搜索Virtual.Lab Motion新一代多体动力学软件
2013-06-04 by:广州有限元分析、培训中心-1CAE.COM 来源:仿真在线
LMS Virtual.Lab Motion基于LMS Virtual.Lab,这一全球第一个多学科功能品质工程平台,很好地解决了以上现今多体仿真中所遇到的疑难。其优异的性能、广泛深入的行业解决方案、开放的平台,不断对最新技术的拓展,使其成为新一代多体动力学软件的代表,以下我们就Virtual.Lab Motion的特点和应用作详细介绍。
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关键字:LMS Virtual.Lab Motio 多学科
为了避免高成本的物理原型试验,现代制造业的设计中要求在实物样机前开发出最优化的机械系统,这需要精确的动力学运动分析结果。从CAD到传统的多体仿真软件,完成了从运动学到多体动力学的转变,但随着仿真技术更快、更现实、更精确的开发要求,传统的多体动力学解决方案已不能满足产品开发中新的挑战,包括宽频段的柔性体的处理、刚柔混合问题,参数化、流程化设计,进行多学科如疲劳、振动、声学的系统级仿真和优化,以及如何有效地利用试验数据进行模型验证等。
LMS Virtual.Lab Motion基于LMS Virtual.Lab,这一全球第一个多学科功能品质工程平台,很好地解决了以上现今多体仿真中所遇到的疑难。其优异的性能、广泛深入的行业解决方案、开放的平台,不断对最新技术的拓展,使其成为新一代多体动力学软件的代表,以下我们就Virtual.Lab Motion的特点和应用作详细介绍。
一、优异的性能
从CAD到CAE,覆盖全面的建模过程
在Virtual.Lab Motion中建立模型时,工程师可以直接导入或建立不同零件的细节化CAD模型或几何框架,建立能够适当描述整个系统运动学性能的约束及零件间的连接。然后需要引入运动来进一步定义模型及其环境,准确预测系统中的时域载荷;此时除定义刚度、阻尼、接触和摩擦等部件间作用力之外,还要给定重力、质量、及惯量等。作用力的施加可以通过一系列数字模型实现,包括特殊弹簧、阻尼器、衬套等加载形式或与周围环境密切相关的接触单元。简单的力单元如基本弹簧,复杂的如精细轮胎等。
深入精细建模
基本模型建立后,可以通过更为详细的受力描述得以细化。例如,当一个结构的刚度不足以将其视为刚体时,工程师可以用柔性体来描述该结构。根据结构本身仿真结果或外部导入的试验数据可以确定结构模态振型,结构在相应的外载作用下产生变形。起媒介作用的长柔性体如悬架稳定杆或风力涡轮机叶片等,可自动分解为多个梁的组合结构,用于计算结构受载时总的非线性变形。LMS Virtual.Lab Motion多体动力学软件中有对轮胎力、衬套力、弹性体接触、齿轮接触、梁、发动机、燃烧载荷、液力轴承、空气动力等多种模型的详细建模模板。
稳定快速的求解及丰富的后处理功能
当模型建立后,工程师可进行求解并同时用动画和图表查看结果。为更好理解模型行为,工程师可以方便地改进原有设计使结构具有目标性能,包括所涉及的载荷和应力分析。当模型包含液压、作动器、电磁等非常明确详细的控制和力的作用时,工程师可利用包含在LMS Virtual.Lab 和LMS Imagine.Lab AMESim中完备的机电分析功能进行联合仿真。
易用性
LMS Virtual.Lab Motion拥有专用设计模块,这些模块能够帮助使用者提高效率,快速建立所需的专业详细模型,这大大缩短了手工建模的时间。专业分析模块界面位于Virtual.Lab Motion的上方,方便工程师进行建模和分析工况的设置。除专用模块外,使用Virtual.Lab Motion可以将现有子机构装配成一个系统。通过这种方法,公司中的子系统设计部门可以在保持系统级密切协同的同时独立进行工作。
集成性
LMS Virtual.Lab提供进行多属性仿真的无缝集成环境。由于系统参数化和系统关联性,工程师可以以简单高效的方式解决模型中的问题并实现模型优化。当一个模型参数改变时,程序自动分多级对动力学运动仿真和耐久性及NVH分析结果进行更新。此外,可以使用设计桌面来实现对一整套参数的一键修改,既节省时间,又防止在文件调用和更新中出错,使工程师可以将更多的时间花在实际分析阶段而非建模阶段。
