前言：Comsol是優秀的多物理場仿真軟件，用來模擬單個物理場、以及耦合多個物理場。用戶可以在Comsol中任意組合使用物理場模塊，無論模擬哪個工程領域的問題或是哪種特定的物理現象，都可以在同一個軟件界面中，使用相似的操作流程進行分析。Comsol主要有結構力學、聲學、化工、流體、傳熱、電磁模塊等，本次仿真主要采用其中的多體動力學模塊進行剛柔耦合分析。多體動力學模塊是進行多物理場耦合的一個關鍵基礎模塊，用戶可以在此基礎上耦合例如聲學、疲勞、傳熱等模塊。

 

第一部分：Comsol多體動力學剛柔耦合仿真介紹

在通常情況下，多體動力學仿真中的大部分部件都是剛性的，由此只需要關注剛體的動力學特征，然而，在某些特殊情況下，我們需要觀察其中某個部件的變形、應力、應變情況，所以我們需要選擇性的將剛體和柔性體指派到不同的部件。關于多體動力學的剛柔耦合分析，很多有限元軟件都可以實現，如Hyperworks、Adams、ANSYS等，但是這些有限元軟件在進行模型建模時，有些缺少必要的運動副，有些需要借助別的軟件才可以進行柔性體轉化，使用不夠便利。而Comsol解決了上述軟件的矛盾，可以在自己的界面中獨立完成剛柔耦合分析，對于不重點關注的剛體部分，可以將網格粗糙化，對于重點關注的柔性體部分，可以將網格適當加密。

 

Comsol基礎的運動副（關節）包括：

棱柱關節、鉸鏈關節、圓柱關節、螺紋關節、平面關節、球關節、槽關節、約化槽關節、萬向接頭、距離關節等。

其中關節的功能是：

約束：限制部件件的相對運動

鎖定：在關節上鎖定特定自由度

彈簧和減震器：給部件的相對運動添加彈簧和減震器

制定運動：以時間函數的形式指定相對運動

提供力和力矩：在邊界上施加力和力矩

摩擦：給關節添加摩擦力

在進行關節設置時，我們需要分別指派兩個部件，一個為從動件，一個為主動件，并建立關節的中心和指定關節軸（運動法向）

 

在本次實例中，我們選擇凸輪搖臂閥門模型來進行仿真，①首先我們將整個模型的部件全設置為剛體結構進行仿真，②之后將活塞桿變成柔性體進行仿真，以此來發現剛柔耦合操作的不同之處。③最后，提供一個相似的小例子，該例子使用瞬態仿真分析，并伴隨著彈簧阻尼的變化，讀者可以根據小例子進行部件的柔性化，親自實踐會更明顯的體會到剛柔耦合的用法。

 

第二部分：多體動力學模型—純剛體域

一、模型向導

1、打開comsol軟件，使用模型向導，選擇三維模型>結構力學模塊>多體動力學，點擊添加，隨后點擊研究。

2、在研究中，選擇穩態分析，并點擊完成。

二、幾何處理

1、單位設置。在幾何中修改長度單位為m。

2、幾何導入。點擊幾何右鍵，并選擇導入幾何，分別導入文件中的X_T模型，長度單位選擇：來自CAD文檔，其余均默認。

3、幾何清理。

①由于導入的凸輪模型和搖臂模型的邊緣處出現密集的線條，在后期畫網格時，該處就會形成網格集中，使網格質量較差，所以需要進行表面處理，點擊幾何>虛擬操作>形成復合面，選中凸輪的所有表面，并構建選定對象，同樣的，搖臂模型也需要進行類似處理。

②由于凸輪桿支座為片體結構，所以需要將其生成實體，點擊幾何>掃掠，分別選擇支座的上端面和支座的邊緣線，并構建選定對象。

③我們需要在凸輪上選擇兩個點以進行運動副的搭建，由于凸輪與凸輪連接球的位置沒有接觸點，故需要將凸輪面新建平面并進行分割。選擇工作平面>平面定義類型為法矢，x向量位置為1，指定面上的點，構建平面對象。選擇布爾操作和分割>分割面，將凸輪連接球的表面進行分割。

