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多體動力學模擬模組

Description

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「多體動力學模組」是 COMSOL Multiphysics 軟體的一款附加產品，其中提供一套先進的工具，支援使用有限元素分析（FEA）來設計和優化二維和三維多體系統，能夠在節省計算工作量的同時，模擬柔性和剛性混合系統，找到系統中的關鍵零件，方便您在汽車工程、航空航天工程、生物力學等主要應用領域執行更詳細的部件級結構分析。

本模組提供內建的多物理場耦合，包括聲-結構、實體-軸承和流體-多體相互作用。COMSOL 軟體的多物理場功能支援您將多體動力學與其他物理效應（例如高級熱傳、流體流動、聲學和電磁學）進行耦合分析。您還可以進一步擴展建模功能，在建模模擬中包含非線性結構材料和 CAD 匯入功能。

剛性和柔性部件

在進行多體系統建模時，柔性和剛性部件會使用不同類型的關節、齒輪、凸輪、軸承、彈簧或阻尼器進行連接，並承受著大量的位移和旋轉載荷。使用「多體動力學模組」的優點之一是您可以輕鬆地混合剛性和柔性部件。

通常，在多體模擬中，所有或大部分部件都是剛性的，因此只需使用剛體自由度進行表示。然而，有時您可能需要將一個或多個部分表示為柔性部件。利用本模組中提供的材料模型，您可以有選擇地將剛性和柔性部件指派到模型中，以執行包括非線性材料效應在內的詳細結構分析。例如，「多體動力學模組」可用於計算結構剛性部分的關節處所承受的力，以及柔性部件中產生的應力。

靜態分析和動態分析

「多體動力學模組」可用於對元件的靜態和動態行為進行建模，這些元件相對於彼此進行平移和旋轉運動。對於動態模型，您可以執行各種類型的分析，例如：

瞬態
特徵頻率
頻域
模態叠加
隨機振動（與結構力學模組結合使用）

例如，本模組可用於模擬齒輪或鏈條等傳動元件的動力學。然後，您可以將多體分析的結果用於其他類型的分析，例如疲勞評估或聲學分析，以便確定系統發出的噪音。

一些可以計算的物理量包括位移、速度、加速度、關節力、齒輪接觸力，以及柔性元件中的應力等。除此之外，您還可以對剛體之間的摩擦接觸進行建模，與標準的基於網格的接觸相比，前者更加穩定和快速。

多體動力學模組特色與功能

尋找 COMSOL 軟體中用於設計和優化多體系統的工具

內建使用者介面

在執行多體動力學分析時，建模過程中的所有步驟都可以在COMSOL Multiphysics環境中實現。"多體動力學模組"中最重要的工具之一是內建的多體動力學介面，可用於對柔性和剛性元件或兩者組合的裝配進行建模。其中提供的選項可用於模擬各種類型的關節、齒輪、鏈輪元件以及凸輪-從動機構。"零件庫"可以協助您構建元件的幾何形狀。軟體會自動處理網格劃分和求解器設定，並提供多個手動編輯選項。

關節整合

為了設計逼真的多體動力學系統，本模組提供了預定義的關節集合，相互連接的多體元件之間的相對運動根據關節類型受到約束。其中包括以下關節類型：

棱柱

鉸鏈

圓柱

螺紋

平面

縮進槽

固定

距離

萬向節

您可以對關節應用額外的屬性，例如彈性、摩擦、約束（允許最大運動）和鎖定。

集中式機械系統

集中式機械系統介面可用於使用具有集中式元件（例如質量塊和彈簧）的電路表示來模擬抽象的機械系統，這些集中式元件可以串聯或並聯排列，用於分析位移、速度、加速度和力。

集中-結構連接多物理場耦合可用於將這些系統插入使用任意結構力學物理場介面構建的有限元素（FE）模型中。

齒輪和齒條整合

本模組提供預先定義的齒輪和齒條整合，讓您輕鬆、穩健地建立具有許多運動部件的傳動系統模型。通過自動檢查正確齒輪啮合的可比性標準，幫助識別正確的齒輪副。齒輪可以直接安裝或透過使用鉸鏈和套管安裝在剛性或彈性軸上。

為了讓傳動系統模型更加準確和真實，齒輪副可以額外包含彈性、傳動誤差、齒隙和摩擦。本模組提供以下齒輪和齒條類型：

直齒輪，外部

直齒輪，內部

斜齒輪，外部

斜齒輪，內部

錐齒輪

蝸輪副

直齒條

斜齒條

鏈傳動

典型的鏈傳動是由兩個或多個鏈輪構成的元件，鏈輪上繞著鏈條，可以將機械動力從一個軸傳遞到另一個軸。您可以使用多體動力學介面中的鏈傳動特性，對滾子鏈輪元件進行二維或三維建模。該特性可以確定鏈傳動元件內的相互作用，並自動生成一組用於描述元件行為的多體動力學特性。

徑向滾子軸承

徑向滾子軸承通常用於低速應用，其中噪音不是一個重要的考慮因素。這些軸承的壽命有限，在不對中的情況下尤其如此，但由於這種軸承的成本低，因此很容易進行更換。

「多體動力學模組」與轉子動力學模組結合使用時，提供以下不同類型的三維預定義徑向滾子軸承：

深溝球

角接觸球

調心球

球面滾子

圓柱滾子

圓錐滾子

剛體接觸和摩擦

為了模擬剛體之間的機械接觸，您可以使用剛體接觸特徵來模擬標準形狀剛體之間的無網格接觸。根據源體和目標體的形狀，您可以使用不同類型的公式：

球到球

球到圓柱

球到平面

球到任意

圓柱到圓柱

圓柱到平面

除了剛體接觸公式以外，您還可以使用一個通用公式來分析兩個體（至少有一個是柔體）之間的分散式接觸。

凸輪-從動件連接

凸輪-從動件連接特徵用於簡化模擬接觸，通過在凸輪和從動件之間施加雙向約束。凸輪-從動系統透過一個點沿著邊界或邊的跟隨運動進行定義。凸輪可以在剛體和彈性體上定義，因此凸輪邊界或邊可以經歷任何形式的剛體運動或變形。

此工具允許您將任何使用者定義的凸輪輪廓繪製成幾何模型，並根據位移、速度和加速度曲線計算從動件運動。此外，還可以計算接觸點的連接力，因此，通過查看連接力的符號，就可以預測凸輪與從動件之間的間歇接觸。

液壓動壓軸承

執行液壓動壓軸承的多體分析時需要與「轉子動力學模組」中的液壓動壓軸承介面進行耦合，可用於分析三維液膜軸承，其中使用表面幾何進行有效建模。當模型中同時存在多體動力學和液壓動壓軸承介面時，就可以使用實體-軸承耦合多物理場耦合功能，從而可以對多體系統中的以下軸頸軸承進行建模：

滑動軸頸

橢圓軸頸

對開軸頸

多油葉軸頸

可傾瓦軸頸

部件模態綜合法（CMS）

在「多體動力學模組」中，您可以使用 Craig-Bampton 方法，將線性部件簡化為計算效率高的降階模型。然後，可以將這些部件用於完全由降階部件組成的模型中，或者與非降階彈性有限元模型一起使用，後者可以是非線性的。這種方法稱為部件模態綜合法或動態子結構方法，可以在計算時間和記憶體使用率方面帶來很大的改善。