Как выполнить моделирование движения в Nx Siemens: расчеты и рекомендации по настройке

Моделирование движения в NX Siemens (также известное как Simcenter 3D Motion или NX Motion) является мощным инструментом анализа динамики мультитела, который позволяет инженерам и дизайнерам оценивать кинематическое и динамическое поведение механических сборок перед физическим прототипированием. Это приложение предоставляет инструменты для моделирования и оценки большого смещения сложных движений механических систем, помогая командам выявлять проблемы проектирования, оптимизировать производительность и снижать затраты на разработку. Независимо от того, анализируете ли вы простой механизм связи или сложную систему автомобильной подвески, понимание того, как правильно настроить и выполнить моделирование движения, имеет важное значение для точных результатов и значимых идей.

Это всеобъемлющее руководство проведет вас через полный процесс выполнения моделирования движения в NX Siemens, от начальной подготовки модели до передовых методов расчета и интерпретации результатов. Вы узнаете лучшие практики для определения тел движения, создания соединений, применения сил и драйверов, настройки решателя настроек и извлечения инженерных данных из ваших симуляций.

Понимание основ моделирования движения NX

Прежде чем погрузиться в техническую настройку, важно понять, что делает моделирование движения и чем оно отличается от других типов анализа. Моделирование движения анализирует, как механические сборки движутся с течением времени, вычисляя положения, скорости, ускорения и силы на протяжении всего цикла движения. NX обеспечивает общую среду для выполнения проектирования, моделирования движения и расширенного структурного анализа, позволяя обмениваться данными и моделями для большей производительности команды.

Среда моделирования движения в NX использует подход многотеловой динамики, где отдельные компоненты или группы компонентов рассматриваются как жесткие или гибкие тела, соединенные соединениями и находящиеся под влиянием сил, крутящих моментов, пружин, демпферов и контактов. Такой подход позволяет точно моделировать сложные механические системы при сохранении вычислительной эффективности.

Ключевые компоненты моделирования движения

Каждая модель движения в NX состоит из нескольких основных элементов, которые работают вместе, чтобы определить механическую систему:

Доступ к среде моделирования движения

Для начала работы с моделированием движения в NX сначала нужно получить доступ к приложению Motion. Из меню: Application → Simulation → motion, или из вкладки Application: simulation group → motion. Точный путь меню может незначительно отличаться в зависимости от того, используете ли вы автономный NX или Simcenter 3D, но функциональность остается согласованной в разных версиях.

После входа в среду Motion вы заметите изменения интерфейса для предоставления инструментов и команд, специфичных для движения. Интерфейс ленты отображает связанные с движением группы, включая механизмы, решения, результаты и элементы управления анимацией. Появляется панель Motion Navigator, которая служит вашим основным организационным инструментом для управления всеми объектами движения в вашем симуляторе.

Подготовьте свою модель CAD для моделирования движения

Надлежащая подготовка модели имеет решающее значение для успешного моделирования движения. Качество результатов моделирования в значительной степени зависит от того, насколько хорошо вы подготовили геометрию САПР и структуру сборки. Эта фаза подготовки включает в себя несколько важных шагов, которые гарантируют, что ваша модель готова к анализу движения.

Структура Ассамблеи и организация

Начните с открытия файла главной сборки в NX. Ваша сборка должна быть правильно структурирована со всеми компонентами, правильно расположенными и ориентированными. Проверьте, что все части загружены и видны в графическом окне. Если вы работаете с большой сборкой, рассмотрите возможность упрощения модели путем подавления несущественных компонентов, которые не участвуют в анализируемом движении.

Проверьте свои ограничения сборки, чтобы убедиться, что компоненты правильно расположены. В то время как NX Motion не использует непосредственно ограничения сборки для моделирования (вместо этого он использует соединения), наличие хорошо ограниченной сборки помогает обеспечить геометрическую правильность вашей модели, прежде чем вы начнете определять объекты движения. Мастер Motion Joint Wizard может автоматически преобразовывать ограничения сборки в соединения движения, что может значительно ускорить процесс настройки.

Обнаружение помех и проверка клиренса

Перед тем, как приступить к настройке моделирования, проведите проверку помех на сборке. Используйте инструменты анализа NX для обнаружения любых перекрывающихся геометрий или условий помех. Моделирование движения предполагает, что ваша первоначальная конфигурация действительна, поэтому, начиная с мешающих компонентов, может привести к ошибкам решателя или нереалистичным результатам. Решайте любые проблемы помех, регулируя положения компонентов или изменяя геометрию по мере необходимости.

Также убедитесь, что движущиеся компоненты имеют достаточный клиренс для предполагаемого диапазона движения. Рассмотрим полный путь перемещения каждого компонента и убедитесь, что есть достаточно места для движения без столкновения (если вы специально не моделируете условия контакта).

Массовые имущественные соображения

Для динамического анализа необходимы точные свойства массы. NX может автоматически вычислять свойства массы из вашей твердой геометрии, но вам нужно убедиться, что материалы правильно назначены всем компонентам. Пройдите через свою сборку и убедитесь, что каждая часть имеет правильный материал, назначенный с соответствующими значениями плотности.

Для кинематического моделирования свойств массы не требуется, так как кинематический анализ рассматривает только геометрию движения без учета сил и инерции.Однако если вы планируете выполнить динамический анализ позже, то хорошей практикой является настройка свойств массы с самого начала.

Создание новой симуляции движения

При подготовке модели вы готовы создать новую имитацию движения. Этот процесс устанавливает файл моделирования и определяет параметры фундаментального анализа, которые будут регулировать ваше исследование.

