚体运动与柔性体变形相互影响。
对该系
统进行动力学建模并进行仿真，是解决运动过程中刚性物体与柔性物
体间耦合问题的重要手段之一。
2. 刚柔耦合系统的建模
在建模过程中，需要对刚体、柔性体分别进行建模，并将两者进
行耦合。
刚体可以采用牛顿-欧拉法进行建模，柔性体建模可以采用有
限元方法。
在耦合过程中，需要对两种物体之间的作用力进行建模，
这需要考虑到弹性力、刚性力和摩擦力等。
3. 系统动力学分析
根据刚柔耦合系统的动力学模型，可以得到该系统的运动方程式，进一步进行动态响应分析。
在该分析中，主要考虑系统在外界激励下
的运动响应，包括物体的运动及变形等多个参数。
4. 仿真模拟
为了验证理论模型的准确性和动力学模型的有效性，需要采用计
算机仿真技术进行系统模拟。
在仿真模拟中，通过对系统模型的初始
条件和外部激励进行设定，可以得到运动过程中各参数值的变化情况。
5. 结论
大范围运动刚柔耦合系统动力学建模与仿真是目前解决复杂多自由度系统运动问题的重要手段之一。
该方法可以为系统设计和优化提供依据，是工程实践中不可或缺的手段。
UG刚柔耦合仿真分析
1.In this lessonAfter completing this lesson, you will be able to:∙Create an SEMODES 103 – Flexible Body solution in Advanced Simulation. ∙Connect the flexible body finite element model to the degrees of freedom in the motion mechanism.∙Solve the finite element model and generate the RecurDyn Rflex input file.∙Define the flexible body in Motion Simulation and solve the motion mechanism.∙Animate the motion mechanism and observe the flexible body deformation.✓✓2. OverviewTypical motion simulations represent mechanisms using rigid bodies that move in prescribed degrees of freedom according to constraints. These rigid-body motion simulations cannot represent certain dynamic characteristics, especially those resulting from conditions such as sharp impacts, sudden changes in motion, or when the component is flexible enough to affect the motion of the mechanism. For these situations, you can use a flexible body analysis to combine both elastic deformation and rigid body motion.This type of analysis requires NX Motion Simulation with the RecurDyn solver and NX Advanced Simulation with the NX Nastran solver.T o set up a flexible body analysis for a component in your mechanism, you create a finite element model on the component and define stiffness at the points where it is connected to the mechanism (typically at joint locations). The NX Nastran SEMODES 103 – Flexible Body solution reduces the dynamic behavior of the flexible body to a set of mode shapes, which are stored in an output file. After you solve this modal solution, you associate the flexible body output file (.rfi file) with the link on which the component is defined in the motion simulation. When you solve the motion simulation, the RecurDyn solver communicates with NX Nastran and recovers the FE results. When you animate the mechanism, the contour plot for the flexible component is animated along with the rigid body animation.3. WorkflowAdvanced Simulation steps1.Create a finite element model and NX Nastran SEMODES 103 – FlexibleBody solution.2.Create a finite element mesh on the flexible component and assignmaterial properties.e a 1D Connection (spider element) or other constraint elements todefine the component's connection points to the mechanism.4.Add Fixed Boundary Degrees of Freedom constraints to defineconnection degrees of freedom.5.Add Free Boundary Degrees of Freedom constraints to define loaddegrees of freedom.6.Solve the modal solution. A RecurDyn Rflex input (.rfi) file is generatedfor the flexible link.7.Repeat steps 1–6 for each additional flexible component in themechanism.Motion Simulation steps1.Create a Flexible Body Dynamics motion simulation.2.Create flexible links on the flexible components. Associate each .rfi filewith each flexible link.3.Create a Flexible Body solution and add the flexible links to the solution.4.Solve the mechanism.5.Run Animation to view the combined rigid body and flexible body motion.6.Plot the modal degrees of freedom vs. time to determine the contributionof selected modes to the flexible body results.You can select one or more modes of the flexible body and then plot the modal displacement, acceleration, or velocity.4. Activity: Flexible body analysis — IntroductionEstimated time to complete: 12–16 minutesYou will learn how to:Define the flexible body in Motion Simulation and solve themotion mechanism.Animate the motion mechanism and observe the flexible bodydeformation.Note T o complete this activity, you must have the nx_motion_rflex license, in addition to Motion Simulation, Advanced Simulation, and NX Nastran.Launch the Flexible body analysis — Introduction