搜索Virtual.Lab Motion新一代多體動力學軟件
2013-06-04 by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM 來源:仿真在線
LMS Virtual.Lab Motion基于LMS Virtual.Lab,這一全球第一個多學科功能品質工程平臺,很好地解決了以上現今多體仿真中所遇到的疑難。其優異的性能、廣泛深入的行業解決方案、開放的平臺,不斷對最新技術的拓展,使其成為新一代多體動力學軟件的代表,以下我們就Virtual.Lab Motion的特點和應用作詳細介紹。
LMS 來源:LMS
關鍵字:LMS Virtual.Lab Motio 多學科
為了避免高成本的物理原型試驗,現代制造業的設計中要求在實物樣機前開發出最優化的機械系統,這需要精確的動力學運動分析結果。從CAD到傳統的多體仿真軟件,完成了從運動學到多體動力學的轉變,但隨著仿真技術更快、更現實、更精確的開發要求,傳統的多體動力學解決方案已不能滿足產品開發中新的挑戰,包括寬頻段的柔性體的處理、剛柔混合問題,參數化、流程化設計,進行多學科如疲勞、振動、聲學的系統級仿真和優化,以及如何有效地利用試驗數據進行模型驗證等。
LMS Virtual.Lab Motion基于LMS Virtual.Lab,這一全球第一個多學科功能品質工程平臺,很好地解決了以上現今多體仿真中所遇到的疑難。其優異的性能、廣泛深入的行業解決方案、開放的平臺,不斷對最新技術的拓展,使其成為新一代多體動力學軟件的代表,以下我們就Virtual.Lab Motion的特點和應用作詳細介紹。
一、優異的性能
從CAD到CAE,覆蓋全面的建模過程
在Virtual.Lab Motion中建立模型時,工程師可以直接導入或建立不同零件的細節化CAD模型或幾何框架,建立能夠適當描述整個系統運動學性能的約束及零件間的連接。然后需要引入運動來進一步定義模型及其環境,準確預測系統中的時域載荷;此時除定義剛度、阻尼、接觸和摩擦等部件間作用力之外,還要給定重力、質量、及慣量等。作用力的施加可以通過一系列數字模型實現,包括特殊彈簧、阻尼器、襯套等加載形式或與周圍環境密切相關的接觸單元。簡單的力單元如基本彈簧,復雜的如精細輪胎等。
深入精細建模
基本模型建立后,可以通過更為詳細的受力描述得以細化。例如,當一個結構的剛度不足以將其視為剛體時,工程師可以用柔性體來描述該結構。根據結構本身仿真結果或外部導入的試驗數據可以確定結構模態振型,結構在相應的外載作用下產生變形。起媒介作用的長柔性體如懸架穩定桿或風力渦輪機葉片等,可自動分解為多個梁的組合結構,用于計算結構受載時總的非線性變形。LMS Virtual.Lab Motion多體動力學軟件中有對輪胎力、襯套力、彈性體接觸、齒輪接觸、梁、發動機、燃燒載荷、液力軸承、空氣動力等多種模型的詳細建模模板。
穩定快速的求解及豐富的后處理功能
當模型建立后,工程師可進行求解并同時用動畫和圖表查看結果。為更好理解模型行為,工程師可以方便地改進原有設計使結構具有目標性能,包括所涉及的載荷和應力分析。當模型包含液壓、作動器、電磁等非常明確詳細的控制和力的作用時,工程師可利用包含在LMS Virtual.Lab 和LMS Imagine.Lab AMESim中完備的機電分析功能進行聯合仿真。
易用性
LMS Virtual.Lab Motion擁有專用設計模塊,這些模塊能夠幫助使用者提高效率,快速建立所需的專業詳細模型,這大大縮短了手工建模的時間。專業分析模塊界面位于Virtual.Lab Motion的上方,方便工程師進行建模和分析工況的設置。除專用模塊外,使用Virtual.Lab Motion可以將現有子機構裝配成一個系統。通過這種方法,公司中的子系統設計部門可以在保持系統級密切協同的同時獨立進行工作。
集成性
LMS Virtual.Lab提供進行多屬性仿真的無縫集成環境。由于系統參數化和系統關聯性,工程師可以以簡單高效的方式解決模型中的問題并實現模型優化。當一個模型參數改變時,程序自動分多級對動力學運動仿真和耐久性及NVH分析結果進行更新。此外,可以使用設計桌面來實現對一整套參數的一鍵修改,既節省時間,又防止在文件調用和更新中出錯,使工程師可以將更多的時間花在實際分析階段而非建模階段。