自动操作
基于VBA(visual basic 应用)日志和脚本对任何重复性过程自动进行操作的能力是LMS Virtual.Lab Motion的另一个优点。工程师可以通过在LMS Virtual.Lab多体动力学内部或顶层建立专用的图形用户界面来实现对某一特定过程的自动操作。这样不仅消除了大量重复性工作,节省了时间,也使仿真过程的重心由当前设计的性能分析转移到整个设计的性能优化上来。
强大的前后处理功能
LMS Virtual.Lab Motion包括所有进行建模和多体仿真分析所需的基本功能。求解器不包括在该平台中,但输入文件/结果文件可以导入/导出求解器。LMS Virtual.Lab多体前后处理适用于对前后处理的需要超过对求解器资源需要的部门。
利用动画显示功能可以看到柔性体中零件的变形、进行动力学运动过程中的干涉检测以及更为复杂的运动。此外,其特殊功能还允许用户检查动画中的扫描体积、力向量以及其它更多结果。多种图表功能能够使用户观察到系统中每个构件的全部运动细节,如平动和转动位移、速度和加速度等。对系统中所有载荷结果,包括内部、外部的力和力矩、零件的内应力等,都能进行图表显示。为方便分析者工作,亦提供悬架和汽车的专用后处理器及其它用户自定义模板的画图功能。高级用户界面支持VB日志及脚本,可以让用户将精力集中在工作的设计分析和优化部分,而无需在设计建模和更新上花费大量无价值的额外时间。
LMS Virtual.Lab Motion前后处理的特性包括:
· CATIA V5几何建模
·通过动力学铰链和约束进行机构组装
·子机构法进行模块装配
·基于刚度、阻尼、摩擦、接触或其他定义进行动力学建模
·基于更高层次的力单元进行动力学建模
·基于已有的有限元数据(仿真或实验方法得到)对柔性体进行建模
·3D动画
·所有结构图表显示
·干涉检查,扫掠体积及力向量的可视化
·动力学模型自动转换为用于NVM的有限元装配模型
·动力学模型与ADAMS模型自动相互转换
·基于日志和脚本的自动操作功能
总之,LMS Virtual.Lab Motion相较于传统的多体动力学分析软件,具有突出的以下特点:
·基于DADS高效、稳定的求解器,并与基于相对坐标的递归算法 (方程形式复杂、数量小)相结合
·宽频段的柔性体处理技术,出色的刚柔混合多体动力学分析。
·可直接读入试验的模态信息,进行多体动力学和试验的混合计算仿真
·基于Catia的建模环境,使CAD数据与多体动力学数据集成于一个数据环境中,省却了数据转换的过程。同时操作上继承了CAD的操作风格和思维习惯
·多学科仿真分析的高度集成,与有限元分析、疲劳、声学、NVH和优化集成于同一界面、同一数据文件中,真正意义上实现了多学科的集成。
·强大的CAD接触和柔性体接触计算功能
·出色的模型参数化功能
·高效全面的建模工具箱,如:履带、齿轮、链条、皮带和发动机等。
·强大的客户订制功能,支持二次开发
二.广泛的应用领域
LMS Virutal.Lab Motion泛地应用于航空航天、汽车、船舶、国防、工程机械、家电、汽车零部件、机床等机械制造设计领域,除了通用机械多体动力学仿真之外,它同时拥有强大的行业专业解决方案:
LMS Virtual.Lab Vehicle Motion 车辆动力学
悬架建模
LMS Virtual.Lab Motion悬架模块为车辆悬架建模提供专门易用的界面。该界面可指导用户整个悬架建模和分析过程,从硬点位置输入和零件及连接定义一直到应用于虚拟振动台架测试的专用后处理功能。用户可以以一个预定义的悬架模板为初始模型进行建模,可大幅提高效率。
人机工程
LMS Virtual.Lab中的IPG-DRIVER增加了多体车辆仿真中人的因素,在极端真实的环境下对车辆动态性能测试进行闭环机动仿真。由德国IPG Automotive公司开发了15年以上的IPG-DRIVER是工业标准驾驶员模型,无缝集成在LMS Virtual.Lab Motion中。用户可以选择所需路径和速度及驱动方式,由IPG-DRIVER计算油门、刹车、离合器踏板位置、变速箱位置及方向盘输入。