Инициирование файла моделирования

Выберите вкладку Home → Группа решений → Новая симуляция. Это открывает диалоговое окно New Simulation, где вы настроите основные настройки моделирования. Шаблон ссылок, который использует соответствующие единицы измерения, выбирается автоматически, но вы должны убедиться, что единицы соответствуют системе единиц вашей модели.

В группе «Новое имя файла» в поле «Имя» введите уникальное имя. Это имя должно отличаться от имени файла главной части. Выберите описательное имя, которое четко определяет цель моделирования, такую как «suspension analysis» или «linkage motion study». Это помогает поддерживать организацию, особенно при работе с несколькими сценариями моделирования.

Чтобы изменить папку для файла моделирования, нажмите «Просмотр» рядом с окном папки, выберите нужную папку, а затем нажмите «ОК». По умолчанию NX создает файл моделирования в том же каталоге, что и ваша основная часть, но вы можете организовать файлы моделирования в отдельной подпапке, если это предпочтительнее.

Выбор типа анализа: кинематика против динамики

После нажатия OK в диалоговом окне «Новое моделирование» появляется диалоговое окно «Окружающая среда». Именно здесь вы принимаете одно из самых важных решений в своей настройке моделирования: выбор между кинематическим и динамическим анализом.

В диалоговом окне «Окружающая среда», в группе «Анализный тип», нажмите «Кинематика» или «Динамика», чтобы указать тип моделирования. Понимание разницы между этими типами анализа имеет решающее значение для получения значимых результатов:

Кинематический анализ:] Этот тип анализа изучает чистое движение без учета сил, масс или инерции. Движение полностью определяется совместными ограничениями и драйверами движения, которые вы определяете. Кинематический анализ быстрее решается и полезен, когда вам нужно только понять, как компоненты движутся относительно друг друга, проверить клиренсы или проверить диапазон движения. Он идеально подходит для первоначальной проверки дизайна и визуализации движения.

Динамичный анализ: Этот тип анализа учитывает силы, массы, инерцию и все физические эффекты, влияющие на движение. Решитель вычисляет, как механизм реагирует на приложенные силы и крутящие моменты, учитывая массу и инерционные свойства всех компонентов.Динамичный анализ необходим, когда вам нужно определить силы реакции, рассчитать требования к мощности, оценить вибрационные характеристики или понять, как механизм ведет себя в реалистичных условиях нагрузки.

Компонентная опция моделирования

Если вы хотите иметь возможность создавать ссылки, используя только компоненты сборки, выберите контрольный блок моделирования на основе компонентов. Это обеспечивает полную совместимость с приложением Assemblies, что требуется для некоторых функций Motion, таких как создание последовательности сборки, захват устройства сборки или взрыв механизма.

Моделирование на основе компонентов особенно полезно при работе со сложными сборками, где нужно поддерживать четкую связь между телами движения и компонентами сборки. Это упрощает процесс идентификации того, какие части принадлежат к какому телу движения.

Использование Motion Joint Wizard

Чтобы автоматически преобразовать любые ограничения сборки (или устаревшие условия спаривания) и объекты Mechatronics Concept Designer в звенья, соединения и другие объекты движения, выберите «Совместный мастер запуска» в флажке «Новая имитация». Эта мощная функция может сэкономить значительное время настройки, автоматически создавая объекты движения на основе существующих ограничений сборки.

Если появится диалоговое окно Motion Joint Wizard, просмотрите отображаемую информацию. Если вы не хотите конвертировать конкретное ограничение в совместное, выберите ограничение, а затем нажмите Toggle Active Status. Когда вы закончите, нажмите OK. Мастер разумно интерпретирует ограничения сборки и создает соответствующие типы соединений, хотя вы всегда должны просматривать и проверять автоматически созданные соединения, чтобы убедиться, что они соответствуют вашему намерению моделирования.

Определяя движущиеся тела (ссылки)

Тела движения, также называемые звеньями, являются основными строительными блоками вашего моделирования движения. Каждое тело движения представляет собой жесткий компонент или группу компонентов, которые движутся вместе как единое целое. Правильное определение тел движения имеет важное значение для точных результатов моделирования.

Создание движущихся тел

Нажмите кнопку «Тело движения» на домашней вкладке. Цель состоит в том, чтобы определить тела движения в механизме. Когда вы активируете команду тела движения, вы увидите диалоговое окно «Тело движения», где вы можете выбрать компоненты и настроить свойства тела.

В графическом окне выберите корпуса как один механизм. Вы можете выбрать отдельные части или несколько частей, которые должны двигаться вместе. Например, если у вас есть вал с нажатой на него передачей, оба компонента обычно должны быть выбраны как одно движущееся тело, поскольку они движутся как один жесткий блок.

Названия движущихся объектов (таких как тела движения) не могут содержать пространства. Используйте вместо них знаки подчеркивания или соглашения об именах верблюдов, такие как «верхняя рука» или «crankshaft assembly». Описательные имена значительно облегчают управление сложными механизмами со многими телами движения.

Фиксированные тела движения

В группе настроек проверьте фиксацию тела движения без соединения, если вы хотите его зафиксировать. Фиксированные тела движения представляют собой стационарную систему отсчета для вашего механизма, часто называемую «землей» в терминологии динамики мультитела. Основа механизма неподвижна и не должна определяться как тело движения, или, если определено, должна быть фиксирована.

Как правило, у вас будет одно фиксированное тело, которое представляет монтажную структуру или основу вашего механизма. Все другие движущиеся тела движутся относительно этой фиксированной ссылки. В некоторых случаях вам может не понадобиться явно создавать фиксированное тело движения - вы можете определить соединения непосредственно на "землю", которая представляет глобальную систему координат.

