你建立一個(gè)多體系統(tǒng)模型需要多長(zhǎng)時(shí)間？在對(duì)一個(gè)包含多個(gè)組件的大型機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行建模時(shí)，你是否曾經(jīng)想過(guò)將其中的大部分組件建模為剛體？在建立變速箱模型時(shí)，為裝配體中的每個(gè)齒輪輸入?yún)?shù)時(shí)有沒(méi)有覺(jué)得很繁瑣？COMSOL Multiphysics? 軟件提供了一種避免重復(fù)建模步驟的方法。閱讀本篇文章，了解如何使用 COMSOL 軟件多體動(dòng)力學(xué)接口中的自動(dòng)模型設(shè)置功能自動(dòng)化和加速建模過(guò)程。
為什么要自動(dòng)化多體模型設(shè)置？
從簡(jiǎn)單的滑件曲柄機(jī)構(gòu)到堅(jiān)固的車(chē)載起重機(jī)，任何用于傳遞力或運(yùn)動(dòng)的連接體組件都可以看作一個(gè)多體系統(tǒng)。模擬具有大運(yùn)動(dòng)量的多體系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)一直是工程師的興趣所在，特別是那些從事汽車(chē)和其他機(jī)械的工程師，多體動(dòng)力學(xué)研究的結(jié)果通常會(huì)用作初步設(shè)計(jì)的指導(dǎo)。
隨著多體動(dòng)力學(xué)研究的日益增加，多體動(dòng)力學(xué)建模給工程師帶來(lái)了一些挑戰(zhàn)，主要是在對(duì)大型的真實(shí)世界里的系統(tǒng)進(jìn)行建模時(shí)。由于任何典型的車(chē)輛或機(jī)器都可能包含大量的組件，因此這類(lèi)系統(tǒng)的模型設(shè)置需要大量時(shí)間。在處理大型模型時(shí)，模型設(shè)置過(guò)程中也有可能出現(xiàn)手動(dòng)錯(cuò)誤。在這種情況下，開(kāi)發(fā)可以通過(guò)自動(dòng)化建模避免所有重復(fù)建模步驟的方法將是有利的。這種方法不僅可以加快建模過(guò)程，還可以提供一個(gè)能進(jìn)行分析的無(wú)錯(cuò)誤的模型。
在 COMSOL Multiphysics? 中自動(dòng)設(shè)置多體模型
自 COMSOL Multiphysics 5.5 版本開(kāi)始，軟件引入了一項(xiàng)新功能，用于快速設(shè)置大型多體系統(tǒng)模型。使用軟件多體動(dòng)力學(xué)接口中提供的自動(dòng)模型設(shè)置功能，您可以輕松地從模型幾何結(jié)構(gòu)一次性創(chuàng)建多個(gè)剛性域和齒輪物理節(jié)點(diǎn)。
如下面的屏幕截圖所示，多體動(dòng)力學(xué)接口設(shè)置窗口中添加了一個(gè)新的功能自動(dòng)模型設(shè)置，它包含兩個(gè)按鈕：
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如果要自動(dòng)生成剛性域節(jié)點(diǎn)，請(qǐng)點(diǎn)擊創(chuàng)建剛性域按鈕。同樣，要自動(dòng)創(chuàng)建齒輪節(jié)點(diǎn)，請(qǐng)點(diǎn)擊創(chuàng)建齒輪按鈕。
多體動(dòng)力學(xué)接口中的自動(dòng)模型設(shè)置功能。您可以點(diǎn)擊創(chuàng)建剛性域或創(chuàng)建齒輪按鈕自動(dòng)生成相應(yīng)的物理節(jié)點(diǎn)。
點(diǎn)擊任何一個(gè)按鈕，都會(huì)在模型開(kāi)發(fā)器中添加一個(gè)包含相應(yīng)物理場(chǎng)節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)組。請(qǐng)注意，這些按鈕的操作是相互獨(dú)立的。這部分還包含一些額外的輸入來(lái)控制剛性域的生成。