activity.5. About the flexible body modal solutionYou will use the Advanced Simulation application to create a finite element model of the flexible body and perform a modal analysis. A modal analysis solves for the natural frequencies and mode shapes of flexible bodies.The NX Nastran SEMODES 103 – Flexible Body modal solution reduces the flexible body's mass and stiffness to modal space to represent its dynamic behavior. These reduced matrices are saved in the RecurDyn Rflex input file (.rfi).Then, in Motion Simulation, you associate the .rfi file with a link to create the flexible link.Example mode shapes6. About the finite element meshThe finite element model of a given body consists of a finite element mesh, material properties, and constraints.When you create a mesh on the body, the software divides the body into discrete regions called elements that are joined together at points called nodes. A group of elements is called a mesh.The mesh follows the shape of the body. When the model is solved, as the nodes in the mesh are displaced due to the analysis conditions such as loads, the behavior of each element is described by mathematical equations. The software finds the analysis solution by summing the individual element solutions.Example mesh of tetrahedral elementsIn Advanced Simulation, you create the mesh in the FEM file.When you use a smaller element size (resulting in more elements in a mesh), the accuracy of the solution is improved. However, as you refine the mesh, the solution time and computer resources needed to solve are also increased.7. Assigning a material to the meshIn Motion Simulation, material properties for a component are inherited from the master model on which you create the simulation. In Advanced Simulation, you must assign the same material to the flexible body finite element mesh as the material used for the flexible link in Motion Simulation.T o assign a material to the mesh, edit the mesh collector that contains the mesh. Then, modify the physical property table for the collector and open the Material List dialog box, where you can select the material to use.8. Connecting the flexible body FEM to the mechanismIn Advanced Simulation, in the FEM file, you must define the points where the flexible body is connected to the motion mechanism. These connection points must be defined at the origin point of every joint, bushing, force, torque, spring, or damper motion object on the flexible body.Although you can use any element type to define these connection points, typically you will use a 1D Connection (spider element).For accuracy in your flexible body solution, a single independent node (such as the core node of the spider element) in this connection element should be coincident with the motion object's origin point. You will define stiffness at this connection node using special constraints described in the next section.Spider elements defined at revolute joint locationsMake sure the connection node is at a location that creates balanced loading. For example, suppose you are connecting the flexible body to a revolute joint that is defined on a hole. Define the connection node in the bore center of the hole, rather than at the edge of the hole.Example of pinned connection (Revolute joint defined at bore center of hole)Connection node improperly defined at edge of holeConnection node properly defined at bore center of hole9. Defining connection and load degrees of freedom In Advanced Simulation, in the Simulation file, you must add special constraints to define the connection and load degrees of freedom for the flexible body.∙At each connection node where the flexible body will be connected to the mechanism through a joint or bushing in Motion Simulation, create a Fixed Boundary Degrees of Freedom constraint to define the connection degrees of freedom.