Массовые свойства для движущихся тел

Для динамического моделирования NX автоматически вычисляет свойства массы (массы, центра тяжести, моментов инерции) из твердой геометрии компонентов в каждом теле движения. Вы можете просмотреть эти вычисленные свойства в диалоговом окне Motion Body. При необходимости вы можете переопределить автоматические вычисления и указать пользовательские свойства массы, что полезно при моделировании упрощенной геометрии или когда вы измерили свойства массы из физических компонентов.

Проверить, что рассчитанные свойства массы разумны. Нереалистичные значения массы (слишком большие или слишком маленькие) могут вызвать проблемы с конвергенцией решателя или привести к бессмысленным результатам. Если вы заметили неожиданные значения массы, проверьте, что материалы правильно назначены и что ваши модельные единицы последовательны.

Создание и настройка суставов

Соединения — это соединители, которые определяют, как движущиеся тела могут двигаться относительно друг друга. Совместное движение всегда определяется как движение тела действия (первое звено в совместном определении, также называемое маркером i) относительно базового тела (второе звено или маркер j). Понимание типов суставов и их правильной настройки имеет важное значение для создания точных имитаций движения.

Общие типы суставов в движении NX

NX Motion предоставляет полную библиотеку типов соединений для моделирования различных механических соединений. Вот наиболее часто используемые соединения:

Револьтный сустав соединяет два звена. Он имеет 1 степень свободы, одну степень свободы вращения вокруг оси Z. Это наиболее распространенный тип суставов, используемый для шарниров, штифтовых соединений и вращающихся валов. Примеры включают дверные шарниры, колесные оси и роботизированные суставы рук.

Скользящий сустав: Скользящий сустав соединяет два звена. Он имеет 1 степень свободы, допуская одну трансляционную степень свободы. Скользящие соединения не допускают вращательного движения между двумя звеньями. Используйте слайдерные соединения для поршней, линейных приводов и любого механизма с чистым трансляционным движением.

Цилиндрический сустав: Цилиндрический сустав соединяет два звена. Он имеет две степени свободы: револьвер и ползунок. Этот сустав позволяет как вращение, так и перевод по одной оси, как болт в клиренс-дырке или телескопический вал.

Сферический сустав: Также известный как шаровой сустав, это соединение позволяет три степени свободы вращения, ограничивая при этом все поступательное движение.Сферические суставы используются в автомобильных подвесках, роботизированных запястьях и универсальных соединениях.

Универсальный сустав: Этот сустав позволяет иметь две степени свободы вращения вокруг перпендикулярных осей, обычно используемых в приводных валах и рулевом управлении.

Фиксированный сустав: Этот сустав полностью ограничивает все относительное движение между двумя телами, эффективно заставляя их двигаться как одно целое. Он полезен для временной блокировки определенных соединений или для моделирования сварных или болтовых соединений.

Пошаговый процесс совместного создания

Создание сустава в NX Motion включает в себя несколько шагов, которые определяют как геометрическое расположение, так и кинематическое поведение соединения.Пройдемся по процессу, используя револьвированный сустав в качестве примера:

Шаг 1: Доступ к Объединенному командованию

Из меню: Вставить → суставная, или Домашняя вкладка: Механизмная группа → суставная.Открывается диалоговое окно Joint, отображающее параметры для совместного типа и конфигурации.

Шаг 2: Выберите тип соединения

В списке типов выберите подходящий тип соединения для вашего соединения. Для этого примера выберите Revolute. Обновления диалогового окна для отображения опций, специфичных для выбранного типа соединения.

Шаг 3: Определите тело действия

В группе действий выберите тело движения активное, выберите тело движения в графическом окне. И выберите указать происхождение тела движения. Точка происхождения определяет, где находится сустав. Для револьверного сустава это центр вращения. Выберите точку, вершину или используйте инструменты построения точки для указания точного местоположения.

Шаг 4: Определение ориентации сустава

В списке типов ориентации можно выбрать вектор или CSYS. Для этого примера выберите векторный вариант. В графическом окне выберите заданный вектор тела движения. Для револьверного сустава выберите вектор, вокруг которого должен вращаться сустав; ваш выбор определяет Z направление совместной системы координат.

Ориентация имеет решающее значение, поскольку она определяет ось вращения (для револьверных соединений) или направление трансляции (для слайдерных соединений).Программное обеспечение автоматически вычисляет два других направления совместной системы координат.

Шаг 5: Определите базовый корпус

In the base group, select the base of motion. This is the second body in the joint connection. For the Base link, you can select anywhere on the link; you do not need to define an orientation. If you want the joint to connect to ground (the fixed reference frame) instead of another motion body, leave the base selection empty.

Шаг 6: Назовите сустав

Введите название сустава в поле имен. Используйте описательные названия, которые указывают на функцию или местоположение сустава, такие как «elbow hinge» или «piston slider».

Шаг 7: Настройка совместных пределов (факультативно)

Для определения пределов движения сустава (для револьверных или ползунок): Выберите флажок «Пределы». Введите значения для верхнего и нижнего. Они представляют собой максимальные и минимальные предельные значения. Совместные пределы препятствуют выходу механизма за пределы физически реалистичных диапазонов, например, ограничение дверного шарнира до 0-120 градусов вращения.

Шаг 8: Завершите совместное

Нажмите Apply или OK, чтобы завершить совместное определение. Графическое представление соединения появляется в графическом окне, а в Motion Navigator появляется совместный узел.

Расширенные совместные функции

Совместное трение:] Чтобы включить эффекты трения в револьвутные, ползунки, цилиндрические, универсальные и сферические соединения: Нажмите вкладку Фрикция. Вы можете указать коэффициенты трения для моделирования рассеивания энергии и сопротивления в суставе, что важно для реалистичного динамического моделирования.

