柔性体有限元分析在UG运动仿真教学中的应用

19柔性体有限元分析在UG运动仿真教学中的应用

何玉山

谢晓华

（永州职业技术学院，湖南永州425100）

摘

要：在UG运动仿真的教学中，一般是先假设零件都为刚体再进行运动仿真，但机构中往往存在柔性体零件，运动

时将会发生较大的弹性形变。应用UG的“高级仿真”模块，通过建立柔性体零件的有限元模型和仿真模型，并进行模态分析求解，在运动仿真模块中，将部件模态数据添加到运动分析中并定义柔体，从而在UG运动仿真教学中实现刚柔并存的运动分析。

关键词：UG；有限元；柔性体；运动；仿真中图分类号：TP391.9

文献标识码：A

文章编号：1672-4801（2018）01-019-02

DOI:10.19508/j.cnki.1672-4801.2018.01.007

在UG运动仿真的教学中，一般是对机构的刚体进行运动学仿真分析，但机构中往往存在柔性体构件，这些刚体运动仿真无法表示柔性体构件的动力学特性。对于存在柔性体构件的机构，可以使用柔性体分析方法来组合弹性变形与刚体运动，得到机构的更加真实的动力学特性。

小为11.5mm，模型共划分为1779个四面体单元，网格中的节点数为3656，建立其有限元模型如图2所示。1.2

建立高级仿真模型（SIM文件）

1柔性体部件的模态分析

103柔性体”，完成解算方案的设置。在分析模型的自由模态时，不用施加载荷和边界条件。1.3

解算分析

有限元模型建立后可进行模型检查，再进行模型自由模态的分析，如图3所示是模型自由模态分析结果中的模态7的位移云图，并得到柔性体输出文件（RFI文件）。

新建仿真文件SIM，解算方案类型选择“SOL

以图1所示的曲柄滑块机构为例，假设：机

体、曲柄和滑块都为刚性体，材料为Steel；连杆为柔性体，材料为ABS。

2机构的运动仿真

运动仿真模块可以进行机构的运动学或动力

学分析，能跟踪零件的运动轨迹，可分析活动构件的位移、速度、加速度、作用力及力矩等。

图1

曲柄滑块机构

图2

连杆有限元模型

图3

模态7的位移云图

2.1启动运动仿真模块

在“开始”中执行“运动仿真”命令，在“运动导

1.1建立有限元模型（FEM文件）

首先在UG建模模块中创建曲柄滑块机构的

航器”新建仿真文件，在“环境”对话框中，分析类型选择“动力学”，高级解算方案选择“柔体动力学”。2.2

定义连杆

创建机构连杆，在这里定义机体为连杆

三维模型。进入高级仿真模块，将连杆建立“FEM”有限元模型文件，选择有限元求解器为“NXNASTRAN”，分析类型为“结构”。设置材料属性，在UG材料库中选择ABS。选择具有较高计算精度的10节点四面体单元网格的“3D四面体网格”工具对零件进行网格划分，自动确定单元格大

L001、曲柄为连杆L002、柔性体连杆为连杆L003、滑块为连杆L004。2.3

定义运动副和驱动

作者简介：何玉山（1973—），男，讲师，主要从事CAM/CNC教学与研究。

20机电技术2018年2月运动副通常是约束一个连杆相对于另一个连杆的运动。在这里定义曲柄与地（机架）的转动副动副J003，滑块与地（机架）的移动副J004。J001、连杆与曲柄的转动副J002、连杆与滑块的转

重新编辑转动副J001，将曲柄的旋转方式设为“恒定”，初速度设为360（°）/s，完成机构驱动的定义。2.4

定义标记点和矢量力

为了用图形的形式输出从动件的运动情况，先在滑块顶部的中心上创建一个标记A001。

为了得到柔性体连杆在运动过程中承受载荷时的变形及位移，在滑块顶部的中心上创建一个向下的矢量力G001，可设置为不同大小的值。

构产生动画效果时，柔性组件的等值线图与刚体动画一起产生动画效果。

作用在滑块顶部的矢量力G001分别设置为不同值时，标记点A001的位置结果如下：

矢量力G001为0.2kN时，标记A001的位置最高为490.0mm，最低为392.9mm；

矢量力G001为10kN时，标记A001的位置最高为485.9mm，最低为388.8mm；

矢量力G001为20kN时，标记A001的位置最高为481.6mm，最低为384.5mm；

可见：在矢量力G001增大时，标记A001的最高位置和最低位置将会下移，数据变小，并且柔性体的变形也会增大，如图4所示。这与实际的运动情况是相符合的。

3用刚体的解算方案进行解算

先假设连杆也为刚体，创建一个解算方案进

行机构运动仿真，执行“解算方案”命令，设置解算方案类型为“常规驱动”、分析类型为“运动学/动力学”、时间为1s、步数为200，使用系统默认的求解器RecurDyn进行解算。

结果显示：矢量力不管设多大值，标记A001的位置最高都是490.1mm，最低为393.0mm。这与实际的运动情况是不相符合的。

（a）0.2kN

（b）10kN

（c）20kN

图4不同矢量力的机构动画效果

4用柔性体的解算方案进行解算

现将连杆柔性体模态分析后的柔性体输出文

5结束语

在UG运动仿真的教学中，以曲柄滑块机构为

件（RFI文件）与在运动仿真中为其定义组件的连杆L003相关联。先执行“柔性连杆”命令，连杆选择“连杆L003”，柔性模型选择柔性体连杆的模态计算结果RFI文件，解算运动仿真时，RecurDyn求解器会与NXNastran通信，并恢复FE结果。机

参考文献：

例，通过建立柔性体零件的有限元模型和仿真模型，并进行模态分析求解，在运动仿真模块中，将部件模态数据添加到运动分析中并定义柔体，实现刚柔并存的运动仿真分析，得到更加真实的动力学特性，使机构动画更真实、更全面。

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