∙At each connection node where a force, torque, spring, or damper will be applied to the flexible body in Motion Simulation, create a Free Boundary Degrees of Freedom constraint to define the load degrees of freedom.10. Solving the NX Nastran modal solutionIn the Solution dialog box for the SEMODES 103 – Flexible Body solution, you must specify the number of modes for which to solve and the result types to recover. By default, stress and displacement results are selected.After you have defined the finite element mesh, connection and load degrees of freedom, and solution attributes (such as the number of desired modes), you can solve the model.The solve produces several results files that you must not delete, move, or rename:∙.dat — Nastran input file, needed for later results recovery.∙.op2 — Contains the model geometry and component modes resulting from the modal analysis.∙_0.op2 — Needed for later results recovery; contains the component mode definitions, modal mass, and modal stiffness.∙.rfi — RecurDyn Rflex input file, needed for representing the flexible body in the RecurDyn solve.Remember the location of the .rfi file because you will need to point to it when creating the flexible link in Motion Simulation.11. ReviewQuestionIn the following example, suppose you are defining this excavator bucket asa flexible body in Advanced Simulation. In the motion mechanism, a single revolute joint is defined between the two holes (1 in the graphic below) at the top of the bucket. A force load is applied to one of the teeth (2).In Advanced Simulation, which constraints must you apply before solving the SEMODES 103 – Flexible Body solution? 2A Fixed Translation constraint and a Pinned constraintA Fixed Boundary Degrees of Freedom constraint and a Free Boundary Degrees of Freedom constraintA User Defined constraint and a Pinned constraintT wo Fixed constraintsAfter solving the SEMODES 103 – Flexible Body solution, when you create the flexible link in Motion Simulation, what file must you associate with the link to represent the dynamic behavior of the flexible body in themechanism?The .RFI fileThe .DAT file (Nastran input deck)The .OP2 fileThe .MDF file✓Show feedback12. Activity: Flexible body analysis — Advanced Simulation tasksEstimated time to complete: 12–16 minutesYou will learn how to:Create an SEMODES 103 – Flexible Body solution in AdvancedSimulation and specify a body as flexible.Connect the flexible body finite element model to the degreesof freedom in the motion mechanism.Solve the finite element model and generate the RecurDynRflex input file.Note T o complete this activity, you must have the nx_motion_rflex license, in addition to Motion Simulation, Advanced Simulation, and NX Nastran.Launch the Flexible body analysis — Advanced Simulation tasksactivity.13. Defining the flexible link in the mechanismIn Motion Simulation, you must create a Flexible Link that is associated with the component or body that you defined as flexible in Advanced Simulation.In the Flexible Link dialog box, you associate the link with the RecurDyn input file (.rfi file) generated by the NX Nastran modal solution. The Flexible Link Preview window helps you determine the correct method for positioning the flexible body on the link.In the graphics window, the flexible link is displayed with its finite element mesh.Meshed flexible link defined in the mechanism (and Preview view)14. Choosing modes to include in the analysisBy default, all modes from the NX Nastran modal solution are included in the motion simulation solve except the first six modes, which are consideredrigid-body modes.Including all modes ensures a more accurate representation of the structure. However, for better solve performance, you can reduce the modal model by removing insignificant modes.T o determine which modes to remove, you can view and animate the mode shapes using the Post Processing Navigator and Post Processing toolbar. Make sure to include all modes that resemble the behavior you are analyzing.Example mode shape✓✓15. Solving the model and animating the mechanismIn Motion Simulation, you create a Kinematics/Dynamics solution of type Flexible Body.When you solve the Flexible Body solution, the RecurDyn solver calculates the physical deformations at each point where the flexible body is connected to the rest of the mechanism, for each