3D Контакты: Для сложного взаимодействия между телами, особенно когда пределов соединения недостаточно, можно использовать определения 3D-контактов. Пределы применяются только к драйверу артикуляции, а для всего остального 3D-контакты — это путь. Контакты позволяют телам физически взаимодействовать, генерируя силы реакции, когда поверхности вступают в контакт.

Специальные совместные супружеские пары

NX Motion предоставляет команды сопряжения, которые создают отношения между несколькими соединениями, позволяя моделировать сложные механические соединения:

Gear Coupler: В моделировании движения Siemens nx для создания анимации передач мы будем использовать команду сцепления передач. Она использует для определения относительного вращательного движения между двумя суставами. Это позволяет моделировать передаточные поезда без создания детальной геометрии зубца передач.

Рэк и Пинион: Рак и Пинион определяют относительное движение между слайдерским и револьверным суставами. Это полезно для преобразования вращательного движения в линейное или наоборот.

Кабельное движение:Кабельное движение определяет относительное движение между двумя слайдерскими соединениями. Если один слайдер перемещается, подключенный слайдер также перемещается. Эта модель кабельной и шкивной систем, где движение передается через гибкие кабели.

Совместный соединитель: 2—3 команды соединительных спариваний используют для определения относительного движения между двумя или тремя револьвутными, ползучими и цилиндрическими соединениями.Это позволяет создавать пользовательские кинематические отношения между соединениями с заданными соотношениями.

Добавление драйверов движения

Драйверы движения определяют, как суставы движутся с течением времени, обеспечивая вход, который управляет вашим механизмом. Без драйверов кинематическое моделирование не имеет движения, а динамическое моделирование будет реагировать только на приложенные силы и начальные условия. Правильно настроенные драйверы необходимы для управления и анализа поведения механизма.

Доступ к Drive Table

Нажмите на таблицу дисков в совместном диалоге. В списке вращения вы можете выбрать ни один, многочлен, гармонику, функцию, управление. К таблице дисков можно получить доступ из Объединенного диалогового окна, что позволяет добавлять ввод движения в любой сустав со степенями свободы.

Типы и приложения водителя

Постоянный драйвер: В движениях NX вводятся стыки и указываются вторая линия относительно первой линии. Движение «постоянного водителя» следует: x(TIME) = Смещение + Скорость x TIME + 1⁄2 Ускорение x TIME2. Этот тип драйвера полезен для простых профилей движения с постоянной скоростью или постоянным ускорением.

Harmonic Driver: A harmonic driver generates sinusoidal motion. This is ideal for modeling oscillating mechanisms, vibration analysis, or any cyclic motion that follows a sine or cosine function. You specify amplitude, frequency, and phase angle to define the harmonic motion.

Полиномиальный драйвер: Этот драйвер позволяет определять движение с помощью полиномиальных выражений, обеспечивая гибкость для сложных профилей движения, которые могут быть выражены математически.

Функциональный драйвер: Общий драйвер движения позволяет произвольным выражениям управлять смещением. Можно использовать математические функции и выражения для создания пользовательских профилей движения. Это самый гибкий тип драйвера, позволяющий моделировать практически любое зависящее от времени движение.

Драйвер управления: Этот продвинутый тип драйвера используется для совместной симуляции с системами управления, особенно при интеграции с MATLAB Simulink. Инженер-механик или дизайнер моделирует механическую установку в NX Motion, в то время как инженер-контроллер строит модель контроллера в Simulink. Сигналы управления обеспечивают ввод силы, крутящего момента или скорости, а выходы NX Motion подаются обратно в контроллер.

Практические советы по конфигурации водителя

При настройке драйверов учитывайте физический реализм вашего профиля движения. Избегайте мгновенных изменений скорости (шаговых функций), поскольку они представляют бесконечное ускорение, которое может вызвать трудности с решением и не представляет реальные физические системы. Вместо этого используйте плавные переходы с конечными значениями ускорения.

Для механизмов с несколькими драйверами убедитесь, что драйверы совместимы и не создают противоречивых требований к движению.Сверхограниченные системы, в которых конфликт водителей может вызвать сбои решателя или нереалистичные силы реакции.

Сначала проверьте свои драйверы с помощью простых профилей движения, прежде чем реализовывать сложные функции. Начните с движения с постоянной скоростью, чтобы убедиться, что механизм движется правильно, а затем добавьте сложность по мере необходимости.

Применяющие силы, крутящие моменты и другие нагрузки

Для динамического моделирования нужно определить силы и крутящие моменты, которые действуют на ваш механизм. Эти нагрузки в сочетании с массовыми свойствами ваших тел движения определяют, как движется механизм и силы реакции на суставах.

Типы силы и крутящего момента

Векторные силы: Это силы, приложенные в определённом направлении с определённой величиной. Можно применять векторные силы в точках на телах движения, указывая направление силы с помощью векторов или осей системы координат. Векторные силы полезны для моделирования приложенных нагрузок, веса (при неприменении силы тяжести) или внешних сил.

Скальярные силы: Эти силы действуют вдоль определенной линии или направления, определяемого геометрией.Скальярные силы проще определить, когда направление силы выровнено с геометрическими признаками.

Торкеты:Торкеты представляют вращательные нагрузки, приложенные вокруг оси. Они необходимы для моделирования приводов двигателей, крутящих моментов сопротивления или любого состояния вращательной нагрузки.

Гравитация: Вы будете применять соединения, гравитацию, физический контакт между частями, пружинами и многое другое в движении. Гравитация — это особый тип силы, который применяет однородное гравитационное поле ко всем телам движения на основе их массы. Вы указываете величину и направление гравитации, обычно —9,81 м/с2 в отрицательном направлении Z для земной гравитации.

