多體仿真中的實體繩索建模

啥也不說,先看效果

多體仿真中的實體繩索建模的圖1

該實體繩索在Simpack軟件中通過Simbeam功能創建,支持非線性,支持繩索實體之間的自接觸,而且建模操作方便。

當前繩索建模的主要方式

多體動力學軟件中建立繩索這種大變形部件通常是比較麻煩的,因為為了能模擬這些部件的大變形特性需要把這些部件進行離散化,使用足夠多數量的離散體(通常為剛體)連接起來建立這個大變形的部件。當前繩索建模有以下幾種常見方式:

(1)用戶腳本編程實現

把一段繩索分為若干等份,分的份數越多,建模精度越精確,同時計算速度就會越慢,所以工程師需要根據仿真目的判斷需要使用多少個離散體組成。比如,把一段1m長的繩索可以分成100等份,每個離散體的長度是10mm。建模順序是,先在多體軟件中建立一個10mm的圓柱剛體(考慮繩索為圓柱形),然后復制99次,每次復制時需要把復制生成的部件移動 n x 10mm距離(n表示復制次數)。完成后,再使用Bushing(需要使用99個)把這些圓柱剛體依次連接起來,形成一個完整的繩索。如果該繩索與其它部件(例如滑輪)進行接觸仿真,還需要依次為這100個圓柱體與滑輪之間建立contact接觸關系(根據實際情況也有可能部分接觸,這樣只需要建立幾十個接觸)。

由于上述操作工作量大、繁瑣且容易出錯,工程師通常是采用軟件自帶語言通過編程方式自動實現。

這種方式操作麻煩,對用戶要求高,且對繩索的初始形狀有一定要求。其優點是不需要其他專用模塊,使用多體動力學軟件的基本模塊就能實現。

這種方式是最傳統的繩索建模方式,包含了繩索多體建模的基本思想。

(2)使用繩索專業模塊

隨著多體仿真軟件的發展,近些年有些軟件推出了繩索專業模塊,使用專業模塊能大大提高建模效率。有兩種建模方式:

一種是簡化的繩索建模,通過力的形式模擬繩索,由于這種方法沒有建立繩索幾何體,不考慮繩索本身的質量,其主要用于模擬繩索傳動作用(例如滑輪運動),其優點是仿真速度快;

第二種方法是離散化繩索建模,繩索模型中包含一些離散幾何體(例如小球體),可以考慮繩索質量,以及本身晃動對系統的影響,但是其也無法建立完全真實幾何體的繩索模型。

建立真實實體繩索模型方法

可以使用Simpack軟件的Simbeam功能建立具有真實幾何體的繩索模型。Simbeam是Simpack軟件中用于建立離散梁柔性體的專用模塊。通過Simbeam可以完全參數化建立梁單元柔性體,不需要其它第三方有限元軟件,支持Euler-Bernoulli和Timoshenko兩種類型,支持非線性離散梁(大變形)。其建模步驟為:

  • 定義材料

  • 定義截面形狀,支持圓形、矩形、橢圓形等

  • 設置節點建立梁單元

  • 建立仿真模型

使用Simbeam還能建立變截面的柔性梁,通過在不同的節點位置設置不同的截面以及方向,可以建立復雜的柔性梁模型。

多體仿真中的實體繩索建模的圖2

建立的柔性梁實體顯示如下圖所示。

多體仿真中的實體繩索建模的圖3

Simbeam可以應用在汽車板簧、穩定桿,風機葉片、塔筒和主軸、機車輪對軸、發動機凸輪軸等,也能應用在其它柔性部件上,如繩索、大變形金屬薄片。

多體仿真中的實體繩索建模的圖4

多體仿真中的實體繩索建模的圖5

Simpack軟件很早就發布了Simbeam功能,已經在實際產品建模中得到廣泛應用。不過在最新發布的版本中,增加了對非線性Simbeam梁的contact接觸分析功能,這樣就更加適用于繩索部件的仿真分析,也擴大了Simbeam的應用領域。

對于繩索仿真,使用Simbeam方法建立的繩索模型能完全考慮繩索本身的真實幾何體,提高了建模精確度,擴大繩索仿真的應用范圍,如機車受電弓的接觸仿真等。

多體仿真中的實體繩索建模的圖6

來源:MBD之家

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