Multibody Dynamics Module

Simulieren Sie die Dynamik von Mehrkörpersystemen

Das Multibody Dynamics Module, ein Add-On zur COMSOL Multiphysics® Software, bietet eine Reihe von erweiterten Werkzeugen für das Design und die Optimierung von 2D- und 3D-Mehrkörpersystemen mithilfe der Finite-Elemente-Analyse (FEA). Das Modul ist in der Lage, gemischte Systeme aus flexiblen und starren Körpern zu simulieren, um die kritischen Komponenten in einem System zu finden und dabei Rechenaufwand zu sparen. So können Sie detailliertere Strukturanalysen auf Komponentenebene in wichtigen Anwendungsbereichen wie der Automobiltechnik, der Luft- und Raumfahrttechnik, der Biomechanik und anderen durchführen.

Das Modul enthält integrierte Multiphysik-Kopplungen, die Wechselwirkungen zwischen Akustik und Struktur, zwischen Festkörpern und Lagern sowie zwischen Fluiden und Mehrkörpern umfassen. Die Multiphysik-Fähigkeiten der COMSOL® Software ermöglichen es, die Mehrkörperdynamik mit anderen physikalischen Effekten zu kombinieren, z.B. mit erweitertem Wärmetransport, Strömungen, Akustik und Elektromagnetik. Sie können Ihre Modellierung weiter ausbauen, um nichtlineare Strukturmaterialien und CAD-Importfunktionen einzubeziehen.

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Ein Modell eines Differentialgetriebes, das die Größe der Verschiebung im Farbspektrum Prism anzeigt.

Starre und flexible Teile

Bei der Modellierung von Mehrkörpersystemen werden flexible und starre Körper über verschiedene Arten von Gelenken, Zahnrädern, Nocken, Lagern, Federn oder Dämpfern miteinander verbunden und sind großen Verschiebungen und Rotationen ausgesetzt. Einer der Vorteile der Verwendung des Multibody Dynamics Module ist, dass es einfach ist, starre und flexible Teile zu kombinieren.

In der Regel sind alle oder die meisten Teile in einer Mehrkörpersimulation starr und werden daher nur durch die Freiheitsgrade eines starren Körpers dargestellt. Manchmal möchten Sie jedoch ein oder mehrere Teile als flexibel darstellen. Mit den im Modul verfügbaren Materialmodellen können Sie Ihrem Modell selektiv starre und flexible Teile zuweisen, um detaillierte Strukturanalysen durchzuführen, die die Auswirkungen nichtlinearer Materialien berücksichtigen. Mit dem Multibody Dynamics Module können Sie beispielsweise die Kräfte berechnen, die an den Verbindungsstellen der starren Teile der Struktur auftreten, sowie die Spannungen, die in den flexiblen Komponenten entstehen.

Statische und dynamische Analysen

Das Multibody Dynamics Module kann für die Modellierung des statischen und dynamischen Verhaltens von Komponenten verwendet werden, die Kombinationen von Translations- und Rotationsbewegungen zueinander ausführen. Für dynamische Modelle können Sie verschiedene Arten von Analysen durchführen, wie z.B.:

Das Modul kann beispielsweise zur Simulation der Dynamik von Getriebekomponenten wie Zahnrädern oder Ketten verwendet werden. Die Ergebnisse einer Mehrkörperanalyse können dann für andere Arten von Analysen verwendet werden, z.B. zur Bewertung der Ermüdung oder zur akustischen Analyse, um den vom System ausgehenden Lärm zu ermitteln.

Einige Beispiele für Größen, die berechnet werden können, sind Verschiebungen, Geschwindigkeiten, Beschleunigungen, Gelenkkräfte, Zahnradkontaktkräfte und - bei flexiblen Teilen - Spannungen. Sie können auch den Reibungskontakt zwischen starren Körpern modellieren, was im Vergleich zu einem standardmäßigen netzbasierten Kontakt viel robuster und schneller ist.

Features und Funktionalitäten im Multibody Dynamics Module

Werkzeuge für das Design und die Optimierung von Mehrkörpersystemen in der COMSOL® Software.

Eine Detailansicht des Model Builders mit dem hervorgehobenen Knoten Multibody Dynamics und einem Gelenkmodell im Grafikfenster.