Спрингс и Дамперс

Спрингс и амортизаторы моделируют эффекты упругости и рассеивания энергии в вашем механизме. Спринг-разъемы применяют силы, пропорциональные смещению, а амортизаторы применяют силы, пропорциональные скорости. Эти элементы имеют решающее значение для моделирования систем подвески, изоляторов вибрации и любого механизма с совместимыми элементами.

Можно определить линейные пружины (сила, пропорциональная смещению) или нелинейные пружины (с использованием кривых смещения силы). Аналогично, амортизаторы могут быть линейными или нелинейными. Элементы буширования сочетают пружинный и амортизаторный эффекты в нескольких направлениях, полезны для моделирования резиновых креплений или гибких соединений.

Контактные определения

Контактные элементы позволяют телам движения физически взаимодействовать, предотвращая проникновение и генерируя силы реакции при касании поверхностей.Трюк заключается в настройке глубины проникновения и силы реакции как раз для того, чтобы ваши Ссылки не проходили друг через друга и не были неестественно отодвинуты.

NX Motion поддерживает как 2D, так и 3D определения контактов. 2D контакты работают между кривыми или краями, а 3D контакты работают между поверхностями. Определения контактов требуют тщательной настройки жесткости и параметров демпфирования для достижения стабильного, реалистичного поведения.

Настройки решений

После того, как вы определили все объекты движения, соединения, драйверы и силы, вы готовы настроить параметры решения и запустить моделирование. Настройки решения контролируют, как решатель вычисляет движение и какие результаты генерируются.

Доступ к настройкам решений

Нажмите левой кнопкой решения на домашней вкладке. В списке диалогов решения выберите опцию Динамический анализ. Опции анализа активны, в опциях решения выберите время начала и окончания решения. Диалог решения обеспечивает комплексные элементы управления для настройки запуска моделирования.

Параметры времени

Решитель выводит данные движения для анимации и графики с интервалами, называемыми шагами. Вы определяете длину симуляции с рядом шагов и продолжительность времени в секундах. Эти параметры контролируют временное разрешение и продолжительность вашей симуляции.

Время начала обычно равно нулю, но при необходимости можно указать другое время начала. Время окончания должно быть достаточно длинным, чтобы фиксировать полный цикл движения или событие, которое вы анализируете. Для циклических механизмов имитируйте по меньшей мере один полный цикл, предпочтительно несколько циклов для проверки поведения в устойчивом состоянии.

Количество шагов определяет, сколько точек данных вычисляется и хранится. Определённые вами значения указывают, что анимация запускается на 50 кадров анимации в течение одной секунды. Больше шагов обеспечивают более плавную анимацию и более подробные результаты, но увеличивают время вычислений. Хорошая отправная точка — 50-100 шагов в секунду времени моделирования.

Варианты Solver

NX Motion предоставляет несколько вариантов решателя, которые контролируют численные методы, используемые для расчета движения.Настройки по умолчанию хорошо работают для большинства симуляций, но понимание этих вариантов помогает вам устранять неполадки в сложных случаях:

  • Метод интеграции: Контролирует, как решатель шагает во времени. Варианты включают методы фиксированного шага и переменного шага.
  • Толерантность к ошибкам: Указывает допустимую ошибку в решении. Более жесткие допуски повышают точность, но требуют больше времени вычислений.
  • Максимальные итерации: Устанавливает предел для итеративных методов решения. Увеличьте это, если решатель сообщает о сбоях конвергенции.
  • Начальные условия: Вы можете указать начальные скорости и ускорения, если ваш механизм начинается с движущегося состояния.

Варианты выхода

Настройте, какие результаты должен вычислить и сохранить решатель. Варианты включают:

  • Положение, скорость и данные ускорения для всех тел движения
  • Силы реагирования и крутящие моменты на суставах
  • Выходы силовых элементов (пружины, демпферы, контакты)
  • Энергорасчеты (кинетические, потенциальные, диссипированные)
  • Выражения пользовательского вывода

Выбор только необходимых выходов уменьшает размер файла и время его последующей обработки, особенно для больших симуляций.

Запуск моделирования и мониторинга прогресса

При всех настройках, настроенных, вы готовы запустить симуляцию. Нажмите кнопку Solve в диалоге Solution или ленте. Решитель начинает вычислять движение, и появляется диалог прогресса, показывающий статус решения.

Мониторинг сообщений решателя для любых предупреждений или ошибок. Общие проблемы включают:

  • Излишние ограничения: В этой модели существуют избыточные ограничения, которые решатель игнорирует во время решения. Это проблема только в том случае, если вы хотите захватить силы реакции для суставов, которые отбрасывает решатель. Излишние ограничения возникают, когда вы переопределили механизм с большим количеством ограничений, чем необходимо.
  • Сбои конвергенции: Решитель не может найти решение на конкретном этапе времени.Это часто указывает на противоречивые ограничения, нереалистичные драйверы движения или численную жесткость в системе.
  • Чрезмерное проникновение: Контактные элементы показывают нереалистичные глубины проникновения, что указывает на то, что жесткость контакта нуждается в корректировке.

Для большинства симуляций решение успешно завершается в течение секунд или минут, в зависимости от сложности модели и продолжительности моделирования. Очень сложные модели со многими контактами или гибкими телами могут потребовать более длительного времени решения.

Понимание типов расчета в деталях

NX Motion поддерживает несколько различных типов вычислений, каждый из которых подходит для различных целей анализа. Понимание того, когда использовать каждый тип, имеет решающее значение для эффективного и эффективного моделирования движения.

Кинематический анализ

Кинематический анализ изучает геометрию движения без учета сил или масс. В Кинематическом анализе движение контролируется входными движениями. Механизм движется точно так, как это задается движущими силами, независимо от того, какие силы потребуются для создания этого движения.