configuration of the motion mechanism. It saves these deformations in a modal deformation file (.mdf).Using the .mdf file, the motion solution process calls the NX Nastran solver to recover the deformation, displacement, stress, and other results on the original, unreduced flexible body. These transient results are then returned to Motion Simulation, where you can view them in an animation of the mechanism.By default, when you animate a flexible body solution, translational deformation results (nodal displacements) are displayed for the flexible body. You can also display other results, such as Displacement – Nodal, Stress – Element – Nodal and Strain – Element – Nodal, depending on the results you requested in the output request for the SEMODES 103 – Flexible Body solution in Advanced Simulation.16. Activity: Flexible body analysis — Motion Simulation tasksEstimated time to complete: 12–16 minutesYou will learn how to:Define the flexible body in Motion Simulation and solve themotion mechanism.Animate the motion mechanism and observe the flexible bodydeformation and stress.Run an interference check between the flexible link and a bodypanel.Note T o complete this activity, you must have the nx_motion_rflex license, in addition to Motion Simulation, Advanced Simulation, and NX Nastran.Launch the Flexible body analysis — Motion Simulation tasksactivity.Flexible body analysis — Introduction1. Open the Motion SimulationOpen (Standard toolbar)∙∙∙∙OK∙The motion simulation opens in the Motion Simulation application.2. Reset the dialog box settingsThe options you select in NX dialog boxes are preserved for the next time you open the same dialog box within an NX session. To ensure that the dialog boxes are in the expected initial state for each step-by-step activity, you should restore the default settings.Preferences→User Interface∙Reset Dialog Box Settings∙OK3. Enable the Flexible Body Dynamics environment The Flexible Body Dynamics environment is available only with the Dynamics analysis type.Environment (Motion toolbar)∙Flexible Body Dynamics∙OK✓✓4. Define the flexible linkFlexible Link (Motion toolbar)∙∙Flexible Model∙Browse∙intro_flex_body/fbcam_assy_sim2-solution_1_0.rfiThis pre-generated file contains a modal reduction of the flexible body's mass and stiffness, which represen ts the body’s dynamic behavior. The NX Nastran solver generates these reduced matrices and saves them in a RecurDyn Rflex input (RFI) file. In a later activity, you will solve an NX Nastran solution and generate an RFI file.∙OK RFI File dialog boxLeave the Flexible Link dialog box open for the next step.5. Finish defining the flexible linkThe Flexible Link dialog box is still open from the previous step.∙The Flexible Link Preview window shows you the meshed flexible body and its orientation relative to the absolute coordinate system.∙∙Because the flexible body is in the same orientation relative to the absolute coordinate system as the corresponding link in the mechanism, Absolute Origin is the appropriate selection.∙OK Flexible Link dialog box6. Create a Flexible Body solutionMotion Navigator∙motion_1∙New Solution∙∙∙∙∙OK7. Add the flexible link to the solutionMotion Navigator∙Flexible Links∙L002–fbcam_assy_sim2-solution_1∙Add to Solution8. Solve the motion simulationMotion Navigator∙Load Container∙G002∙Add to SolutionFor illustration purposes, this vector force simulates a load on the clevis in the X direction, to exaggerate the flexible behavior.∙Solution_2∙SolveThe solve process may take several minutes to complete. After the RecurDyn solve finishes, NX Nastran is called automatically to run the SEMODES 103 –Flexible Body solve. Nastran uses the RecurDyn results file and the original NX Nastran input file to recover the deformation, displacement, stress and other results for the flexible link.Caution Do NOT close any solve windows until all NX Nastran command prompt windows have closed and the message ―Nastran resultsrecovery completed‖ appears in the NX status line.9. Animate the mechanismAnimation (Motion toolbar, Simulation Drop-down list)∙Play（此处为动图，有需要可联系上传者）By default, the contour plot of the flexible link displays nodal translational deformation results. You can also display other results, such as Displacement – Nodal and Stress – Element – Nodal, depending on the results yourequested in the output request for the SEMODES 103 – Flexible Body solution in Advanced Simulation.