ANSYS Motion. Быстрый старт

ANSYS Motion. Быстрый старт

ANSYS Motion является мощным инструментом для анализа кинематики и динамики жестких и деформируемых тел. Сферы применения данного продукта различны: кинематика и динамика механизмов, динамика транспортных средств, прочностной анализ с учетом геометрической нелинейности, динамика вращающихся машин, 3D контактные взаимодействия, связанный анализ динамики и прочности, анализ усталостной прочности и ресурса. В данной статье будут рассмотрены основы работы в ANSYS Motion 2019R3 на примере решения обратной задачи динамики манипулятора (определение усилий при известных законах движения).

 Немного о структуре данного продукта. ANSYS Motion состоит из базового модуля и 4-х наборов инструментов (Toolkits). Подробное описание представлено на рисунке 1.

Рис.1 – Описание модулей ANSYS Motion

Описание задачи

Рассмотрим манипулятор с 4-мя вращательными шарнирами (см. рисунок 2). Данная модель была найдена на просторах интернета. Поставим перед собой такую задачу: определить нагрузки в шарнирах (закон каждого звена будет определен) и рассчитать прочность основания.

Рис.2 – Модель манипулятора

Подготовка геометрии

Как и для решения задач методом МКЭ в любых модулях ANSYS, в Motion необходимо подготовить модель, чтобы снизить трудоемкость.

1. При решении задач с абсолютно жесткими телами (Rigid) необходимо подавить компоненты, которые не будут существенно влиять на значения искомых параметров. Если дальнейшего анализа с упругими телами не подразумевается, то целесообразно объединить эти детали в одну.
2. При решении задач с упругими телами (Nodal, Modal, EasyFlex) необходимо стандартное «лечение» геометрии: удалении маленьких граней, поверхностей, острых углов; конструктивных элементов, не влияющих на прочность и жесткость детали и т.д.

Ввиду того, что данный пример учебный, все компоненты, которые не участвуют в шарнирных закреплениях были «подавлены» (в том числе захват). Окончательный вид модели представлен на рисунке 3.

Рис.3 – Упрощенная модель манипулятора

Импорт геометрии и задание граничных условий

Модель в ANSYS Motion состоит из набора подсистем (Subsystem), а подсистемы в свою очередь состоят из нескольких деталей. В нашем проекте мы создадим модель с одной подсистемой, импортируем CAD-модель и назначим граничные условия (ГУ).

Импорт модели осуществляется с помощью клавиши «Import CAD», которая находится на вкладке «Body». Для определения ГУ необходимо определить поверхности (Faceset). Стоит отметить, что с помощью Faceset можно определить шарнир и нагрузку, и ГУ могут быть определены только для тел Rigid и EasyFlex (Nodal и Modal; контакт может быть определен только для Rigid и Nodal EasyFlex). Для определения ГУ на упругих телах могут быть использованы наборы узлов (Nodeset) или наборы поверхностей конечных элементов (Patchset). Для вращательных шарниров также необходимо создать систему координат (Marker), чтобы ось Z совпадала с осью вращения. Далее в начале созданной СК нужно создать точку Design point. За подробным описанием ГУ можно обратиться к справочным материалам (ANSYS Motion Preprocessor Manual). Законы движения задавались путем определения функций перемещения в шарнире (см. рисунок 4-5).

Рис.4 – Окно определения свойств шарнира

Рис.5 – Функция перемещения от времени, рад (просмотр в постпроцессоре)

Таким образом, были созданы 4 вращательных шарнира (Revolute joint) и несколько шарниров с ограничением всех степеней свободы (Fixed joint) для связи массивных элементов, которые вносят вклад в нагружение механизма (см. рисунок 6).

Рис.6 – Расчетная модель в ANSYS Motion

Настройка решателя и анализ результатов

Предполагается, что все звенья робота перемещаются на 1 радиан в течение 3 секунд. Следовательно, необходимо установить время моделирования (End time) равное 3 секундам. Для настройки шага интегрирования необходимо включить дополнительные параметры (Show advanced option). Во вкладке «Dynamic» определяются размеры начального, максимального и минимального шагов, а также численное демпфирование и допустимая погрешность сходимости. Начальный размер шага интегрирования рекомендуется выбирать исходя из следующей зависимости:

t_н=1/20*f_откл;

где f_откл  – частота высшей собственной формы (определяется из модального анализа).

Во вкладке «Solver» необходимо установить количество ядер для решения (в зависимости от возможностей компьютера).

Рис.7 – Настройки решателя

После настройки решателя необходимо выполнить расчет (нажать «Simulate»). После решения откроется окно постпроцессора. Для запуска анимации нажмите «Forward play» в окне анимации. Манипулятор перемещается в требуемую позицию (см. рисунок 8, время 1,5 сек), а затем возвращается в исходное положение.

Рис.8 – Рабочее положение манипулятора

В случае анализа жестких тел доступны следующие результаты: перемещения, скорости и ускорения (линейные и угловые) для компонентов; силы реакции и моменты в шарнирах.

Для вывода результатов необходимо создать новое окно (New Plot Window). Далее выбираем интересующую деталь или шарнир и выбираем тип параметра. На рисунке ниже представлен момент в 4-ом шарнире (шарниры считаются от основания) относительно оси вращения. Данную зависимость можно использовать как характеристику управляющего момента привода.

Рис.9 – Момент в 4-ом шарнире

Таким образом, мы рассмотрели кинематику и динамику манипулятора. Следующим шагом целесообразно было бы проверить прочность наиболее нагруженных компонентов, например, основания манипулятора.

Переходим в препроцессор. Открываем свойства основания и определяем его как Nodal EasyFlex. В дополнительных параметрах для решателя EasyFlex необходимо определить уровень точности решения (качества сетки, построение которой проходит в автоматическом режиме и просмотр недоступен пользователю). Рекомендуется выбирать 3 или 4 уровень (3 – оптимальная точность; 4 – высокая точность). Пятый уровень использовать не рекомендуется, т.к. время решения существенно возрастет и оправдано не будет. Для подробного анализа полей напряжений, деформаций рекомендуется использовать либо сеточный решатель, либо перейти в ANSYS Mechanical.

На рисунке 10 представлены поля напряжений, возникающие в основании манипулятора в процессе работы.

Рис.10 – Поля напряжений в основании манипулятора

Заключение

В заключении хотелось бы отметить высокую скорость решения задач с абсолютно жесткими телами (данная задача решается за 0.16 сек на 4-х ядрах). Для задачи с упругим телом решение заняло 10.2 минут (также на 4-х ядрах с уровнем точности 3). Для оценки характера распределения полей напряжений можно использовать более грубую «сетку» (2-ой уровень). Решение с «грубой» точностью занимает около 32 сек (рекомендуется использовать, если предполагается дальнейшее исследование напряженно-деформированного состояния в Motion или Mechanical). Подготовка задачи заняла порядка 2-3 часов.

В следующих статьях рассмотрим остальной функционал: контакты, частотный анализ, анализ усталости, а также работу с наборами инструментов (Links, Drivetrain, Car).