Integrierte User Interfaces

Bei der Arbeit mit Mehrkörperdynamik-Analysen erfolgt der Zugriff auf alle Schritte des Modellierungsprozesses innerhalb der COMSOL Multiphysics® Umgebung. Eines der wichtigsten Werkzeuge im Multibody Dynamics Module ist das integrierte Multibody Dynamics Interface, das für die Modellierung von Baugruppen aus flexiblen Komponenten, starren Komponenten oder einer Kombination aus beidem verwendet wird. Die verfügbaren Optionen decken die Modellierung verschiedener Arten von Gelenken, Zahnrädern, Kettenradbaugruppen und Nockenstößelmechanismen ab. Teilebibliotheken helfen bei der Erstellung der Geometrie der Komponenten. Das Vernetzen und die Lösereinstellungen werden automatisch von der Software übernommen, mit Optionen zur manuellen Bearbeitung.

Eine Detailansicht des Model Builders mit dem hervorgehobenen Knoten Lumped Mechanical System und einem 1D-Plot im Grafikfenster.

Vereinfachte mechanische Systeme

Mit dem Interface Lumped Mechanical System können Sie ein abstraktes mechanisches System modellieren, indem Sie eine Schaltungsdarstellung mit vereinfachten Komponenten, wie Massen und Federn, verwenden. Die einzelnen Komponenten können in Reihe oder parallel angeordnet werden, um Verschiebungen, Geschwindigkeiten, Beschleunigungen und Kräfte zu analysieren.

Die Multiphysik-Kopplung Lumped-Structure Connection kann verwendet werden, um diese Systeme in Finite-Elemente-Modelle (FE) einzufügen, die mit einem beliebigen strukturmechanischen Physik Interface erstellt wurden.

Eine Detailansicht des Model Builders mit dem hervorgehobenen Knoten Chain Drive und einem elastischen Rollenkettenmodell im Grafikfenster.

Kettenantriebe

Ein typischer Kettentrieb ist eine Baugruppe aus zwei oder mehr Kettenrädern, um die eine Kette gewickelt ist, die mechanische Leistung von einer Welle auf eine andere überträgt. Mit der Funktion Chain Drive im Interface Multibody Dynamics können Sie Rollenkettenradsätze in 2D oder 3D modellieren. Diese Funktion bestimmt die Wechselwirkungen innerhalb einer Kettentriebbaugruppe und generiert automatisch eine Reihe von Mehrkörperdynamik-Features, die zur Beschreibung des Verhaltens der Baugruppe verwendet werden.

Eine Detailansicht der Einstellungen für das Radialrollenlager und ein Getriebemodell im Grafikfenster.

Radial-Rollenlager

Rollenlager werden häufig für Anwendungen mit niedrigen Geschwindigkeiten verwendet, bei denen Lärm keine Rolle spielt. Diese Lager haben eine begrenzte Lebensdauer, insbesondere bei Fluchtungsfehlern, können aber aufgrund ihrer geringen Kosten leicht ausgetauscht werden.

Das Multibody Dynamics Module bietet zusammen mit dem Rotordynamics Module die folgenden verschiedenen Arten von vordefinierten Radialrollenlagern in 3D:

  • Rillenkugel
  • Schrägkugel
  • Selbstausrichtende Kugel
  • Pendelrolle
  • Zylinderrolle
  • Kegel Rolle
Eine Detailansicht der Cam-Follower-Einstellungen und ein Ventilöffnungsmodell im Grafikfenster.

Cam-Follower-Verbindung

Das Feature Cam-Follower Verbindung dient zur Modellierung eines vereinfachten Kontakts durch Anwendung einer bidirektionalen Zwangsbedingung zwischen einem Nocken und seinem Folger. Ein Nockenfolger-System wird durch eine Reihe von Grenzflächen oder Kanten definiert, die von einem Punkt verfolgt werden. Die Nocke kann sowohl auf starren als auch auf elastischen Körpern definiert werden. Daher können die Grenzflächen oder Kanten einer Nocke jede Art von Starrkörperbewegung oder Verformung erfahren.

Mit diesem Tool können Sie ein beliebiges benutzerdefiniertes Kurvenprofil als Geometriemodell zeichnen und die Bewegung des Folgers in Form von Verschiebungs-, Geschwindigkeits- und Beschleunigungskurven berechnen. Es ist auch möglich, die Verbindungskraft am Kontaktpunkt zu berechnen und somit anhand des Vorzeichens der Verbindungskraft einen intermittierenden Kontakt zwischen Nocken und Nockenfolger vorherzusagen.