∙OKYou completed the activity.Flexible body analysis — Advanced Simulation tasks1. Open the simulationOpen (Standard toolbar)∙∙∙∙OK∙The motion simulation opens in the Motion Simulation application.2. Reset the dialog box settingsThe options you select in NX dialog boxes are preserved for the next time you open the same dialog box within an NX session. To ensure that the dialog boxes are in the expected initial state for each step-by-step activity, you should restore the default settings.Preferences→User Interface∙Reset Dialog Box Settings∙OK3. Solve and animate the solutionBefore adding the flexible body, solve and animate the included solution to see the rigid-body motion of the mechanism.Motion Navigator∙Solution_1∙SolveAnimation (Motion toolbar, Simulation Drop-down list)Packaging Options∙Interference∙Pause on Event∙An Interference packaging option has been predefined between the suspension arm and the sheet body panel. When you animate the mechanism, if the suspension arm and body panel come into contact, the interferingbodies will be highlighted and the animation will pause.∙PlayAs you can see, no interference occurs. Later in this activity, we will check for interference again with the suspension arm defined as a flexible link.∙OK4. Start Advanced SimulationMotion Navigator∙_demo_assy∙Make WorkThis command changes the work part from the motion simulation to the part file.No Save Simulation Part File messageStart→Advanced Simulation5. Create Simulation and FEM filesSimulation Navigator∙_demo_assy.prt∙New FEM and SimulationThe New FEM and Simulation dialog box lists the three new files that will be created: the Simulation, FEM, and idealized part file.The Solver Environment section lists NX Nastran as the solver. The Analysis Type is Structural.∙∙(the lower suspension arm)∙OK New FEM and Simulation dialog box∙The Solution dialog box appears.∙∙Case Control∙Edit (Lanczos Data)∙∙∙This specified frequency range means the solver will calculate the lowest-frequency modes within the first 20 modes starting from thefrequency of 0.∙If you increase the number of desired modes, you can achieve a more accurate representation of the structure, but at the expense of solution time.You should include enough modes to cover the frequency range of interest (based on your particular mechanical system).∙OK Real Eigenvalue – Lanczos dialog boxCaution Accept the default settings for Flexible Body Solution Type and Flexible Body Export Options. These options are intended formanual integration with RecurDyn or Adams software packages, andshould not be changed for NX Motion Simulation. If you change thesedefault settings, the Motion Simulation flexible body solution maynot solve.∙OK Solution dialog box∙6. Connect the flexible body FEM to the mechanism You must define the points where the flexible body is connected to other degrees of freedom in the motion mechanism. Although you can use any elementtype to connect the flexible body, typically you will use a 1D Connection (spider element).Simulation Navigator∙Simulation File ViewNote If the Simulation File View is not visible, click thebar at the bottom of the Simulation Navigator to open it.∙_demo_assy_fem1The FEM file is displayed in the graphics window, and is listed at the top of the Simulation Navigator.Static Wireframe (View toolbar, Rendering Style Drop-down list)1D Connection (Advanced Simulation toolbar, ConnectionsDrop-down list)∙∙(Select Point)∙∙Arc/Ellipse/Sphere Center (Specify Point 1 and Specify Point 2)∙,Note Select the arc centers of the top and bottom edges.∙OK Point dialog box∙(the face)∙Connection Element∙∙Apply∙∙This creates a connection recipe. In a later step in this activity, when you create a solid mesh on the part, the connection recipe will generate a spider element using nodes defined in the geometry mesh.