④形成裝配>動作：形成裝配，取消創建對。

小結：該部分可以根據讀者自己的模型進行處理，如果模型幾何比較簡單或特征明顯（網格均勻易收斂），可以直接跳過該步驟。

4、創建參數

在主屏幕中點擊參數，標簽名字為“dege”，參數名稱：dege；表達式：360[°]。

三、材料設置

1、在工具欄界面選擇材料>添加材料>內置材料，根據模型的實際材料進行選擇即可。本次實例都選擇為Aluminum

四、多體動力學設置

1、創建剛性域。

①在第一次仿真時，我們先進行純剛體仿真，所以需要將所有進行多體動力學仿真的部件均建立剛性域，點擊上側工具欄中的物理場>域>剛性域，在域選擇中依次選擇各個部件并命名。

②給特定的剛性域添加約束及驅動。右鍵“凸輪”選擇指定位移/旋轉。旋轉中心：所選實體的質心；實體層：邊界；指定旋轉中心位移：均勾選并設置為0；指定旋轉軸：0,0,1；轉動角：dege。最后打開旋轉中心：邊界，旋轉凸輪中間的滑塊邊界當做旋轉軸。

③右鍵凸輪連接柱和凸輪連接桿支座、支撐座圓柱，建立固定約束。

2、創建凸輪-從動件

在這一步中，我們主要是在凸輪及其連接桿間建立凸輪運動副模擬凸輪及其從動件的運動。邊界選擇：選擇凸輪的外表面。點選擇：選擇在前幾步中切割畫出的凸輪及其連接桿之間的接觸點（從動件的點選擇需要選擇兩個及以上的點，如果有接觸點，可以直接選擇接觸點，沒有接觸點可以選擇從動件上的任意兩個點，但是要在后面的偏置中輸入偏移量，該偏移量的距離為所選點的位置到凸輪外表面的直線距離）

3、創建其它運動副

根據各個部件間的運動關系建立運動副（具體可參考模型文件），在該仿真中一共涉及以下幾個運動副，各個運動副可參考模型文件：

鉸鏈關節（Hinge Joint）：也被稱為旋轉副，兩個部件之間只有一個旋轉自由度。

棱柱關節（Prismatic Joint）：也被稱為移動副或滑動副，兩個部件之間只有一個平移自由度。

槽關節（Slot Joint）：槽關節有三個旋轉自由度和一個平移自由度。槽關節也可以認為是一個棱柱關節和一個球關節的組合

固定關節（Fixed Joint）：固定關節約束了兩個部件之間的六個自由度。

五、網格

單元大小選擇超細化，全部構建網格

六、計算設置

1、點擊“研究1”中的“步驟1：穩態”。在“研究擴展”中選擇“輔助掃描”重點輸出幾個角度下的結果。在參數名稱中選擇“dege”，參數值列表輸出幾個角度值，參數單位是“°”。

2、點擊上面的“計算”，提交計算結果。

第三部分：多體動力學模型—剛柔耦合模型

在這部分中，我們將采用剛柔耦合的方式進行仿真，將活塞桿設置為柔性體，觀察活塞桿的應力情況。復制組件1，僅需要修改多體動力學模塊即可。

一、柔性體創建

Comsol創建柔性體的思路是，設置了剛性域的部分按照剛體進行計算，其余部分按照柔性體進行計算。而剛體和柔性體之間的連接通過建立連接件實現。按照剛柔耦合的思路來看，整個仿真過程就會變得很簡單，既然我們需要把活塞桿變成柔性體，那么僅需要把活塞桿以外的部件設置為剛性域，活塞桿的圓柱外表面，即與其它部件連接的地方設置為連接件。

1、刪除剛性域“活塞桿”

2、在工具欄中點擊物理場>邊界>連接件，在邊界選擇中，選擇活塞桿的外表面，注意僅需要選擇連接部分即可，其它區域都不需要選擇。

3、將與活塞桿有關聯的運動副都替換為新的連接件。

二、提交計算并查看結果

1、提交計算與第一部分相同，不需要進行過多的設置

2、可以在結果中查看活塞桿的應力變形情況

第四部分：瞬態多體動力學剛柔耦合分析

在這部分中，我們提供了一個類似的凸輪搖臂機構，同樣的，可以將活塞桿替換成柔性體，也可以試制將其它的部件替換成柔性體來觀察模型的變化。讀者可根據上述章節的操作步驟自己動手實踐一下，相信剛柔耦合你已經手到擒來啦。

總結：本文首先介紹了用Comsol進行多體動力學剛柔耦合分析的優點，之后用一個凸輪擺臂模型搭建了純剛體的多體動力學模型，然后把活塞部分轉化成了柔性體進行仿真從而來介紹剛柔耦合分析方法，最后提供了一個相類似的模型，讀者可以根據提供的小模型，自己動手實踐，按照文章的操作步驟選取某些部件進行柔性化。