Eine Detailansicht des Model Builders mit dem hervorgehobenen Knoten Reduced Component und einem Getriebemodell im Grafikfenster.

Komponentenmodus-Synthese (CMS)

Im Multibody Dynamics Module ist es möglich, lineare Komponenten mit Hilfe der Craig-Bampton-Methode auf recheneffiziente Modelle reduzierter Ordnung zu reduzieren. Diese Komponenten können dann in einem Modell verwendet werden, das vollständig aus reduzierten Komponenten besteht oder zusammen mit nicht reduzierten elastischen FE-Modellen, wobei letztere dann nichtlinear sein können. Dieser Ansatz, der als Component Mode Synthesis oder Dynamic Substructuring bezeichnet wird, kann große Verbesserungen in Bezug auf die Rechenzeit und den Speicherbedarf bringen.

Eine Detailansicht der Einstellungen für das prismatische Gelenk und ein Fliehkraftregler-Modell im Grafikfenster.

Sammlung von Gelenken

Um realistische Mehrkörpersysteme zu entwerfen, enthält das Modul eine Sammlung von vordefinierten Gelenken. Die relative Bewegung zwischen den miteinander verbundenen Mehrkörperkomponenten wird durch die Art des Gelenks eingeschränkt. Die folgenden Gelenktypen sind verfügbar:

  • Prismatisch
  • Winkel
  • Zylindrisch
  • Schraube
  • Planar
  • Kugel
  • Nut
  • Reduzierte Nut
  • Fixiert
  • Abstand
  • Universal

Sie können zusätzliche Eigenschaften auf die Gelenke anwenden, wie z.B. Elastizität, Reibung, Beschränkungen (die eine maximale Bewegung erlauben) und Verriegelung.

Eine Detailansicht der Einstellungen für das Stirnrad und ein Zahnradmodell im Grafikfenster.

Sammlung von Zahnrädern und Zahnstangen

Eine Sammlung von vordefinierten Zahnrädern und Zahnstangen ist enthalten, um auf einfache und robuste Weise Modelle von Getriebesystemen mit vielen beweglichen Teilen zu erstellen. Sie hilft bei der Identifizierung des richtigen Zahnradpaares, indem sie automatisch die Vergleichskriterien für das korrekte Vernetzen von Zahnrädern und Zahnstangen überprüft. Die Zahnräder können entweder direkt oder mit Hilfe von Scharnieren und Buchsen auf einer starren oder flexiblen Welle montiert werden.

Um das Modell eines Getriebesystems genauer und realistischer zu gestalten, kann ein Zahnradpaar zusätzlich Elastizität, Übertragungsfehler, Spiel und Reibung enthalten. Die folgenden Zahnrad- und Zahnstangentypen sind verfügbar:

  • Stirnrad, außen
  • Stirnrad, innenverzahnt
  • Schrägverzahnung, außen
  • Schrägverzahnung, innen
  • Kegelrad
  • Schneckengetriebe
  • Stirnzahnstange
  • Schrägzahnstange
Eine Detailansicht der Rigid Body Contact-Einstellungen und eines Zylinderrollenlagermodells im Grafikfenster.

Starrkörperkontakt und -Reibung

Zur Modellierung des mechanischen Kontakts zwischen starren Körpern steht die Funktion Rigid Body Contact zur Verfügung, mit der Sie den netzfreien Kontakt zwischen starren Körpern in Standardform modellieren können. Abhängig von der Form des Quell- und Zielkörpers stehen verschiedene Formulierungstypen zur Verfügung:

  • Sphärisch zu sphärisch
  • Sphärisch zu zylindrisch
  • Sphärisch zu eben
  • Sphärisch zu beliebig
  • Zylindrisch zu zylindrisch
  • Zylindrisch zu eben

Zusätzlich zu den Formeln für den Kontakt zwischen starren Körpern gibt es eine allgemeine Formulierung für den verteilten Kontakt zwischen zwei Körpern, von denen mindestens einer flexibel ist.

Eine Detailansicht des Model Builders mit dem hervorgehobenen Knoten Hydrodynamic Bearing und einem Motormodell im Grafikfenster.