Когда использовать кинематический анализ:

  • Проверка того, что механизм движется так, как он задуман
  • Проверка помех и допусков во всем диапазоне движения
  • Расчет скоростей и ускорений компонентов
  • Создание анимации движения для обзоров дизайна
  • Первоначальная проверка дизайна перед выполнением более детального динамического анализа

Преимущества: Кинематический анализ быстрый, не требует свойств массы, и всегда производит решение, если механизм правильно ограничен. Он идеально подходит для ранних этапов проектирования, когда вы все еще совершенствуете основные характеристики движения.

Ограничения: Кинематический анализ не может предсказать силы, не может объяснить эффекты инерции и не показывает, как механизм реагирует на внешние нагрузки. Он предполагает, что движущие силы могут производить любые силы, необходимые для достижения указанного движения.

Динамический анализ

Динамический анализ оценивает реакцию сборки под динамическими нагрузками, учитывая массу, инерцию и все приложенные силы.Движение определяется решением ньютоновских уравнений движения для всей системы, учитывая, как силы вызывают ускорения на основе свойств массы каждого тела.

Когда использовать динамический анализ:

  • Расчет сил реакции на суставах и опорах
  • 3.2 Определение требований к крутящему моменту двигателя или усилию привода
  • Оценка структурных нагрузок для последующего анализа напряжений
  • Анализ характеристик вибрации и динамического отклика
  • Изучение влияния инерции на поведение механизмов
  • Оптимизация работы механизма в реалистичных условиях эксплуатации

Требования: Динамический анализ требует точных свойств массы для всех тел движения. Также необходимо тщательно определить все силы, включая гравитацию, приложенные нагрузки и силы сопротивления. Начальные условия (стартовые положения и скорости) должны быть физически реалистичными.

Преимущества: Динамический анализ даёт полную информацию о поведении механизма, включая все силы и ускорения. Он показывает, как механизм на самом деле реагирует на нагрузки, которые могут существенно отличаться от кинематических предсказаний, особенно для высокоскоростных механизмов или систем со значительной инерцией.

Рассмотрения: Для решения динамических симуляций требуется больше времени, чем для кинематических симуляций, и требуется более тщательная настройка. Численная стабильность может быть сложной задачей для жестких систем (тех, у кого очень разные временные масштабы, например, сочетание медленного движения с высокочастотной вибрацией).

Статический анализ

Статический анализ вычисляет равновесную конфигурацию механизма при приложенных нагрузках без учета движения или инерции. Этот тип анализа находит положение, в котором все силы и крутящие моменты сбалансированы.

Приложения:

  • Определение положения покоя механизма под действием силы тяжести или других постоянных нагрузок
  • Вычисление статических сил реакции
  • Поиск равновесных конфигураций для механизмов с пружинами
  • Проверка того, что механизм может поддерживать определенные нагрузки без движения

Квази-статический анализ

Квазистатический анализ — это гибридный подход, который включает в себя эффекты инерции, но предполагает, что движение достаточно медленное, а динамические эффекты минимальны. Он полезен для механизмов, которые движутся медленно, но где все еще нужно учитывать массу и гравитацию.

Первоначальный анализ условий

Этот тип анализа решает для начальной конфигурации механизма, обеспечивая, чтобы все ограничения были удовлетворены и система находилась в действительном начальном состоянии. Особенно он полезен для сложных механизмов, где найти действительную начальную конфигурацию вручную сложно.

Послепроцессорный анализ и анализ результатов

После успешного завершения моделирования вы можете проанализировать результаты, чтобы извлечь значимые инженерные идеи. Вы узнаете, как извлекать всевозможные инженерные данные и результаты из своих симуляций. NX Motion предоставляет комплексные инструменты постобработки для визуализации и количественной оценки поведения механизма.

Анимационный Playback

Самый непосредственный способ просмотра результатов — это воспроизведение анимации. После решения используйте элементы управления анимацией, чтобы воспроизвести движение. Настройка задержки анимации примерно до 30 замедляет анимацию, чтобы вы могли лучше наблюдать за движением. Вы можете контролировать скорость воспроизведения, приостанавливать в определенное время и проходить через кадр за кадром.

Анимация позволяет визуально проверить, что механизм движется как ожидалось, выявить любое неожиданное поведение, а также проверить на наличие помех или проблем с клиренсом. Также можно создавать качественные анимации для презентаций и обзоров дизайна.

Графирование и слотирование результатов

NX Motion включает в себя мощные возможности графирования для построения любого вычисленного количества по сравнению со временем или по сравнению с другими переменными.

  • Заговоры на перемещение: Показать, как меняются позиции суставов или места расположения тела с течением времени
  • Участки скорости: Профили скорости для суставов или точек на телах
  • Ускорительные участки: Выявляют характеристики ускорения, важные для идентификации ударных нагрузок или вибрации
  • Силовые участки: Показывают силы реакции на соединениях или приложенные величины силы
  • Торковые слоты: Требования к крутящему моменту для приводных соединений
  • Энергетические участки: Отслеживание кинетической энергии, потенциальной энергии и рассеивания энергии

Вы можете создавать несколько графиков, накладывать различные количества для сравнения и экспортировать данные графика для дальнейшего анализа в электронной таблице или математическом программном обеспечении.

Извлечение числовых данных

Помимо графической визуализации, из результатов можно извлечь конкретные числовые значения. Инструменты запросов позволяют находить максимальные и минимальные значения, измерять величины в определенное время и экспортировать таблицы данных. Эти количественные данные необходимы для:

  • Определение пиковых нагрузок для структурного анализа
  • Расчет требований к мощности (сила × скорость или крутящий момент × угловая скорость)
  • Проверка соответствия спецификациям проектирования
  • Сравнение различных альтернатив дизайна количественно
  • Подготовка докладов и документации

Проверка пути и помех

Инструменты трассировки показывают траекторию, по которой следуют точки на движущихся телах во время движения. Это ценно для понимания рабочего пространства механизма, проверки того, что компоненты следуют по намеченным путям, и проверки клиренсов.