自動操作
基于VBA(visual basic 應用)日志和腳本對任何重復性過程自動進行操作的能力是LMS Virtual.Lab Motion的另一個優點。工程師可以通過在LMS Virtual.Lab多體動力學內部或頂層建立專用的圖形用戶界面來實現對某一特定過程的自動操作。這樣不僅消除了大量重復性工作,節省了時間,也使仿真過程的重心由當前設計的性能分析轉移到整個設計的性能優化上來。
強大的前后處理功能
LMS Virtual.Lab Motion包括所有進行建模和多體仿真分析所需的基本功能。求解器不包括在該平臺中,但輸入文件/結果文件可以導入/導出求解器。LMS Virtual.Lab多體前后處理適用于對前后處理的需要超過對求解器資源需要的部門。
利用動畫顯示功能可以看到柔性體中零件的變形、進行動力學運動過程中的干涉檢測以及更為復雜的運動。此外,其特殊功能還允許用戶檢查動畫中的掃描體積、力向量以及其它更多結果。多種圖表功能能夠使用戶觀察到系統中每個構件的全部運動細節,如平動和轉動位移、速度和加速度等。對系統中所有載荷結果,包括內部、外部的力和力矩、零件的內應力等,都能進行圖表顯示。為方便分析者工作,亦提供懸架和汽車的專用后處理器及其它用戶自定義模板的畫圖功能。高級用戶界面支持VB日志及腳本,可以讓用戶將精力集中在工作的設計分析和優化部分,而無需在設計建模和更新上花費大量無價值的額外時間。
LMS Virtual.Lab Motion前后處理的特性包括:
?· CATIA V5幾何建模
? ·通過動力學鉸鏈和約束進行機構組裝
? ·子機構法進行模塊裝配
? ·基于剛度、阻尼、摩擦、接觸或其他定義進行動力學建模
? ·基于更高層次的力單元進行動力學建模
? ·基于已有的有限元數據(仿真或實驗方法得到)對柔性體進行建模
? ·3D動畫
? ·所有結構圖表顯示
? ·干涉檢查,掃掠體積及力向量的可視化
? ·動力學模型自動轉換為用于NVM的有限元裝配模型
? ·動力學模型與ADAMS模型自動相互轉換
? ·基于日志和腳本的自動操作功能
總之,LMS Virtual.Lab Motion相較于傳統的多體動力學分析軟件,具有突出的以下特點:
?
·基于DADS高效、穩定的求解器,并與基于相對坐標的遞歸算法 (方程形式復雜、數量小)相結合
? ·寬頻段的柔性體處理技術,出色的剛柔混合多體動力學分析。
? ·可直接讀入試驗的模態信息,進行多體動力學和試驗的混合計算仿真
? ·基于Catia的建模環境,使CAD數據與多體動力學數據集成于一個數據環境中,省卻了數據轉換的過程。同時操作上繼承了CAD的操作風格和思維習慣
? ·多學科仿真分析的高度集成,與有限元分析、疲勞、聲學、NVH和優化集成于同一界面、同一數據文件中,真正意義上實現了多學科的集成。
? ·強大的CAD接觸和柔性體接觸計算功能
? ·出色的模型參數化功能
? ·高效全面的建模工具箱,如:履帶、齒輪、鏈條、皮帶和發動機等。
? ·強大的客戶訂制功能,支持二次開發
二.廣泛的應用領域
LMS Virutal.Lab Motion泛地應用于航空航天、汽車、船舶、國防、工程機械、家電、汽車零部件、機床等機械制造設計領域,除了通用機械多體動力學仿真之外,它同時擁有強大的行業專業解決方案:
LMS Virtual.Lab Vehicle Motion 車輛動力學
懸架建模
LMS Virtual.Lab Motion懸架模塊為車輛懸架建模提供專門易用的界面。該界面可指導用戶整個懸架建模和分析過程,從硬點位置輸入和零件及連接定義一直到應用于虛擬振動臺架測試的專用后處理功能。用戶可以以一個預定義的懸架模板為初始模型進行建模,可大幅提高效率。
人機工程
LMS Virtual.Lab中的IPG-DRIVER增加了多體車輛仿真中人的因素,在極端真實的環境下對車輛動態性能測試進行閉環機動仿真。由德國IPG Automotive公司開發了15年以上的IPG-DRIVER是工業標準駕駛員模型,無縫集成在LMS Virtual.Lab Motion中。用戶可以選擇所需路徑和速度及驅動方式,由IPG-DRIVER計算油門、剎車、離合器踏板位置、變速箱位置及方向盤輸入。