接下來(lái)，我們將詳細(xì)介紹創(chuàng)建剛性域和創(chuàng)建齒輪 按鈕，并通過(guò)示例進(jìn)行說(shuō)明。
自動(dòng)創(chuàng)建剛性域
本節(jié)我們將了解大型剛體系統(tǒng)的建模以及使用自動(dòng)模型設(shè)置功能來(lái)加快這類(lèi)系統(tǒng)的模型設(shè)置。
如上所述，一般的多體系統(tǒng)是由相互連接的剛性或體柔性體裝配而成。在外部載荷作用下發(fā)生尺寸或形狀變化的物體被視為柔性體，變形可忽略不計(jì)（實(shí)際上為零）的剛性物體被視為剛體。
在真實(shí)世界中，沒(méi)有理想的剛體，但對(duì)于大多數(shù)實(shí)際的應(yīng)用，我們通常將相對(duì)剛性的組件假設(shè)為剛體。當(dāng)我們對(duì)這些組件的詳細(xì)應(yīng)力分析不感興趣，而是對(duì)整個(gè)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)感興趣時(shí)，尤其如此。COMSOL Multiphysics 支持使用固體力學(xué)和多體動(dòng)力學(xué)接口中提供的剛體域 材料模型功能對(duì)剛體進(jìn)行建模。
假設(shè)我們想了解一個(gè)包含大量剛性組件的大型多體系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)。為了快速進(jìn)行初步分析，我們決定使用剛體域和質(zhì)量和慣性矩對(duì)包含給定質(zhì)量和慣性矩的所有剛體進(jìn)行建模。但是，對(duì)于中等規(guī)模的系統(tǒng)，將這些節(jié)點(diǎn)分別添加到每個(gè)幾何組件是一項(xiàng)耗時(shí)的工作。此外，為復(fù)雜的幾何圖形分配選擇很容易出現(xiàn)手動(dòng)錯(cuò)誤。為了更輕松地進(jìn)行這類(lèi)建模，COMSOL Multiphysics 提供了一種更簡(jiǎn)單的方法：使用創(chuàng)建剛性域按鈕，只需單擊一下按鈕就可以一次性可完成上面所有步驟。
我們可以在 2D 模型 和 3D 模型中使用創(chuàng)建剛體域按鈕，這將為每個(gè)不連續(xù)幾何體單獨(dú)添加剛性域節(jié)點(diǎn)。由于幾何信息在剛體域創(chuàng)建中至關(guān)重要，因此我們需要用這樣的方式構(gòu)建模型幾何體，即所有屬于剛體的域都應(yīng)該處于幾何聯(lián)合體中。請(qǐng)注意，當(dāng)我們的模型包含不連續(xù)幾何體時(shí)，幾何序列的最終確定應(yīng)該從默認(rèn)的形成聯(lián)合體設(shè)置為形成裝配體。形成裝配體的一個(gè)典型應(yīng)用是對(duì)任何具有較大相對(duì)運(yùn)動(dòng)的零件系統(tǒng)進(jìn)行建模。
聯(lián)合的兩個(gè)塊幾何體被視為一個(gè)對(duì)象，因此僅創(chuàng)建一個(gè)剛體域節(jié)點(diǎn)。
當(dāng)塊幾何體斷開(kāi)時(shí)，會(huì)在每個(gè)對(duì)象上創(chuàng)建單獨(dú)的剛性域節(jié)點(diǎn)。
默認(rèn)情況下，創(chuàng)建剛體域按鈕會(huì)在物理場(chǎng)接口中選擇的所有域上添加一個(gè)剛性域節(jié)點(diǎn)。有時(shí)，你可能只想將幾何的某些部分建模為剛體，而將其余部分建模為柔體。三缸往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)教程模型就是這樣一個(gè)例子，除了中央連桿之外的所有零件都必須建模為剛體。你可以通過(guò)剛性域選擇菜單解決這類(lèi)建模問(wèn)題，該菜單列出了所有可用的域選擇。為所有剛性組件創(chuàng)建一個(gè)新域選擇，如果不存在，在剛性域選擇中將其設(shè)置為輸入。在這種情況下，僅為選擇的那些對(duì)象創(chuàng)建剛性域。
