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前言

當結構分析涉及彈簧部件時，需要考慮到彈簧在初始狀態下可能存在多種張緊狀態。在傳統的結構有限元仿真分析中，通常使用簡化單元（例如彈簧力）來模擬彈簧的行為，并考慮其初始預緊力，或者使用實體彈簧單元，執行從松弛狀態到緊張狀態的自由變形分析。雖然第一種方法易于建模，但其在分析彈簧的接觸力、振動特性以及彈簧與其他組件接觸情況方面存在局限性。另一方面，盡管后一種方法提供了更多的分析可能性，但它的建模和分析過程復雜，計算求解時間較長。

針對這類問題，Ansys Motion 作為一款專業的剛柔耦合動力學仿真工具，可以更全面更高效的解決這類問題。Ansys Motion 在大變形，非線性摩擦接觸等，剛柔耦合等方面具有非常強的求解能力，同時通過 Motion 節點柔性體的形狀更新功能，能夠快速而準確地模擬機構的動力學行為，其中包括彈簧單元的動力學響應。這種方法不僅能夠提供更精確的彈簧行為分析，還能夠綜合考慮彈簧與其他機構部件之間的復雜互動，從而實現更全面的結構動力學仿真。

本文主要介紹如何使用Ansys Motion 進行包含彈簧結構的動力學仿真，所使用的版本為Ansys Motion 2023 R1。

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仿真流程

目前，Ansys Motion 支持兩個平臺使用，一個是集成在Ansys Workbench平臺Wechanical 環境中，另一個是獨立版的Motion，分為前處理器motion pre 2023 R1和后處理器motion post 2023 R1，用戶可根據習慣選擇熟悉版本，本文以Motion 獨立版為例進行介紹。

2.1 分析方法

在此分析中，將彈簧設為柔性體，在Motion中使用節點柔性體對彈簧進行建模，其他部件設為剛體。首先對彈簧進行靜力學分析，將彈簧從自由長度移動到裝配的初始位置，此時彈簧將受到初始預緊力，然后將位移數據映射到機構分析中的彈簧。利用Ansys Motion 的形狀更新功能（update position）生成初始狀態。分析流程下圖所示。

2.2 預分析-彈簧靜力學分析

對于彈簧初始的模型，其自由狀態長度比裝配后的初始狀態要長，在預分析時，只對彈簧進行靜力學分析，其他部件抑制，將彈簧建模為柔性體，導入有限元模型，然后，在彈簧底部添加固定副，彈簧頂部添加平移副，壓縮彈簧，使端部位于該位置上初始裝配位置，如下圖所示。

Ansys motion支持靜力學分析，彈簧靜力學分析網格可由Workbench Mechanical生成，并在Ansys motion中導入分析。

2.3 柔性體形狀更新

利用Ansys Motion 的形狀更新功能，在求解完成后，可以在后處理器motion porst中按照指定時間步輸出變形形狀的位移到文件中，這里我們進行的是靜力學分析，所以只需要輸出最后的結果即可。在進行整體分析時，可將此文件檢索到FEM模型中，以便在更新初始網格節點位置的情況下進行分析。操作流程如下：

在motion post中選擇模型-export-nodal body-保存

在motion pre中選擇彈簧對象屬性，使用update position更新形狀。

2.4 設置運動副和接觸

運動副定義了每個零件之間的平移，固定和旋轉關節（如下圖所示）。對于凸輪旋轉，我們定義了強制旋轉，而不是扭矩，以便在定義的旋轉接頭上旋轉一次。

2.5 接觸設置

這里共有四個接觸對，凸輪-移動桿，彈簧與底座，彈簧與移動桿，如下圖所示：

接觸屬性設置

Mechanical環境中的contact對應的獨立版中的Base，Target對應Action ;

2.6 結果后處理

求解完成后，會自動打開motion post后處理器，下圖為后處理器輸出的凸輪彈簧機構動力學仿真動畫，以及接觸力時程曲線圖

下圖顯示了彈簧和移動桿之間的法向接觸力時程曲線圖，圖中形狀更新后初始位置（點a）和彈簧釋放壓縮位移達到平衡狀態（點b），通過形狀更新功能，motion求解器在求解時會自動計算壓縮變形所產生的預應力。點a的接觸力0[N]，因為它是在形狀更新后初始結果，即柔性體彈簧節點的位移被強制移動到預分析中獲得的位移位置。相反，點b釋放了初始壓縮的彈簧，因此可以看到彈簧的恢復產生了81[N]的預緊力。

初始位置和平衡狀態位置結果

在motion post 后處理器中，可以輸出各部件的動力學響應結果，柔性體可以輸出應力，應變，變形量等結果。在此模型中，可以查看彈簧端點接觸的接觸狀態，接觸力，摩擦力，接觸穿透值等。下圖為輸出的部分結果

下圖用標記箭頭表示了與彈簧接觸的法向接觸力。根據彈簧的變形，還可以檢查彈簧兩端以及桿側面與彈簧之間的接觸（下圖中的放大部分）的接觸狀態。也可以用圖形顯示每個時間點結果。

彈簧變形結果和接觸面法向接觸力

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總結

Ansys Motion作為一款專業的多體動力學仿真分析軟件，在處理剛柔耦合問題，結構大變形，高度非線性接觸等方面擁有強大的實力，motion采用隱式積分算法，提供不同類型的剛柔耦合接觸模型，相比同類多體分析軟件，求解更容易收斂。若您對Ansys Motion以及多體動力學仿真分析感興趣，歡迎來參加莎益博的培訓課程，并與我們聯系。