整車
LMS Virtual.Lab Motion車輛建模模塊向底盤和懸架分析師提供專業易用的界面進行車輛建模,可進行操縱和轉向、乘用舒適型,路面噪音和耐久性分析等。該模塊允許用戶進行模塊化汽車裝配,所用子系統包括懸架系統、轉向系統、制動系統、動力和傳動系統等。
車輛仿真包括對汽車標準化活動的多重運算。包括ISO機動在內的預定義車輛運行活動庫可以通過任意用戶定義的活動過程進行擴充。虛擬汽車有兩種驅動方式,一種是運動學驅動(開環控制),另一種是由LMS Virtual.Lab Motion內置的控制算法控制,在確定的路徑上運動(閉環)。此外,IPG駕駛員模型引入復雜的駕駛員-汽車交互作用,使動力學汽車模型中包含了人的作用。
為了將動力分析的結果作為下游耐久性和舒適性分析的輸入,在LMS Virtual.Lab 耐久性和LMS Virtual.Lab振動與噪聲模塊中進行分析,關鍵的一步是對輪胎和路面進行精確建模。LMS Virtual.Lab多體動力學提供一系列專用輪胎模型,其特殊應用范圍從低頻(<10Hz)基本操縱和轉向分析一直到高頻(<100Hz)復雜的舒適性和耐久性分析。LMS Virtual.Lab 的TNO MF 輪胎基于著名的魔術方程(Magic Formula)經驗模型,而LMS Virtual.Lab 的TNO MF Swift 和LMS CD Tire都基于物理模型。TNO MF輪胎為概念性研究和操縱仿真提供精確的可升級的輪胎模型;TNO MF Swift最適用于乘用性能分析。LMS CD Tire用在舒適性和耐久性研究中,提供可進行升級的2D, 2.5D和3D方法,準確跟蹤高達80Hz的輪胎振動。除了這些特殊的輪胎模型以外,軟件還提供簡化版的輪胎模型,用于輪胎性能在整個設計中并不重要的車輛建模。LMS Virtual.Lab多體動力學模塊提供的路面建模方法也允許對路面模型進行升級,從2D平滑路面一直到數字化試車跑道解決方案,允許對任何用于計算和模型顯示的試驗場進行數字化重建。
LMS Virtual.Lab Landing Gear 起落架
起落架系統專用仿真解決方案允許研發小組建立能夠可靠地進行真實性能仿真的飛機起落架詳細模型。小組成員可以很快獲取多種設計方案,在原型生產之前實現飛機最優化設計。LMS Virtual.Lab起落架模塊是在與多個飛機和起落架生產商的密切合作過程中發展出來的,可以應對起落架工程中的挑戰并預測如著陸、滑行、起飛等典型飛機運動中總的系統載荷。
LMS Virtual.Lab起落架可以讓小組成員對起落架動力學性能以及可靠性、穩定性和安全性等全部工作特性進行詳細而深入的觀察。在飛機降落、起飛和滑行機動時,起落架裝配體必須能吸收大量能量而不產生超出動態載荷極限值的反作用力。動力學運動仿真可以同時采用剛體和柔性體模型,幫助工程師調整起落架設計以達到目標動力學性能。LMS Virtual.Lab起落架也可以對新的設計系統進行極端工況或破壞載荷下的響應估算,這方面的物理實驗往往是極為危險或成本極高的。
該模塊的應用界面是在利用VBA腳本功能在Virtual.Lab多體動力學頂層開發出來的,可以根據其它類似的用戶需要進行客戶定制和重新生成。
LMS Virtual.Lab Race Car 賽車
與頂級賽車組共同合作開發的LMS Virtual.Lab賽車模塊是為職業賽車隊量身打造的仿真解決方案。這一解決方案使他們能夠快速地評估復雜的賽車仿真性能,避免模型創建過程中的錯誤,并且節省相當多的時間。LMS Virtual.Lab Motion能夠直接獲取相關的車輛參數,基于這種方式可以指導用戶完成一個非常有效的流程,涵蓋整個汽車裝配、動態仿真過程并生成結果報告。LMS Virtual.Lab Motion在軟件后臺進行多種自動化分析,包括穩態轉向、動態操縱、7柱臺架實驗或者運動學和柔性臺架實驗等;各種運行方式允許用戶進行實驗設計及賽車拓撲結構的優化。賽車隊的專家非常贊賞仿真解決方案的有效性和簡單操作,這使得他們能夠在測試和比賽的過程中,在賽道上對整車進行研究。
齒輪