∙Repeat the above steps to create Point to Face RBE2 connection recipes on the other two ends of the arm, as shown in the following pictures.When you are finished, close the 1D Connection dialog box.7.Mesh the partNow create a tetrahedral mesh on the solid body.Shaded with Edges (View toolbar, Rendering Style Drop-down list)3D Tetrahedral Mesh (Advanced Simulation toolbar, MeshDrop-downlist)∙the part∙∙Mesh Parameters∙∙in the regions where bending is predicted. At least three layers of solidelements are needed to accurately model bending.∙OK∙∙The part is meshed with tetrahedral solid elements and the connection recipes are now 1D spider elements.∙8. Create a node groupLater in this activity, you will need to define stiffness at the node at the center of each of the three 1D connections you created previously. To make that step easier, you will add these nodes to a node group.Simulation Navigator∙Groups∙New Group∙Node Labels∙Because you created the connection recipes before you meshed the part, the core nodes of the resulting 1D connections are labeled 1, 2, and 3. You will add these nodes to the group by entering their labels.∙∙Select∙∙OK9. Define material propertiesSimulation Navigator∙3D Collectors (expand)∙Solid(1)∙Edit∙Edit (Solid Property)∙Properties∙Choose material∙∙OK all dialog boxes10. Display the Simulation fileSimulation Navigator∙Simulation File View∙_demo_assy_sim111. Define connection degrees of freedomIn a previous step, you created spider elements at the three ends of the suspension arm. The independent node at the center of each spider element was defined to be coincident with the origin point of a joint or bushing that connects this component to the mechanism. You will now define the local stiffness at these connection points using a Fixed Boundary Degrees of Freedom constraint.Static Wireframe (View toolbar, Rendering Style Drop-down list)Fixed Boundary Degrees of Freedom (Advanced Simulation toolbar,Constraint Type list )∙Model Objects∙Group Reference∙_demo_assy_fem2::connection_nodesNote This is the node group you created in the previous step.∙Degrees of Freedom∙All OnT o ensure the correct local stiffness at the connection points, always set all DOF to On when creating Fixed Boundary Degrees of Freedom or Free Boundary Degrees of Freedom constraints in a flexible body analysis.∙OK∙∙When you created the connection recipe for each spider element, you placed the independent node at the bore center of the hole rather than at the arc center of the edge of the hole. This placement ensures balanced loading.Save (Standard toolbar)12. Solve the modelYou will solve the model to generate the .rfi file that contains the reduced matrices that represent the component's dynamic behavior. This file will be used later in the activity when you solve the Flexible Body solution in Motion Simulation.Simulation Navigator (main view)∙Solution 1∙Solve∙OK∙Y ou can ignore the Information window warning concerning rigid links.∙The Analysis Job Monitor dialog box appears.∙Wait for the job to finish and for the command window to close. This process may take several minutes.∙Close Solution Monitor dialog box∙Cancel Analysis Job Monitor dialog box∙Information window∙Solution 1∙BrowseIn the explorer window that opens, note the location of the .rfi file. It should be located in the f1_car_flex_body folder, and should be named similar to_demo_assy_sim1-solution_1_0.rfi.13. View the mode shapesSimulation Navigator∙ResultsPost Processing Navigator∙Solution 1 (expand)The first six modes are rigid body modes.