Hydrodynamische Lager

Die Durchführung einer Mehrkörperanalyse hydrodynamischer Lager erfordert eine Kopplung mit dem Interface Hydrodynamic Bearing im Rotordynamics Module. Das Interface ist für die Analyse von Flüssigkeitsfilm-Lagern in 3D gedacht, die effizient mit einer Oberflächengeometrie modelliert werden. Wenn sowohl ein Multibody Dynamics Interface als auch ein Hydrodynamic Bearing Interface im Modell vorhanden sind, ist eine Solid-Bearing Coupling Multiphysics Kopplung verfügbar und ermöglicht die Modellierung der folgenden Gleitlager in einem Mehrkörpersystem:

  • Eben
  • Elliptisch
  • Getrennte Hälften
  • Multilobe
  • Kipplager
Eine Detailansicht der Bauteilbibliotheken in COMSOL Multiphysics mit einem Beispiel für eine schrägverzahnte Geometrie.

Bauteilbibliothek

Das Multibody Dynamics Module enthält eine integrierte Geometriebibliothek zur Erstellung verschiedener Arten von Zahnrädern, die in 2D und 3D verfügbar sind. Sie können damit einen Zahnradzahn, ein einzelnes Zahnrad, ein Zahnradpaar oder einen Zahnradzug erstellen. Alle Zahnradgeometrien sind parametrisiert und die Eingabeparameter können variiert werden, um die Form des Zahnrades oder des Zahnradrohlings anzupassen. Um zu vermeiden, dass eine ungültige Geometrie erstellt wird, steht eine Funktion zur Verfügung, die prüft, ob die Werte der Eingabeparameter konsistent sind.

Da es sich bei den Zahnradmerkmalen um rein mathematische Beschreibungen handelt, werden die geometrischen Teile hauptsächlich zu Visualisierungszwecken verwendet. Es ist jedoch auch möglich, sie für detaillierte FE-Modelle zu verwenden. In ähnlicher Weise sind parametrisierte Teile für Kettenräder und Rollenketten verfügbar.

Multiphysik-Kopplungen für erweiterte Mehrkörperdynamik-Analysen

Kombinieren Sie auf einfache Weise zwei oder mehr physikalische Interaktionen in derselben Softwareumgebung.

Eine Detailansicht eines Getriebemodells, das die normale Beschleunigung zeigt.

Vibroakustik

Führen Sie Mehrkörperanalysen durch, um akustische Vibrationen und Geräusche zu berechnen.1

Eine Detailansicht von drei Netzschaltermodellen.

Elektromechanische Geräte

Simulieren Sie die Dynamik starrer Körper unter dem Einfluss von magnetischen Kräften oder induzierten Strömen.2

Eine Detailansicht des Modells einer Scheibenbremse, das die Temperatur anzeigt.

Thermische Ausdehnung

Analysieren Sie Reibungswärme und thermische Ausdehnung.3

Eine Detailansicht eines Rotorsatzes mit Schrägstirnrädern.

Rotordynamik

Kombinieren Sie Ihre Lagersimulation mit einer Mehrkörpersimulation.4

Eine Detailansicht eines Waschmaschinenmodells im Farbspektrum Spectrum.

Strukturmechanik

Erweitern Sie Modelle der Mehrkörperdynamik mit allgemeiner Strukturmechanik, um z.B. Balken, Schalen und nichtlineare Materialien zu modellieren.5

Eine Detailansicht des Modells eines Induktionsmotors zeigt die Spannung.

Elektromagnetik und Schwingungen

Simulieren Sie elektromagnetische Effekte und Schwingungen in 2D und 3D.2

Eine Detailansicht eines Mechanismus, der in ein Fluid eingetaucht ist, zeigt das Geschwindigkeitsfeld und den Druck.

Fluid-Mehrkörper-Interaktion

Modellieren Sie Phänomene, bei denen sich ein Fluid und ein starrer oder verformbarer Festkörper gegenseitig beeinflussen.

Eine Detailansicht einer Stange, die die Spannung zeigt.

Ermüdung

Führen Sie Ermüdungsanalysen von kritischen flexiblen Körpern durch.6

  1. Erfordert das Acoustics Module
  2. Erfordert das AC/DC Module
  3. Erfordert das Heat Transfer Module
  4. Erfordert das Rotordynamics Module
  5. Erfordert das Structural Mechanics Module
  6. Erfordert das Fatigue Module

Jedes Unternehmen und jeder Simulationsbedarf ist einzigartig.

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