齒輪建模界面能自動對有關斜齒輪和直齒輪、地面機車或通用機械應用中齒輪組系統等進行定義和仿真。計算結果預測齒輪組的動力學行為,并通過對齒輪嚙合的可變接觸剛度進行建模獲得零件載荷。工程師可以根據這些信息確認齒輪側隙和接觸傳動比在整個機械系統中的分配,在尋找如齒輪敲擊或齒輪低鳴等噪聲的根源時用處很大。
齒輪系統可以組合進更大的系統模型,進行系統級響應和精確載荷預測研究。
發動機
LMS Virtual.Lab Motion標準發動機模塊將各種工具及特征進行組合,在一個用戶友好界面(Powertrain Dynamic Simulator界面)內建立細節化的發動機仿真模型。此專門工具簡單易操作,用戶可以在功能豐富的通用環境中建立和編輯模型,其中包括所有必要模塊,包括曲柄連桿體系、配氣機構、螺旋彈簧、凸輪曲線生成器、凸輪接觸、流速計、燃燒、液壓間隙調節器等等。
活塞潤滑
用戶可使用活塞潤滑模塊分析液膜中同軸和不同軸活塞性能,預測活塞和氣缸壁之間的作用力,并施加到各移動件上。非線性壓力分布以及作用在活塞和氣缸上的力可通過油膜方程預測,壓力分布則由間隙及其對時間的導數以及滑油粘度的函數確定。此建模方法更為詳細,可提高發動機仿真和系統級載荷計算的準確性。
液力軸承
用戶可通過液力軸承模塊分析同軸和不同軸的液力潤滑油膜經向軸承的性能,一般用于發動機曲柄上的經向軸承,曲柄銷或活塞銷等。此模塊可以預測軸承內高度非線性的油膜壓力分布,通過確定合適的力和力矩將結構振動與周圍結構連接起來。提供兩種算法:阻抗分析算法和基于有限元的算法。
流體彈性動力軸承
同液力軸承一樣,流體彈性動力軸承模塊允許用戶對同軸和不同軸的液體動壓油膜軸承的性能進行分析,一般應用于發動機曲柄的的經向軸承,如主軸頸、曲柄銷、活塞銷等。
流體彈性動力軸承模塊可求解軸承內高度非線性分布的油膜壓力,并計算將結構振動和周圍結構連接起來的適宜力和力矩。
鏈和帶應用
LMS Virtual.Lab Motion鏈和帶應用模塊用于快速建立詳細的鏈帶仿真模型。PDS(Powertrain Dynamic Simulator)界面可用于建立離散的皮帶輪或鏈輪模型,以便通過LMS Virtual.Lab Motion多體動力學分析軟件進行進一步的分析。同步帶模塊可建立單級或多級帶驅動系統仿真模型,附件驅動模塊可建立離散皮帶輪系統模型,包括Goodyear Poly- V?汽車配件帶等。鏈模塊可建立使用滾子鏈連接或倒齒形鏈連接的離散鏈和鏈輪仿真模型。由PDS建立的鏈和帶模型可以與配氣閥、曲柄及其他能量鏈子系統模型結合。
履帶車輛建模
LMS Virtual.Lab Motion履帶車輛模塊通過便捷的界面來簡化復雜多零件的軌道建模。軌道材料可以是橡膠、人造橡膠帶或離散的金屬連接。用戶界面集中了定義軌道幾何、質量屬性、剛度、阻尼等參數的簡明信息,可通過適宜的剛度、阻尼和初始條件建立多體,所有必需的接觸力特征也會自動創建。需要研究復雜動態軌道系統與地面和車輛交互作用的客戶會得益于此模塊極為強大的功能和用途。
豐富的輪胎模型
LMS Virtual.Lab Motion提供了豐富的輪胎模型,包括標準輪胎、TNO輪胎、進行乘用車、摩托車、卡車、商用卡車及飛行器起落裝置動態仿真提供精確的整車操穩性、舒適性和耐久性分析。
三、開放的平臺
LMS Virtual.Lab作為一個開放性的平臺與主流的CAD軟件有廣泛的接口,包括,可導入零件及裝配數據ProE、UGS、AUTODESK inventor等。由于Virtual.Lab基于CAV5,它可以直接讀入CATIA V5的數據,作為一種將CATIA V5運動機構集成進LMS Virtual Lab的簡單高效方法,用戶只需一鍵即可實現零件、鉸鏈和運動學約束的傳遞。產生動態力的元件如輪胎、彈簧、襯套等可以在傳遞后加到LMS Virtual.Lab Motion中來。用戶可以通過LMS Virtual.Lab Motion的動力學分析、逆動力學分析、預載荷和靜態分析等功能實現CATIA V5運動學分析的強化。
四、先進的多體動力學解決方案
柔性體