在三缸往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)模型中，創(chuàng)建了一個(gè)名為剛性域的新的域選擇，其中包含除中央連桿之外的所有域。在自動(dòng)模型設(shè)置部分，新選擇被設(shè)置為剛性域創(chuàng)建的輸入。這將嚴(yán)格的只為列表中包含的對(duì)象創(chuàng)建剛性域。
如前所述，還可以點(diǎn)擊創(chuàng)建剛體域 按鈕將質(zhì)量和慣性矩節(jié)點(diǎn)添加到每個(gè)自動(dòng)生成的剛性域。為此，你需要選中自動(dòng)模型設(shè)置部分中的包括質(zhì)量和慣性矩框。這會(huì)將所有剛性域的質(zhì)量密度設(shè)置為零，并添加一個(gè)質(zhì)量和慣性矩節(jié)點(diǎn)，這樣你就可以在其中將集中質(zhì)量和慣性矩輸入到每個(gè)剛性域中。
在人體坐姿的生物力學(xué)模型中，創(chuàng)建剛體域按鈕用于在六個(gè)身體部位的每一個(gè)部位添加單獨(dú)的剛體域節(jié)點(diǎn)。通過(guò)自動(dòng)添加的質(zhì)量和慣性矩節(jié)點(diǎn)為每個(gè)零件的集中質(zhì)量和慣性矩建模。
自動(dòng)化齒輪建模
自動(dòng)模型設(shè)置功能中的另一個(gè)重要新增功能是創(chuàng)建齒輪按鈕，用于在多體動(dòng)力學(xué) 接口中自動(dòng)生成齒輪節(jié)點(diǎn)。
無(wú)論是汽車(chē)和玩具，還是風(fēng)力渦輪機(jī)和發(fā)條鐘，齒輪是大多數(shù)機(jī)器不可或缺的組成部分。這些機(jī)器都使用了不同類(lèi)型和尺寸的齒輪，用于在不同零件之間傳遞機(jī)械動(dòng)力。通過(guò)連續(xù)嚙合相鄰齒輪，能夠讓齒輪系統(tǒng)改變軸間速度或運(yùn)動(dòng)方向。
與其他機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)（如皮帶傳動(dòng)和鏈傳動(dòng)）不同，齒輪傳動(dòng)可用于在平行軸和非平行軸之間傳輸動(dòng)力。傳遞高扭矩、高效率和緊湊尺寸的能力是對(duì)齒輪特征的額外需求，這使其成為許多工業(yè)機(jī)器的理想組成部分。
在設(shè)計(jì)含齒輪的機(jī)器時(shí)，進(jìn)行數(shù)值建模至關(guān)重要。與分析計(jì)算和經(jīng)驗(yàn)法則相比，精細(xì)的數(shù)值模型總是可以為大多數(shù)實(shí)際問(wèn)題提供優(yōu)化的解決方案。COMSOL Multiphysics 提供了一種簡(jiǎn)單的方法對(duì)不同齒輪類(lèi)型及其之間的連接進(jìn)行數(shù)值建模。使用多體動(dòng)力學(xué)接口中提供的不同齒輪特征，你可以對(duì)以下各種齒輪進(jìn)行建模：
你還可以使用齒輪副、齒條和小齒輪 以及蝸桿和蝸輪副 等特征對(duì)齒輪之間的接觸和隨后的動(dòng)力傳遞進(jìn)行建模。在有關(guān)齒輪建模的系列博客中，我們通過(guò)一些有趣的示例模型介紹了 COMSOL? 軟件中的這些功能，有興趣的讀者可以閱讀了解。