整车
LMS Virtual.Lab Motion车辆建模模块向底盘和悬架分析师提供专业易用的界面进行车辆建模,可进行操纵和转向、乘用舒适型,路面噪音和耐久性分析等。该模块允许用户进行模块化汽车装配,所用子系统包括悬架系统、转向系统、制动系统、动力和传动系统等。
车辆仿真包括对汽车标准化活动的多重运算。包括ISO机动在内的预定义车辆运行活动库可以通过任意用户定义的活动过程进行扩充。虚拟汽车有两种驱动方式,一种是运动学驱动(开环控制),另一种是由LMS Virtual.Lab Motion内置的控制算法控制,在确定的路径上运动(闭环)。此外,IPG驾驶员模型引入复杂的驾驶员-汽车交互作用,使动力学汽车模型中包含了人的作用。
为了将动力分析的结果作为下游耐久性和舒适性分析的输入,在LMS Virtual.Lab 耐久性和LMS Virtual.Lab振动与噪声模块中进行分析,关键的一步是对轮胎和路面进行精确建模。LMS Virtual.Lab多体动力学提供一系列专用轮胎模型,其特殊应用范围从低频(<10Hz)基本操纵和转向分析一直到高频(<100Hz)复杂的舒适性和耐久性分析。LMS Virtual.Lab 的TNO MF 轮胎基于著名的魔术方程(Magic Formula)经验模型,而LMS Virtual.Lab 的TNO MF Swift 和LMS CD Tire都基于物理模型。TNO MF轮胎为概念性研究和操纵仿真提供精确的可升级的轮胎模型;TNO MF Swift最适用于乘用性能分析。LMS CD Tire用在舒适性和耐久性研究中,提供可进行升级的2D, 2.5D和3D方法,准确跟踪高达80Hz的轮胎振动。除了这些特殊的轮胎模型以外,软件还提供简化版的轮胎模型,用于轮胎性能在整个设计中并不重要的车辆建模。LMS Virtual.Lab多体动力学模块提供的路面建模方法也允许对路面模型进行升级,从2D平滑路面一直到数字化试车跑道解决方案,允许对任何用于计算和模型显示的试验场进行数字化重建。
LMS Virtual.Lab Landing Gear 起落架
起落架系统专用仿真解决方案允许研发小组建立能够可靠地进行真实性能仿真的飞机起落架详细模型。小组成员可以很快获取多种设计方案,在原型生产之前实现飞机最优化设计。LMS Virtual.Lab起落架模块是在与多个飞机和起落架生产商的密切合作过程中发展出来的,可以应对起落架工程中的挑战并预测如着陆、滑行、起飞等典型飞机运动中总的系统载荷。
LMS Virtual.Lab起落架可以让小组成员对起落架动力学性能以及可靠性、稳定性和安全性等全部工作特性进行详细而深入的观察。在飞机降落、起飞和滑行机动时,起落架装配体必须能吸收大量能量而不产生超出动态载荷极限值的反作用力。动力学运动仿真可以同时采用刚体和柔性体模型,帮助工程师调整起落架设计以达到目标动力学性能。LMS Virtual.Lab起落架也可以对新的设计系统进行极端工况或破坏载荷下的响应估算,这方面的物理实验往往是极为危险或成本极高的。
该模块的应用界面是在利用VBA脚本功能在Virtual.Lab多体动力学顶层开发出来的,可以根据其它类似的用户需要进行客户定制和重新生成。
LMS Virtual.Lab Race Car 赛车
与顶级赛车组共同合作开发的LMS Virtual.Lab赛车模块是为职业赛车队量身打造的仿真解决方案。这一解决方案使他们能够快速地评估复杂的赛车仿真性能,避免模型创建过程中的错误,并且节省相当多的时间。LMS Virtual.Lab Motion能够直接获取相关的车辆参数,基于这种方式可以指导用户完成一个非常有效的流程,涵盖整个汽车装配、动态仿真过程并生成结果报告。LMS Virtual.Lab Motion在软件后台进行多种自动化分析,包括稳态转向、动态操纵、7柱台架实验或者运动学和柔性台架实验等;各种运行方式允许用户进行实验设计及赛车拓扑结构的优化。赛车队的专家非常赞赏仿真解决方案的有效性和简单操作,这使得他们能够在测试和比赛的过程中,在赛道上对整车进行研究。
齿轮