LMS Virtual.Lab Motion柔性體結構考慮了運動中元件的變形和模態激勵,提高了多體模型的準確性。該方法將多體仿真技術和有限元分析結果(Craig-Bampton模態)或模態試驗測量得到的模態結合起來。軟件提供多種通用求解器的有限元分析界面,如Nastran,Ansys,Abaqus,Permas和I-deas等,用戶可以直接將求解模態導入。包括應力分析的最終結果可以通過動畫進行顯示。
LMS Virtual.Lab Motion柔性體模塊,能夠提供更為復雜的柔性結構建模功能,包括各種前后處理結構分析功能,并能調用Nastran和Ansys有限元求解器。如果用戶有LMS Virtual.Lab零件結構分析選項或是CATIA V5 GPS功能,可以用Craig-Bampton模態自動生成柔性體,自動將穩定桿等大型復雜柔性網格劃分為子結構,并用柔性體進行接觸力建模(也稱為柔性接觸)。對于汽車穩定桿等長的可變形零件,新方法采用組合梁的方式計算結構非線性大變形,同時又提高了傳統柔性體分析速度。
多體運動設計空間探索
在Virtual.Lab Motion中支持設計空間探索模塊,采用試驗設計的方法在設計空間中定義一組最優實驗,使用戶以最小的成本獲得最精確的結果和盡可能多的信息。實驗設計通常與響應面建模結合。響應面建模構造的連續面通過實驗設計中獲得的離散數據點,用戶可以更深入的了解設計變量對某一特定結果的影響。
支持高性能計算批求解器多重處理(四節點累積)
LMS Virtual.Lab多重處理批求解器可以使用戶遠程控制多個LMS Virtual.Lab Motion多體動力學分析。用這種方法可以使系統CPU發揮最大功能,通過license在不同機器上運行多個分析過程,或使多個分析任務在一臺機器上按順序處理。此外,用戶可以監控所有已提交的批處理任務過程。
多體動力學并行求解
LMS Virtual.Lab Motion并行求解通過使用不同的并行處理器提高效率并節省運算時間。此功能將各種求解任務分配到不同處理器上,從而減少了計算時間。當處理履帶車輛或鏈和傳送帶等以模塊形式構建的相對大的仿真模型時,此項功能顯得特別有用。
智能仿真-系統和控制的融合
為實現對機電系統進行快速高效動態仿真,LMS Virtual.Lab Motion系統和控制模塊內嵌有完整的控制和液壓建模元件庫。控制和液壓元件庫可以通過LMS Virtual.Lab界面直接獲取,并連接到機械系統中完成整個閉環機電系統仿真。在車輛分析研究中,用戶還可以通過選擇操作點和簡化從動件路徑的方法把非線性機械系統線性化。
系統級多屬性分析
在LMS Virtual.lab平臺中,結構動力學建模和分析、系統級振動噪聲、聲學、多體動力學、耐久性、以及設計優化一氣合成,真正實現CAE驅動的功能品質設計,既在CAD原型確定前,即可對產品設計進行功能屬性預測。開發工程師不必再在象以往一樣在不同的分析工具間切換,節省了大量的數據格式轉換的時間和精力。同時,作為一個開放的環境,LMS Virtual.lab實現了與主流CAD、CAE和試驗數據的無縫連接。其特有的混合仿真(hybrid simulation)技術,將基于試驗的模型和載荷與仿真模型相結合,試驗數據對仿真模型的驗證大大提升了設計仿真的準確性及可靠性。
一維和三維仿真的融合
LMS Virtual.Lab Motion的機電一體化界面支持機電系統設計,通過LMS Imagine.Lab和第三方軟件包(如Matlab/Simulink、DSH Plus和MSC.Easy 5等)聯合進行仿真。LMS Virtual.Lab Motion同時采用耦合計算方法和多物理控制的制動器系統方程對機械系統進行求解。結果可以在LMS Virtual.Lab Motion(包括三維動畫)和控制軟件工具中分別得到。
五、總結
LMS Virutal.Lab Motion很好地為現今多體動力學仿真中所面對的諸如剛柔混合問題,參數化、流程化設計,多學科系統級仿真、如何利用試驗數據進行仿真模型驗證提供了專業的解決方案,特別是利用試驗數據驗證有限元模型,與復雜機電、液壓控制設計系統的融合,多學科系統級仿真,滿足了更真實、更系統、更精準的現實需求,代表了多體動力學仿真技術的發展趨勢。
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