運(yùn)動(dòng)副可以定義為兩個(gè)構(gòu)件直接接觸并能產(chǎn)生一定相對(duì)運(yùn)動(dòng)的可動(dòng)連接，是建立機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)重要的方法，只要簡單了解《機(jī)械原理》教材中關(guān)于運(yùn)動(dòng)副的基本說明，就能容易的確定機(jī)構(gòu)零件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系。

按照運(yùn)動(dòng)副接觸形式分類可以分為低副（面和面接觸，低副包括轉(zhuǎn)動(dòng)副，移動(dòng)副。）和高副（點(diǎn)或線接觸的運(yùn)動(dòng)副，例如有車輪與鋼軌，凸輪與從動(dòng)件，齒輪傳動(dòng)等）。按照接觸部分的幾何形狀或者相對(duì)運(yùn)動(dòng)空間又可以分為圓柱副、平面與平面副、球面副、螺旋副等。常見運(yùn)動(dòng)副機(jī)構(gòu)簡圖如圖1所示。

ANSYS Mechanical運(yùn)動(dòng)副自由度的約束與釋放是以參考坐標(biāo)系為基礎(chǔ)建立的。各運(yùn)動(dòng)副關(guān)系示意如圖2所示。

從上而下從左至右依次為：

(1)      Fixed Joint（固定副）：約束全部自由度。

(2)      Revolute Joint（鉸接副）：放松ROTZ自由度，約束其他全部。

(3)      Cylindrical Joint（圓柱副）：放松UZ和ROTZ自由度，約束其他全部。

(4)      Translational Joint（移動(dòng)副）：放松UZ自由度，約束其他全部。

(5)      Slot Joint（狹槽副）：約束UY、UZ自由度，放松其他全部

(6)      Universal Joint（萬向節(jié)）：約束ROTX、ROTZ自由度，放松其他全部。

(7)      Spherical Joint（球副）：約束X、Y、Z自由度，放松其他全部。

(8)      Planar Joint（平面副）：約束UZ、ROTX、ROTY自由度，放松其他全部。

(9)      General Joint（通用副）：自定義上述自由度。

如圖3所示，以General Joint（通用副）的自由度限制為例進(jìn)行說明：灰色的圖標(biāo)X、Z、RX、RY表明自由度被限制，而有顏色的Y、RZ表明自由度沒有被約束。

(1)      右鍵導(dǎo)航樹【Connections】插入【Connection Group】。再次右鍵【Connection Group】插入Joint關(guān)節(jié)，并按照如圖4設(shè)置，該關(guān)節(jié)為固定關(guān)節(jié)。

(1)      如圖7所示，圖7所示中為已完成創(chuàng)建后的模型，注意觀察Reference與Mobile細(xì)節(jié)中Scope的幾何，目前Reference中的Body選擇的是part.3而Mobile中的Body選擇是part.8。但操作的整個(gè)步驟之初，是先在Reference選擇part.8的圓周面，然后在Mobile中選擇part.3的兩個(gè)對(duì)應(yīng)面，最后右鍵對(duì)參照與運(yùn)動(dòng)模型進(jìn)行交換“Flip Reference/Mobile”，通過這樣的方法保證參考坐標(biāo)系在part.8的圓弧面的中心。

(2)      圖8關(guān)節(jié)類型為Revolute旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)。圖8中分析所需是考慮模擬圓環(huán).2公轉(zhuǎn)，公轉(zhuǎn)繞著圓環(huán).1的幾何中心，作用是將鋼管進(jìn)行折彎，因此需要對(duì)其“Reference Coordinate System”進(jìn)行修改，在Origin細(xì)節(jié)的Geometry選項(xiàng)中選擇圓環(huán).1的表面作為參考坐標(biāo)系，其他默認(rèn)不變。這個(gè)剛?cè)狁詈戏治龅挠?jì)算結(jié)果如圖9所示，可以觀察圓環(huán).2公轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)折彎鋼管的過程。

多體動(dòng)力學(xué)分析除通過運(yùn)動(dòng)副（Joints）連接，一般還需要彈簧（Springs）、接觸、約束方程等搭建裝配體模型連接關(guān)系。僅簡要介紹如下：

A.       彈簧（Springs）

能夠創(chuàng)建直線彈簧和扭簧兩種形式，目前支持扭簧的創(chuàng)建作為測試功能，但功能有限。如圖4所示直線部分彈簧選項(xiàng)如下：

彈簧行為【Spring behavior】具有三種選擇方式：同時(shí)拉壓、只拉、只壓，支持彈簧剛度和阻尼的輸入。

預(yù)載荷【Preload】選項(xiàng)可以進(jìn)行三種方式選擇，默認(rèn)情況為自由狀態(tài)不承載，使用者可以自己選擇自由長度或者預(yù)載荷值。

