Анализируйте поведение многотельных систем с модулем «Динамика многотельных систем»

Модель трёхцилиндрового поршневого двигателя с тремя цилиндрами и тремя шатунами, демонстрирующая напряжения в центральном шатуне.

Абсолютно жёсткие и упругие детали

При моделировании многотельных систем упругие и жёсткие тела могут быть связаны с помощью различных типов соединений, шестерёнок, кулачков, подшипников, пружин и демпферов, подверженных значительным перемещениям и вращениям. Один из плюсов использования модуля «Динамика многотельных систем» заключается в удобном и простом сочетании абсолютно жёстких и упругих деталей в одной расчётной модели.

Как правило, все или большинство деталей при многотельном моделировании являются абсолютно жёсткими, таким образом, представляются только степенями свободы твёрдого тела. Однако, иногда есть необходимость представить одну или несколько частей, как упругие тела. Доступные в модуле модели материала позволяют выборочно назначать абсолютно жёсткие и упругие части и даже задавать нелинейные материалы для проведения детального прочностного анализа. Модуль «Динамика многотельных систем» может быть использован, например, для расчёта усилий, действующих в местах соединения жёстких частей конструкции, а также напряжений, возникающих в деформируемых компонентах.

Статический и динамический анализ

Модуль «Динамика многотельных систем» может использоваться для моделирования стационарного и динамического поведения компонентов, подверженных комбинации поступательных и вращательных движений относительно друг друга. Для динамических моделей доступны различные типы анализов, среди них:

Исследование во временной области
Исследование на собственные частоты
Исследование в частотной области
Техники модальной суперпозиции
Анализ случайных вибраций (при сопряжении с модулем «Механика конструкций»)

Модуль может быть использован для расчёта, например, динамики компонентов трансмиссии, таких как шестерни или цепи. Результаты, полученные в рамках анализа динамики многотельных систем могут быть использованы в других типах анализа, например для оценки усталости или расчёта акустического анализа шума, создаваемого системой. На выходе типового расчёта пользователь получит данные о перемещениях, скоростях, ускорениях, суммарных силах, силах в области контакты шестерней, а также о напряжениях в гибких частях конструкции. Возможности продукта также позволяют моделировать контакт на основе трения между абсолютно жёсткими компонентами, что является более стабильной и быстрой альтернативой использованию стандартного механического контакта на основе конечно-элементной сетки.

Функциональные возможности модуля «Динамика многотельных систем»

Инструменты для проектирования и оптимизации многотельной системы в программе COMSOL^®.

Крупный план дерева модели с выделенным узлом Multibody Dynamics и моделью шарнирного соединения в графическом окне.

Встроенные пользовательские интерфейсы

При анализе динамики многотельных систем все шаги моделирования доступны в среде COMSOL Multiphysics^®. Один из важнейших инструментов в модуле «Динамика многотельных систем» — встроенный физический интерфейс Multibody Dynamics, который используется для моделирования сборок из упругих, абсолютно твердых компонентов или комбинации из них. Доступные опции охватывают моделирование различных типов соединений, зубчатых колёс, сборок из цепей и звёздочек и кулачковых механизмов. Библиотеки деталей помогают в построении геометрии компонентов. Сетки и решатели настраиваются автоматически, при этом есть возможность ручного редактирования и настройки.

Крупный план дерева модели с выделенным узлом Lumped Mechanical System и одномерным графиком в графическом окне.

Механические системы с сосредоточенными параметрами

В модуле доступен физический интерфейс Lumped Mechanical System для моделирования произвольных механических систем с использованием их схематического представления на основе сосредоточенных компонентов, таких как массы и пружины. Сосредоточенные компоненты могут быть соединены последовательно или параллельно для анализа перемещений, скоростей, ускорений и сил.

Мультифизическая связка Lumped-Structure Connection позволит реализовать сопряжение такой системы с конечно-элементной распределенной моделью, выполненной с использованием любого физического интерфейса из группы "Механика конструкций".

Крупный план дерева модели с выделенным узлом Chain Drive и моделью роликовой цепи с упругими компонентами в графическом окне.

Цепная передача

Типичная цепная передача представляет собой сборку из двух и более звездочек с намотанной на них цепью, которая передает механическую мощность с одного вала на другой. С помощью инструмента Chain Drive в интерфейсе Multibody Dynamics есть возможность моделировать сборки из вращающихся звёздочек и цепей в 2D или 3D. При настройке определяется взаимодействие в сборке цепного привода и автоматически создаётся набор функций динамики многотельных объектов, используемых для описания поведения сборки.

Крупный план настроек Radial Roller Bearing и модель шестерни в графическом окне.

Подшипники качения

Подшипники качения часто используются в моделях с низкой скоростью, где нет необходимости учитывать шум. Срок службы этих подшипников ограничен, особенно в случае несоосности, но благодаря низкой стоимости их можно легко заменить.

Модуль «Динамика многотельных систем» совместно с модулем «Роторная динамика» предоставляет следующие типы предопределённых подшипников качения в 3D:

С глубоким жёлобом
Шариковый с угловым контактом
С самовыравнивающимся шариком
Со сферическим роликом
С цилиндрическим роликом
С коническим роликом

Крупный план настроек Cam-Follower и модель раскрытия клапана в графическом окне.