Объекты движения включают в себя звенья и соединения, драйверы движения, приложенные силы, крутящие моменты, демпферы, пружины, втулки и контакты, артикуляцию и анимацию, диапазон анализа движения и проверки помех. Проверка помех во время движения идентифицирует столкновения между компонентами, помогая вам обнаружить проблемы дизайна, которые могут быть не очевидны из статических проверок сборки.

Результаты экспорта для дальнейшего анализа

Результаты моделирования движения могут быть экспортированы для использования в других инструментах анализа. Общие рабочие процессы включают:

  • Экспорт сил реакции в NX Nastran для структурной FEA
  • Экспорт данных о движении для инструментов моделирования системы управления
  • Экспорт анимации в виде видеофайлов для презентаций
  • Экспорт таблиц данных в Excel или MATLAB для индивидуального анализа

Лучшие практики точного моделирования движений

Следование установленным передовым методам гарантирует, что ваши модели движения дают точные и надежные результаты и помогают избежать распространенных ошибок.

Стратегии упрощения моделей

Сложные сборки с сотнями компонентов могут быть подавляющими для моделирования движения. Упростите свою модель:

  • Подавление несущественных компонентов, которые не влияют на движение
  • Объединение нескольких частей, которые движутся вместе в одно движущиеся тела
  • Использование упрощенной геометрии для компонентов, где детальная форма не имеет значения
  • Удаление небольших функций, таких как филе, чамферы и отверстия, которые не влияют на движения или свойства массы.

Цель состоит в том, чтобы создать простейшую модель, которая все еще фиксирует основные характеристики движения и обеспечивает необходимые результаты.

Проверка и проверка

Всегда проверяйте результаты моделирования на соответствие известным поведенческим или аналитическим решениям, когда это возможно.

  • Начните с простых тестовых случаев, когда вы знаете ожидаемое поведение.
  • Сравните результаты моделирования с ручными расчетами для простых механизмов
  • Убедитесь, что энергия сохраняется в системах без демпфирования или трения.
  • Проверить, что силы реакции имеют физический смысл (направления и величины).
  • Проверка экспериментальных данных или измерений с физических прототипов, когда они доступны

Итеративный подход к уточнению

Не пытайтесь создать идеальную симуляцию с первой попытки. Используйте итеративный подход:

  1. Начните с упрощенной кинематической модели для проверки основного движения.
  2. Постепенно добавляйте сложность (динамика, силы, контакты).
  3. Уточнение параметров на основе первоначальных результатов
  4. Повысить точность, когда это необходимо для ответа на конкретные вопросы

Этот подход помогает выявить и устранить проблемы на ранней стадии, когда модель проще, а не отлаживать сложную модель, где проблемы труднее изолировать.

Документация и организация

Сохраняйте четкую документацию о вашей установке моделирования:

  • Используйте описательные имена для всех объектов движения
  • Документы, допущения и упрощения
  • Значения параметров записи и их источники
  • Сохранить различные сценарии моделирования с четкими соглашениями об именах
  • Создание сводных отчетов о ключевых результатах

Хорошая документация облегчает возвращение к моделированию позже, обмен работой с коллегами и поддержание согласованности в нескольких итерациях дизайна.

Устранение общих проблем

Даже опытные пользователи сталкиваются с проблемами с моделированием движения. Вот решения общих проблем:

Неудачи конвергенции Solver

Если решатель не сходится:

  • Проверьте наличие конфликтующих ограничений или водителей
  • Убедитесь, что начальные условия действительны
  • Уменьшите размер шага времени
  • Увеличить максимальные итерации
  • Смягчить допуски ошибок немного
  • Проверка нереалистичных значений параметров (очень больших или очень малых чисел)

Нереалистичные движения или силы

Если результаты не соответствуют ожиданиям:

  • Проверить правильность ориентации суставов
  • Проверьте, что движущие силы применяются к предполагаемым суставам
  • Подтверждают, что свойства массы являются разумными
  • Обзор направлений и величин силы и крутящего момента
  • Проверка согласованности блоков по всей модели

Вопросы эффективности

Если симуляции выполняются слишком медленно:

  • Упростите модель, удалив ненужные компоненты
  • Уменьшить количество выходных шагов
  • Используйте кинематический анализ вместо динамического, когда силы не нужны.
  • Упростите определение контактов или используйте меньшее количество пар контактов.
  • Подумайте об использовании жестких тел вместо гибких, когда это необходимо.

Расширенные методы моделирования движений

Как только вы освоите базовое моделирование движения, вы можете изучить передовые методы, которые расширяют возможности и приложения вашего анализа.

Гибкая динамика тела

Вы сможете создавать движение, представляющее механизмы с использованием жестких тел и усилителей; гибкие тела в движении NX. Гибкая динамика тела объясняет деформацию компонентов во время движения, что важно, когда структурная гибкость значительно влияет на поведение механизма. Это распространено в высокоскоростных механизмах, легких структурах или совместимых механизмах.

Гибкие тела создаются путем выполнения модального анализа в NX Nastran, затем импорта результатов модального моделирования движения. Гибкое тело может деформироваться в соответствии с его формами режима при участии в движении мультитела.

Совместная симуляция с системами управления

NX Motion Control позволяет козимулировать конструкции контроллеров на основе Simulink, которые имеют многотело-динамические модели в NX. Используя эту возможность, инженеры-механики и дизайнеры могут более эффективно сотрудничать со своими коллегами, разрабатывающими конструкции контроллеров, чтобы найти и исправить проблемы интеграции и оптимизировать производительность продукта.