∙Mode 7 (expand)∙Displacement – Nodal (expand)∙MagnitudeNote The ends of the part overlap because of the default deformation scale, which is set to 10% of the model. You can reduce the scaling using EditPost View(Post-Processing toolbar).Next Mode/Iteration (Post Processing toolbar)Use the Next Mode/Iteration command to view additional modes.Return to Model (Layout Manager toolbar)Save (Standard toolbar)In a later activity, you will connect the flexible body to a motion mechanism. If you plan to complete the next Flexible Body activity, leave this simulation file open in NX.You completed the activity.Flexible body analysis — Motion Simulation tasks1. Open the Motion SimulationIf you completed the steps in the previous Flexible Body activity and your_demo_assy_sim1.sim part is still open in NX, use these steps.If the part is not still open, or if you did not complete the previous Flexible Body activity, skip to the next page.Simulation Navigator∙Simulation File View∙_demo_assy∙Make Displayed PartThis command changes the work part from the simulation file to the master model assembly.Start→Motion SimulationMotion Navigator∙motion_1Skip the next page and move on to page 3.2. Open the Motion SimulationUse these steps if the _demo_assy_sim1.sim part was not still open from the previous Flexible Body activity.Open (Standard toolbar)∙∙∙∙OK∙The motion simulation opens in the Motion Simulation application.3. Reset the dialog box settingsThe options you select in NX dialog boxes are preserved for the next time you open the same dialog box within an NX session. To ensure that the dialog boxes are in the expected initial state for each step-by-step activity, you should restore the default settings.Preferences→User Interface∙Reset Dialog Box Settings∙OK4. Enable the Flexible Body Dynamics environmentThe Flexible Body Dynamics environment is available only with the Dynamics analysis type.Environment (Motion toolbar)∙Flexible Body Dynamics∙OK5. Define the flexible linkFlexible Link (Motion toolbar)∙Note You can select any part of the indicated link.∙Flexible Model∙Browse∙_demo_assy_sim1–solution_1_0.rfiThis is the .rfi file generated from the NX Nastran solve in the previous Flexible Body activity. It should be located in the f1_car_flex_body folder along with the FEM and Simulation files you created in Advanced Simulation.Note If you did not complete the previous Flexible Body activity, copy the provided Simulation file, named _demo_assy_sim1.sim, from the。
一种航空发动机运动机构高精度刚柔耦合动力学仿真方法
一、引言航空发动机作为飞机的动力来源，在飞行过程中扮演着至关重要的角色。
其质量、性能和可靠性对飞机的整体性能有着巨大的影响。
为了提高航空发动机的性能和可靠性，研究人员需要对其运动机构进行深入的研究和仿真分析。
高精度的动力学仿真方法可以帮助研究人员更好地理解航空发动机的运动特性，为发动机设计和改进提供重要参考。
二、航空发动机运动机构高精度动力学仿真的重要性1. 航空发动机运动机构的复杂性航空发动机是由众多部件组成的复杂系统，其运动机构包含了众多的刚体和弹性部件，涉及到多种不同的力学和动力学问题。
针对这些复杂性，传统的动力学仿真方法往往难以对航空发动机的运动特性进行准确的模拟和分析。
2. 动力学仿真精度的要求航空发动机在高速旋转和高温高压环境下工作，其运动机构的精度要求极高。
动力学仿真方法需要能够准确地描绘航空发动机在不同工况下的运动特性，以满足对精度的要求。
三、航空发动机运动机构高精度刚柔耦合动力学仿真的研究现状目前，针对航空发动机运动机构的高精度动力学仿真方法的研究主要集中在以下几个方面：1. 刚体动力学仿真研究人员通过建立刚体系统的数学模型，利用动力学理论分析航空发动机在运转过程中的姿态、速度和加速度等运动特性。
2. 弹性动力学仿真考虑到航空发动机在高速旋转时的弹性变形特性，研究人员开展了针对弹性部件的动力学仿真研究，以描绘发动机在工作过程中的弹性振动和应力分布等特性。
3. 刚柔耦合动力学仿真近年来，越来越多的研究人员开始关注航空发动机运动机构中刚体和弹性部件的耦合效应，开展了刚柔耦合动力学仿真的研究工作。
这些研究致力于描绘刚体和弹性部件之间的相互作用和影响，以提高动力学仿真的精度。
四、航空发动机运动机构高精度刚柔耦合动力学仿真方法的研究进展1. 建立高精度的数学模型针对航空发动机的复杂运动机构，研究人员需要建立高精度的数学模型，描述刚体和弹性部件之间的相互作用和影响。
通过精确的数学模型，可以更准确地描绘航空发动机在不同工况下的运动特性。
UM软件入门系列教程04：刚柔耦合动力学仿真-pub
目录1．曲柄-滑块机构 (1)1.1配置ANSYS工作环境 (3)1.2准备连杆柔性体模型 (4)1.2.1在ANSYS里的工作 (4)1.2.2柔性子系统向导 (6)1.3刚柔耦合系统动力学建模 (12)1.3.1创建几何图形 (13)1.3.2创建刚体 (15)1.3.3创建柔性子系统 (16)1.3.4创建铰 (17)1.4刚柔耦合系统动力学仿真 (20)2．柔性平台-电机模型 (26)2.1准备柔性平台 (27)2.1.1在ANSYS环境里工作 (28)2.1.2在ANSYS Workbench环境里工作 (29)2.1.3柔性子系统向导 (36)2.2刚柔耦合系统动力学建模与仿真 (37)2.2.1导入柔性平台 (37)2.2.2连接柔性平台与大地 (38)2.2.3创建几何图形 (38)2.2.4创建力元 (42)2.2.5导入电机子系统 (45)2.2.6设置电机转子速度曲线 (47)2.2.7连接电机与柔性平台 (49)2.2.8计算系统平衡位置和固有频率 (51)2.2.9运动仿真 (53)1．曲柄-滑块机构本例模型为一个曲柄-滑块机构，如图 1.1所示。
在{UM Data}\SAMPLES\ Flex目录有一个名为slider_crank_all的模型。
这个模型里共有三个曲柄-滑块机构，其不同之处在于构件连杆的建模方式：⚫连杆为一个刚体；⚫连杆为一个子系统，由11个刚体通过铰和力元连接而成；⚫连杆为一个柔性体，从有限元软件导入。
图1.1 曲柄-滑块机构：1-机架，2-曲柄，3-连杆，4-滑块这里主要介绍第三个模型——刚柔耦合机构的建模流程：1.建立连杆的有限元模型；2.计算所需的模态，并转换保存为UM格式；3.创建几何图形；4.创建刚体（曲柄和滑块）；5.导入连杆弹性体；6.创建铰和力元。
前两步在ANSYS里进行，后面四步在UM软件里进行。
备注：UM使用子系统技术处理外部导入的柔性体，每个柔性体都是一个独立的子系统，导入时选择Linear FEM Subsystem类型。
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练习二创建柔性体并进行刚柔耦合仿真本示例将练习使用FlexPrep工具创建汽车下控制臂柔性体模型，通过替换汽车前悬架模型中刚性控制臂完成汽车前悬架的刚柔耦合仿真。
练习中使用的下控制臂模型如图1所示。
图2显示了汽车前悬架模型。
图1 下控制臂模型图2 汽车前悬架模型创建柔性控制臂模型（MV-2010）第1步：使用FlexPrep工具练习中使用的模型均位于<installation directory>\tutorials\mv_hv_hg\mbd_modeling\flexbodies文件夹下。