Кулачковое соединение

Опция для задания соединений Cam-Follower используется для упрощённого задания контактов добавлением двусторонней связи между кулачком и толкателем. Кулачковое соединение определяется набором границ или кромок, за которыми следует точка. Кулачком может быть как абсолютно жёсткое тело, так и упругая деталь. Таким образом, границы или кромки кулачка могут подвергаться любому типу движения или деформации твёрдого тела.

Этот инструмент позволяет рисовать любой пользовательский профиль для кулачка в качестве геометрической модели и вычислять движение толкателя с точки зрения кривых смещения, скорости и ускорения. Также можно вычислить силу соединения в точке контакта и, следовательно, по знаку силы соединения предсказать скачкообразный контакт между кулачком и толкателем.

Крупный план дерева модели с выделенным узлом Reduced Component и моделью коробки передач в графическом окне.

Метод связанных подструктур

В модуле «Динамика многотельных систем» есть возможность свести линейные компоненты к более эффективным с вычислительной точки зрения моделям пониженного порядка с помощью метода Крейга-Бэмптона. Такие компоненты могут использоваться в моделях, состоящих полностью из редуцированных компонентов или сопряженных с нередуцированными упругими конечно-элементными моделями, при этом последние могут быть нелинейными. Такой подход получил название метод связанных подструктур или динамическое подмоделирование. Он позволяет сократить время вычислений и использование оперативной памяти.

Крупный план настроек Prismatic Joint и модель центробежного регулятора в графическом окне.

Доступные типы соединений

Для проектировки реалистичных систем многотельной динамики модуль содержит набор стандартных соединений. Относительное движение между взаимосвязанными многотельными компонентами ограничено в соответствии с типом соединения. Доступны следующие типы соединения:

Призматическое
Шарнирное
Цилиндрическое
Винтовое
Плоское
Шаровое
Гнездовое
Плоское гнездовое
Фиксированное
Удалённое
Универсальное

К соединениям можно применять дополнительные опции, такие как упругость, трение, ограничения (обеспечивающие максимальное движение) и блокировку.

Крупный план настроек Spur Gear и модель зубчатой передачи в графическом окне.

Набор зубчатых колёс и реек

Набор предопределённых зубчатых колёс и реек доступен для простого и надёжного создания моделей систем передач с множеством движущихся частей. Это помогает верно задавать пары зубчатых колёс, автоматически проверяя критерии сопоставимости правильного зацепления зубчатого колеса. Шестерни могут быть установлены на жёстком или упругом валу непосредственно или с помощью шарниров и втулок.

Для того чтобы сделать системы передачи более точными и реалистичными, в зубчатой паре может дополнительно учитываться упругость, погрешность передачи, люфт и трение. Доступны следующие типы зубчатых колёс и реек:

Цилиндрическое прямозубое колесо с внешним зацеплением
Цилиндрическое прямозубое колесо с внутренним зацеплением
Цилиндрическое косозубое колесо с внешним зацеплением
Цилиндрическое косозубое колесо с внутренним зацеплением
Коническое зубчатое колесо
Червячное колесо
Прямозубая рейка
Косозубая рейка

Крупный план настроек Rigid Body Contact и модель цилиндрического роликового подшипника в графическом окне.

Контакты и трение жёстких тел

Для моделирования механических контактов между жёсткими телами доступен узел Rigid Body Contact, который позволяет описать взаимодействие между жёсткими телами стандартной формы без построения сетки. В зависимости от формы контактирующих поверхностей возможно использование следующих формулировок:

Сферическое со сферическим
Сферическое с цилиндрическим
Сферическое с плоским
Сферическое с произвольным
Цилиндрическое с цилиндрическим
Цилиндрическое с плоским

Кроме того, доступна и классическая общая формулировка для распределённого контакта для случай, когда хотя бы одно из тел является деформируемым.

Крупный план дерева модели с выделенным узлом Hydrodynamic Bearing и модель двигателя в графическом окне.

Гидродинамические подшипники

Для выполнения многотельного анализа гидродинамических подшипников требуется связка с интерфейсом Hydrodynamic Bearing модуля «Роторная динамика». Интерфейс предназначен для анализа гидродинамических подшипников в 3D, эффективно моделируемых с использованием геометрической поверхности. Когда в модели присутствуют и интерфейс Multibody Dynamics, и интерфейс Hydrodynamic Bearing, становится доступной мультифизическая связь Solid-Bearing Coupling, которая позволяет моделировать следующие опорные подшипники в многотельной системе:

Простой подшипник
Эллиптический подшипник
Разъёмный подшипник
Многоклиновый подшипник
Наклонный подшипник

Крупный план Библиотеки CAD-заготовок в COMSOL Multiphysics, демонстрирующий пример геометрии косозубой шестерни.

Библиотека CAD-заготовок

Модуль «Динамика многотельных систем» содержит встроенную библиотеку геометрических элементов для создания различных типов шестерёнок в 2D и 3D. Эту библиотеку можно использовать для создания отдельного зубца, зубчатого колеса, пары зубчатых колёс или зубчатой передачи. Вся геометрия шестеренок параметризована, вводные параметры каждой части можно изменить для настройки формы зубцов и зазоров. Во избежание построения неверной геометрии, доступна функция которая проверяет согласованность входных параметров.

Так как опции, связанные с шестернями имеют чисто математическое описание, геометрия частей используется в основном в целях визуализации. Однако их также можно использовать для подробных КЭ-моделей. Аналогичным образом доступны параметризованные детали для звездочек и роликовых цепей.