齿轮建模界面能自动对有关斜齿轮和直齿轮、地面机车或通用机械应用中齿轮组系统等进行定义和仿真。计算结果预测齿轮组的动力学行为,并通过对齿轮啮合的可变接触刚度进行建模获得零件载荷。工程师可以根据这些信息确认齿轮侧隙和接触传动比在整个机械系统中的分配,在寻找如齿轮敲击或齿轮低鸣等噪声的根源时用处很大。
齿轮系统可以组合进更大的系统模型,进行系统级响应和精确载荷预测研究。
发动机
LMS Virtual.Lab Motion标准发动机模块将各种工具及特征进行组合,在一个用户友好界面(Powertrain Dynamic Simulator界面)内建立细节化的发动机仿真模型。此专门工具简单易操作,用户可以在功能丰富的通用环境中建立和编辑模型,其中包括所有必要模块,包括曲柄连杆体系、配气机构、螺旋弹簧、凸轮曲线生成器、凸轮接触、流速计、燃烧、液压间隙调节器等等。
活塞润滑
用户可使用活塞润滑模块分析液膜中同轴和不同轴活塞性能,预测活塞和气缸壁之间的作用力,并施加到各移动件上。非线性压力分布以及作用在活塞和气缸上的力可通过油膜方程预测,压力分布则由间隙及其对时间的导数以及滑油粘度的函数确定。此建模方法更为详细,可提高发动机仿真和系统级载荷计算的准确性。
液力轴承
用户可通过液力轴承模块分析同轴和不同轴的液力润滑油膜经向轴承的性能,一般用于发动机曲柄上的经向轴承,曲柄销或活塞销等。此模块可以预测轴承内高度非线性的油膜压力分布,通过确定合适的力和力矩将结构振动与周围结构连接起来。提供两种算法:阻抗分析算法和基于有限元的算法。
流体弹性动力轴承
同液力轴承一样,流体弹性动力轴承模块允许用户对同轴和不同轴的液体动压油膜轴承的性能进行分析,一般应用于发动机曲柄的的经向轴承,如主轴颈、曲柄销、活塞销等。
流体弹性动力轴承模块可求解轴承内高度非线性分布的油膜压力,并计算将结构振动和周围结构连接起来的适宜力和力矩。
链和带应用
LMS Virtual.Lab Motion链和带应用模块用于快速建立详细的链带仿真模型。PDS(Powertrain Dynamic Simulator)界面可用于建立离散的皮带轮或链轮模型,以便通过LMS Virtual.Lab Motion多体动力学分析软件进行进一步的分析。同步带模块可建立单级或多级带驱动系统仿真模型,附件驱动模块可建立离散皮带轮系统模型,包括Goodyear Poly- V®汽车配件带等。链模块可建立使用滚子链连接或倒齿形链连接的离散链和链轮仿真模型。由PDS建立的链和带模型可以与配气阀、曲柄及其他能量链子系统模型结合。
履带车辆建模
LMS Virtual.Lab Motion履带车辆模块通过便捷的界面来简化复杂多零件的轨道建模。轨道材料可以是橡胶、人造橡胶带或离散的金属连接。用户界面集中了定义轨道几何、质量属性、刚度、阻尼等参数的简明信息,可通过适宜的刚度、阻尼和初始条件建立多体,所有必需的接触力特征也会自动创建。需要研究复杂动态轨道系统与地面和车辆交互作用的客户会得益于此模块极为强大的功能和用途。
丰富的轮胎模型
LMS Virtual.Lab Motion提供了丰富的轮胎模型,包括标准轮胎、TNO轮胎、进行乘用车、摩托车、卡车、商用卡车及飞行器起落装置动态仿真提供精确的整车操稳性、舒适性和耐久性分析。
三、开放的平台
LMS Virtual.Lab作为一个开放性的平台与主流的CAD软件有广泛的接口,包括,可导入零件及装配数据ProE、UGS、AUTODESK inventor等。由于Virtual.Lab基于CAV5,它可以直接读入CATIA V5的数据,作为一种将CATIA V5运动机构集成进LMS Virtual Lab的简单高效方法,用户只需一键即可实现零件、铰链和运动学约束的传递。产生动态力的元件如轮胎、弹簧、衬套等可以在传递后加到LMS Virtual.Lab Motion中来。用户可以通过LMS Virtual.Lab Motion的动力学分析、逆动力学分析、预载荷和静态分析等功能实现CATIA V5运动学分析的强化。
四、先进的多体动力学解决方案
柔性体