齒輪建模的第一步是幾何創(chuàng)建。你可以導(dǎo)入自己的齒輪幾何形狀并使用多體動(dòng)力學(xué)接 口中提供的合適的齒輪特征對(duì)其進(jìn)行建模。還有一種更強(qiáng)大的替代方法是在 COMSOL Multiphysics 中使用零件庫(kù) 中的內(nèi)置零件生成參數(shù)化齒輪幾何形狀。借助可用于自定義齒輪齒形和齒輪毛坯形狀的大量輸入?yún)?shù)，可以創(chuàng)建自己的 2D 或 3D 齒輪幾何形狀。與導(dǎo)入的幾何相比，從零件創(chuàng)建的幾何結(jié)構(gòu)可以靈活地在建模過(guò)程的任何階段進(jìn)行修改，只需要更改其輸入?yún)?shù)即可。
左：使用零件庫(kù)中包含的齒輪零件創(chuàng)建的參數(shù)化錐齒輪幾何圖形。右：不同的輸入?yún)?shù)用于自定義齒輪齒和齒輪毛坯形狀。
創(chuàng)建好齒輪幾何結(jié)構(gòu)后，下一步是添加相應(yīng)的齒輪特征。在 COMSOL? 5.5 版本之前，陪我們必須手動(dòng)添加適當(dāng)?shù)凝X輪特征，在幾何結(jié)構(gòu)上分配域選擇，并輸入與齒輪幾何參數(shù)匹配的所有相關(guān)輸入?yún)?shù)。從 5.5 版本開(kāi)始，點(diǎn)擊創(chuàng)建齒輪按鈕后，這些步驟是完全自動(dòng)化的，這反過(guò)來(lái)又使齒輪模型設(shè)置非常快。通過(guò)按下創(chuàng)建齒輪按鈕，可以使用適當(dāng)?shù)挠蜻x擇和輸入?yún)?shù)自動(dòng)添加一組齒輪節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)在物理場(chǎng)接口中的節(jié)點(diǎn)組下分組。
為了介紹自動(dòng)生成齒輪節(jié)點(diǎn)，我們來(lái)看看 COMSOL Multiphysics 案例庫(kù)中的錐齒輪上的力和力矩教程模型。模型幾何結(jié)構(gòu)由從零件庫(kù)創(chuàng)建的兩個(gè)錐齒輪幾何形狀組成。當(dāng)按下自動(dòng)模型設(shè)置部分中的創(chuàng)建齒輪按鈕時(shí)，會(huì)在物理場(chǎng)節(jié)點(diǎn)下創(chuàng)建齒輪節(jié)點(diǎn)組。如下圖所示，它包含兩個(gè)錐齒輪節(jié)點(diǎn)，對(duì)應(yīng)幾何結(jié)構(gòu)中的每個(gè)錐齒輪。
在錐齒輪上的力和力矩模型中，兩個(gè) 錐齒輪節(jié)點(diǎn)是使用 創(chuàng)建齒輪按鈕自動(dòng)添加的。兩個(gè) 錐齒輪節(jié)點(diǎn)也被自動(dòng)分組在一個(gè)節(jié)點(diǎn)組中，以形成一個(gè)緊湊結(jié)構(gòu)的模型開(kāi)發(fā)器視圖。
對(duì)于在設(shè)置窗口中自動(dòng)創(chuàng)建的每個(gè)齒輪節(jié)點(diǎn)，齒輪模型所需的輸入?yún)?shù)（如齒數(shù)、節(jié)圓直徑、壓力角、錐角、齒輪軸和旋轉(zhuǎn)中心）會(huì)通過(guò)從相應(yīng)的齒輪幾何輸入?yún)?shù)中的獲取值中自動(dòng)填入。這避免了需要手動(dòng)輸入每個(gè)參數(shù)，從而加快了齒輪系統(tǒng)模型的設(shè)置。
選擇會(huì)自動(dòng)分配給與幾何中每個(gè)齒輪零件相對(duì)應(yīng)的域。此外，建模所需的齒輪參數(shù)值來(lái)自幾何部分（如上圖所示）并自動(dòng)輸入。
與本例中的錐齒輪節(jié)點(diǎn)一樣，你可也以自動(dòng)添加任何其他類(lèi)型的齒輪節(jié)點(diǎn)，前提是你使用零件庫(kù)創(chuàng)建了匹配的幾何圖形。查看斜齒輪動(dòng)力學(xué)教程模型，了解使用創(chuàng)建齒輪按鈕自動(dòng)生成斜齒輪。
嘗試使用創(chuàng)建剛性域和創(chuàng)建齒輪按鈕來(lái)設(shè)置你的多體模型，了解方便又快速的建模工作流程。
本文內(nèi)容來(lái)自 COMSOL 博客