1. 启动MotionView2. 在Flex Tools下拉菜单中选择FlexProp，弹出FlexBodyProp对话框图3 选择FlexProp工具3. 激活OptiStruct Flexbody Generation，在下拉列表中选择Create OS prp(preparation) file and generate theh3d flexbody4. 点击Select Bulk Data File右侧的文件浏览按钮选择sla_flex_left.fem注：在这里可以使用任何OptiStruct（fem）和Nastran（nas，dat，bdf）文件5. 在Save the *.h3d file as栏中输入输出H3D文件的文件名：sla_flex_left.h3d6. 在组件模态综合类型（Component Mode Synthesis Type）栏中选择Craig-Bampton方法7. 在指定界面节点栏中（Specify Interface Node List）输入：4927+4979+4984界面节点（Interface Node）指在多体动力学分析中机构约束或施加载荷的位置8. 在Cutoff Type and value栏中选择Hightest Mode#并设置最高阶数为10注：MotionView提供了两种方法限制待生成的H3D文件中模型的模态信息：指定模态最高阶数和指定模态最高截止频率。
9. 激活Perform Stress Recovery功能，使用这一功能，FlexPrep工具将在处理模型时计算模态应力10. 激活Perform Strain Recovery功能，使用这一功能，FlexPrep工具将在处理模型时计算模态应变11. Perform element check in OS mode默认选择YES，即默认将检查单元质量。
12. 在指定数据单位制（Specify Units in Bulk Data File）栏中，使用下列单位：Mass Units：KilogramLength：MillimeterForce：NewtonTime：Second注：HyperMesh本身没有指定单位制，用户在创建柔性体时必须指定统一的单位以免产生错误的质量和转动惯量。
13. 设置好的FlexBodyPrep对话框如图4所示：图4 FlexBodyPrep对话框第2步：创建RBE2连接单元（可选步骤，如果已建立完整的RBE2可不进行此步）该步是利用HyperMesh二次开发工具，根据用户所选孔边界上的任意一个网格节点，自动生成孔中心节点，并建立中心节点与孔边界节点RBE2单元的功能。
该功能可以大大节省用户建立RBE2的时间，如果用户已经建立完整的RBE2单元可不需要进行此步。
RBE2单元通过指定主从节点来模拟节点间内在的运动关系，它通常用来模拟螺栓一类的刚性结构。
如果在有限元模型存在孔特征并且希望使用孔中心节点作为界面点，此时需要将孔中心承受的载荷传递到孔壁的节点上。
这种情况下，使用孔中心节点作为主节点、孔壁节点作为从节点的蛛网式RBE2单元将有效的达到这一目标。
模型sla_left_flex.fem中已经创建了三个蛛网式RBE2单元，本步中将描述使用Create RBE2 Spiders 功能创建第四个蛛网式RBE2单元。
1. 在FlexBodyPrep对话框中点击Create RBE2 Spiders按钮，此时将激活HyperMesh程序并显示包含三个按钮的用户自定义页面，如图5所示。
图5 HyperMesh用户自定义页面注：如果用户自定义页面没有显示，用户可以通过以下方式打开：- 在view下拉菜单中激活utility menu- 在utility menu标签中点击user按钮2. 点击Info按钮，将弹出详尽描述创建蛛网式RBE2单元过程的对话框3. 如图6所示，放大球铰位置处的有限元模型图6 控制臂局部视图4. 点击Step：Superspider创建蛛网式RBE2单元，一次只能创建一个。
5. 选择孔壁处的节点并点击Proceed6. 生成的蛛网式RBE2单元如图7所示图7 新创建的蛛网式RBE2单元7. 点击Step3：Save and Close，软件将保存修改后的文件并自动抓取孔中心节点（界面点）。
用户可以为新的模型文件指定名称以便检查界面点是否已经添加到柔性体预处理文件上8. 如图8所示，新创建的界面点已经添加到柔性体预处理文件上。
图8 FlexBodyProp面板9. 点击OK，启动OptiStruct创建柔性体第3步：查看并检验模型1. 在工具栏中将应用程序转换成HyperView2. 点击Load Model按钮，弹出Load Model面板3. 点击文件浏览按钮打开H3D柔性体文件sla_flex_left.h3d，由于模态结果包含在同一个H3D文件中，MotionView将在Load results栏自动使用相同的文件。
图9 导入模型4. 点击Apply，载入模型。
如图10所示图10 控制臂模型5. 点击Transient Animation按钮，HyperView将顺序播放柔性控制臂的模态振型动画。
模态阶数以及频率将显示在软件右下角6. 再次点击Transient Animation按钮，停止模态振型动画顺序播放。
7. 点击动画类型选择下三角按钮，将动画类型设置为Modal。
此时将播放特定模态振型动画，点击软件右下角状态栏提示有“CMS Flexbody”信息的区域，弹出Load Case and Simulation Selection对话框。
图11 状态栏区域8. 在Simlation列表中选择Mode 7，前六阶模态接近0为刚体模态。
图12 工况及模态列表9. 点击Modal Animation按钮，查看所选模态动画。
再次点击Modal Animation按钮，停止动画。
10. 点击云图Coutour按钮，查看柔性体应力分布11. 在Result type下拉菜单中选择Stress和vonMises12. 在Entity with layers栏中选择Z1，如图13所示图13 设置云图类型13. 点击Apply，显示柔性体应力云图。
图14 柔性体应力云图第4步：批处理模式下使用FlexPrep工具上述步骤中已经创建了汽车悬架左侧控制臂，下面将在批处理模式下使用FlexPrep工具创建右侧控制臂。
不同操作系统下调用FlexPrep工具的命令如下：UNIX下：<install_path>/altair/scripts/flexprepDOS下：<install_path>\io\translators\bin\WIN32\flexprep.exe1.从启动菜单中激活DOS窗口2.使用cd命令指向工作文件夹3.在DOS窗口中输入以下命令：<install_path>\io\translators\bin\WIN32\flexprep.exe4.在DOS窗口中输入以下命令创建右侧控制臂：<install_path>\io\translators\bin\WIN32\flexprep.exe5. 此时FlexPrep将后台运行，在工作文件夹将生成名为sla_flex_right.h3d的柔性体文件。
刚柔耦合仿真分析（MV-2020）第5步：替换刚性控制臂1. 启动MotionView2. 在MotionView菜单栏中选择Model并点击Assembly Wizard…激活装配体向导3. 根据表1设置创建汽车前悬架模型表1 汽车前悬架模型参数Panel SelectionModel Type Front-end of the vehicleDriveline Configuration DefaultsPrimary Systems Frnt SLA susp (1 pc LCA) and Defaults for the restSteering Subsystems Steering Column = Steering column 1 (not for abaqus) Springs，Dampers and Stabars DefaultsJounce/Rebound bumpers DefaultsLabel and varname DefaultsAttachment Wizard Compliant = Y es4. 设置分析工况：在MotionView菜单栏中选择Analysis并点击T ask Wizard，打开工况设置向导5. 在Select a task 栏中选择Static Ride Analysis，点击Next并点击Finish6. 点击工具栏中Bodies图标7. 在模型体列表中选择Lwr control arm8. 在构件Lwr control arm的Properties标签中取消选择symmetric properties复选框9. 激活Deformable复选框，注意到图形区模型左侧的刚性控制臂消失图15 激活Deformable复选框10. 点击Graphic file栏中文件浏览按钮，在工作目录下选择图形文件sla_flex_left.h3d11. H3D file栏中将自动使用相同的文件。
此时，指定的柔性体文件将放置于模型中相应的位置图16 指定模型文件注：目前，大规模柔性体的使用已经相当常见。
为了提高前处理效率，可以使用任意图形文件帮助显示模型，而使用柔性体h3d文件向求解器提高必要的模型信息。
用户可通过CAD to H3D Conversion功能将用于创建柔性体的CAD模型或有限元模型转化为图形h3d文件并将此文件指定为Graphic file。
这一过程将大大提高模型前处理的效率。
12. 点击Nodes…，弹出Nodes面板图17 Nodes面板13. 点击Nodes面板上Find All按钮寻找柔性体上距离悬架模型界面点最近的点。