LMS Virtual.Lab Motion柔性体结构考虑了运动中元件的变形和模态激励,提高了多体模型的准确性。该方法将多体仿真技术和有限元分析结果(Craig-Bampton模态)或模态试验测量得到的模态结合起来。软件提供多种通用求解器的有限元分析界面,如Nastran,Ansys,Abaqus,Permas和I-deas等,用户可以直接将求解模态导入。包括应力分析的最终结果可以通过动画进行显示。
LMS Virtual.Lab Motion柔性体模块,能够提供更为复杂的柔性结构建模功能,包括各种前后处理结构分析功能,并能调用Nastran和Ansys有限元求解器。如果用户有LMS Virtual.Lab零件结构分析选项或是CATIA V5 GPS功能,可以用Craig-Bampton模态自动生成柔性体,自动将稳定杆等大型复杂柔性网格划分为子结构,并用柔性体进行接触力建模(也称为柔性接触)。对于汽车稳定杆等长的可变形零件,新方法采用组合梁的方式计算结构非线性大变形,同时又提高了传统柔性体分析速度。
多体运动设计空间探索
在Virtual.Lab Motion中支持设计空间探索模块,采用试验设计的方法在设计空间中定义一组最优实验,使用户以最小的成本获得最精确的结果和尽可能多的信息。实验设计通常与响应面建模结合。响应面建模构造的连续面通过实验设计中获得的离散数据点,用户可以更深入的了解设计变量对某一特定结果的影响。
支持高性能计算批求解器多重处理(四节点累积)
LMS Virtual.Lab多重处理批求解器可以使用户远程控制多个LMS Virtual.Lab Motion多体动力学分析。用这种方法可以使系统CPU发挥最大功能,通过license在不同机器上运行多个分析过程,或使多个分析任务在一台机器上按顺序处理。此外,用户可以监控所有已提交的批处理任务过程。
多体动力学并行求解
LMS Virtual.Lab Motion并行求解通过使用不同的并行处理器提高效率并节省运算时间。此功能将各种求解任务分配到不同处理器上,从而减少了计算时间。当处理履带车辆或链和传送带等以模块形式构建的相对大的仿真模型时,此项功能显得特别有用。
智能仿真-系统和控制的融合
为实现对机电系统进行快速高效动态仿真,LMS Virtual.Lab Motion系统和控制模块内嵌有完整的控制和液压建模元件库。控制和液压元件库可以通过LMS Virtual.Lab界面直接获取,并连接到机械系统中完成整个闭环机电系统仿真。在车辆分析研究中,用户还可以通过选择操作点和简化从动件路径的方法把非线性机械系统线性化。
系统级多属性分析
在LMS Virtual.lab平台中,结构动力学建模和分析、系统级振动噪声、声学、多体动力学、耐久性、以及设计优化一气合成,真正实现CAE驱动的功能品质设计,既在CAD原型确定前,即可对产品设计进行功能属性预测。开发工程师不必再在象以往一样在不同的分析工具间切换,节省了大量的数据格式转换的时间和精力。同时,作为一个开放的环境,LMS Virtual.lab实现了与主流CAD、CAE和试验数据的无缝连接。其特有的混合仿真(hybrid simulation)技术,将基于试验的模型和载荷与仿真模型相结合,试验数据对仿真模型的验证大大提升了设计仿真的准确性及可靠性。
一维和三维仿真的融合
LMS Virtual.Lab Motion的机电一体化界面支持机电系统设计,通过LMS Imagine.Lab和第三方软件包(如Matlab/Simulink、DSH Plus和MSC.Easy 5等)联合进行仿真。LMS Virtual.Lab Motion同时采用耦合计算方法和多物理控制的制动器系统方程对机械系统进行求解。结果可以在LMS Virtual.Lab Motion(包括三维动画)和控制软件工具中分别得到。
五、总结
LMS Virutal.Lab Motion很好地为现今多体动力学仿真中所面对的诸如刚柔混合问题,参数化、流程化设计,多学科系统级仿真、如何利用试验数据进行仿真模型验证提供了专业的解决方案,特别是利用试验数据验证有限元模型,与复杂机电、液压控制设计系统的融合,多学科系统级仿真,满足了更真实、更系统、更精准的现实需求,代表了多体动力学仿真技术的发展趋势。
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