需要建立局部坐標(biāo)系模擬零件之間或者地面位置。

可以采用接觸關(guān)系模擬高副的創(chuàng)建，如凸輪機(jī)構(gòu)、齒輪機(jī)構(gòu)嚙合等。關(guān)于接觸對(duì)關(guān)系詳細(xì)內(nèi)容，請(qǐng)參閱前期稿件《ANSYS Mechanical非線性接觸功能基礎(chǔ)概述》一文，不再累述。對(duì)于剛?cè)狁詈嫌?jì)算，接觸算法的計(jì)算量還是非常龐大的，同時(shí)需要考慮非線性收斂的問題。

C.       約束方程

可以通過圖12所示的約束方程建立零件之間的相對(duì)關(guān)系，例如齒輪機(jī)構(gòu)的嚙合的接觸運(yùn)動(dòng)約束方程建立傳動(dòng)比進(jìn)行控制。

ANSYS Mechanical采用【Rigid Dynamic Analysis】模塊進(jìn)行剛體動(dòng)力學(xué)分析，通過輸出和輸入Motion Load至靜力學(xué)分析模塊【Static Analysis】，能夠計(jì)算單個(gè)零件的靜力學(xué)響應(yīng)。

剛?cè)狁詈戏治隹梢圆捎谩維tatic Structural】或【Transient Structural】直接進(jìn)行分析，對(duì)不需要計(jì)算強(qiáng)度或剛度的幾何結(jié)構(gòu)考慮剛性行為設(shè)置，計(jì)算過程模擬各時(shí)間載荷下柔性結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為。

以上兩者都可以采用Joint Load載荷施加，配合對(duì)應(yīng)分析求解載荷設(shè)置完成運(yùn)動(dòng)施加過程。

以上求解模塊均可以通過插入Joint Load來進(jìn)行運(yùn)動(dòng)載荷的施加。支持常值、表格數(shù)據(jù)以及函數(shù)的方法進(jìn)行載荷添加，如圖13所示。

以某機(jī)構(gòu)剛體分析中載荷控制施加說明，如圖14所示，該例中兩個(gè)Joint Load聯(lián)合模擬氣缸1推動(dòng)連桿和收回連桿，連桿上端推動(dòng)或者收回水平結(jié)構(gòu)中的伸縮機(jī)構(gòu)水平運(yùn)動(dòng)，將某小型零件送入傳送帶，氣缸2的作用是運(yùn)動(dòng)拉下水平機(jī)構(gòu)下降以及復(fù)位。

注意可以對(duì)機(jī)構(gòu)載荷步進(jìn)行激活或者不激活控制。

其中這個(gè)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)中其他的運(yùn)動(dòng)副部分設(shè)置如圖15所示。該機(jī)構(gòu)4個(gè)時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)如圖16所示。

C.       剛?cè)狁詈嫌?jì)算

對(duì)于涉及柔性機(jī)構(gòu)分析能夠考慮多體運(yùn)動(dòng)過程中的幾何結(jié)構(gòu)零件的彈性或者非線性計(jì)算問題，輸入對(duì)應(yīng)有限元所需的材料參數(shù)即可。

但是因?yàn)橐虢佑|、多載荷步、彈塑性本構(gòu)問題，通常需要更多考慮配合載荷步控制、非線性收斂等的調(diào)試問題，某簡化折彎機(jī)構(gòu)計(jì)算結(jié)果如圖17所示。限于本文篇幅不再說明。

Rigid Dynamic Analysis能夠輸出運(yùn)動(dòng)載荷“Motion Load”，借助慣性釋放，進(jìn)而轉(zhuǎn)變?yōu)殪o力學(xué)分析模塊中單一零件的加載條件，對(duì)單一零件完成靜力學(xué)環(huán)境求解計(jì)算。

具體方法與操作步驟如下：

(1)      右鍵剛體動(dòng)力學(xué)分析求解后處理相關(guān)選項(xiàng)（例如Total Deformation，注意選擇觀察的時(shí)間對(duì)應(yīng)的結(jié)果），輸出設(shè)置【Export Motion Loads】到指定文件夾，如圖18所示。

(3)      計(jì)算某零件靜力學(xué)求解，抑制其他所有不參加計(jì)算零件，明細(xì)欄下修改計(jì)算模型幾何特性為柔性。

(4)      分析選項(xiàng)“Analysis Setting”修改，設(shè)置【Inertia Relief=On】、【W(wǎng)eak Spring=Program Controlled】。

(5)      右鍵靜力學(xué)分析求解環(huán)境【Static Structural】插入【Motion Load】引入運(yùn)動(dòng)載荷，如圖20所示。

(6)      求解結(jié)果略