Эта расширенная возможность позволяет моделировать системы управления замкнутым контуром, где контроллер реагирует на поведение механизма в режиме реального времени, обеспечивая реалистичное моделирование мехатронных систем, таких как роботы, автоматизированные машины и динамика транспортного средства с активным управлением.

Исследования оптимизации

Моделирование движения может быть интегрировано с инструментами оптимизации для автоматического поиска параметров проектирования, которые отвечают целям производительности. Вы можете оптимизировать размеры, скорости пружины, распределения массы или другие параметры, чтобы минимизировать силы, максимизировать скорость, уменьшить вибрацию или достичь других целей.

Параметрические исследования

Создавайте параметрические модели, в которых ключевые размеры или параметры являются переменными, затем запускайте несколько симуляций с различными значениями параметров, чтобы понять, как изменения дизайна влияют на производительность. Это помогает вам определить критические параметры и понять чувствительность дизайна.

Интеграция с другими приложениями NX

Моделирование движения не существует изолированно — оно легко интегрируется с другими возможностями NX для поддержки комплексных рабочих процессов разработки продуктов.

Интеграция структурного анализа

Экспорт сил реакции и ускорений от моделирования движения до NX Nastran для детального структурного анализа. Этот рабочий процесс позволяет:

  • Применять реалистичные динамические нагрузки к моделям FEA
  • Оценка стресса и деформации в условиях эксплуатации
  • Проведите анализ усталости на основе циклической нагрузки от движения
  • Оптимизация конструкции на основе фактических рабочих нагрузок

Оптимизация дизайна

Используйте результаты моделирования движения для оптимизации дизайна, корректировки геометрии и параметров для достижения целевых показателей производительности при выполнении ограничений.

Планирование производства и сборки

Моделирование движения помогает проверить последовательности сборки, проверить, что компоненты могут быть установлены без помех, и спланировать производственные процессы для механизмов.

Примеры реальных приложений

Понимание того, как моделирование движения применяется к реальным инженерным проблемам, помогает контекстуализировать методы и демонстрирует ценность этого подхода к анализу.

Анализ автомобильных подвесок

Моделирование движения широко используется в автомобильной технике для анализа систем подвески. Инженеры моделируют подвесные связи, пружины и амортизаторы для оценки движения колес, изменений в камбере, миграции центра качения и сил подвески в различных дорожных условиях. Этот анализ помогает оптимизировать комфорт езды, характеристики обработки и износ шин.

Промышленные машины

Производственное оборудование, упаковочные машины и системы обработки материалов - все это выигрывает от моделирования движения. Инженеры могут проверить, что механизмы работают правильно, рассчитать требования к приводу, выявить потенциальные проблемы с помехами и оптимизировать время цикла перед созданием дорогих прототипов.

Робототехника и автоматизация

Проектирование и программирование роботов в значительной степени зависят от моделирования движения. Инженеры анализируют рабочее пространство, охват, грузоподъемность и динамическую производительность. Моделирование движения помогает оптимизировать геометрию робота, выбрать соответствующие исполнительные механизмы и проверить, что роботы могут выполнять требуемые задачи.

Потребительские товары

Продукты с движущимися частями - от петель ноутбука до складных механизмов в мебели - выигрывают от моделирования движения. Инженеры могут проверять бесперебойную работу, рассчитывать необходимые силы для взаимодействия с пользователем и обеспечивать адекватную долговечность в течение жизненного цикла продукта.

Учебные ресурсы и дальнейшее развитие

Освоение моделирования движения - это непрерывный процесс. Воспользуйтесь доступными учебными ресурсами для постоянного улучшения своих навыков:

Официальный тренинг Siemens

Дизайнеры и инженеры, которым необходимо создавать и артикулировать исследования движения с использованием моделей NX, могут пройти курсы, охватывающие введение и фундаментальные навыки, кинематическое / динамическое моделирование, объекты движения (ссылки и суставы) и движущие силы, приложенные силы, крутящие моменты, демпферы, пружины, втулки и контакты, артикуляцию и анимацию, анализ движения и проверку помех.

Siemens предлагает комплексные учебные курсы через Академию Siemens Xcelerator, предоставляя структурированные пути обучения от начинающих до продвинутых уровней. Эти курсы включают практические упражнения с реальными примерами и предоставляют сертификаты по завершении.

Онлайн-учебники и сообщества

Многочисленные онлайн-ресурсы предоставляют учебные пособия, советы и советы по устранению неполадок. Инженерные блоги, каналы YouTube и форумы пользователей предлагают практические рекомендации и решения общих проблем. Взаимодействие с сообществом пользователей NX помогает вам учиться на опыте других и оставаться в курсе лучших практик.

Практика проектов

Лучший способ развить мастерство - это практика. Начните с простых механизмов, таких как четырехбарные связи или механизмы слайдер-кранк, где вы можете проверять результаты аналитически. Постепенно прогрессируйте в более сложные системы по мере роста вашей уверенности. С помощью моделирования механизмов вы сможете убедиться, что ваши проекты будут работать так, как вы хотите, чтобы они работали, прежде чем создавать дорогие прототипы сборок. Моделирование движения позволяет вам легко объяснять концепции, определять инженерные результаты и многое другое с движением NX.

Заключение

Моделирование движения в NX Siemens является мощным инструментом, который позволяет инженерам анализировать, оптимизировать и проверять механические конструкции перед физическим прототипированием. Следуя систематическому подходу, изложенному в этом руководстве - от подготовки модели до совместного создания, применения силы, конфигурации решателя и анализа результатов - вы можете выполнять точные моделирования движения, которые обеспечивают ценную инженерную информацию.

Успех в моделировании движения требует понимания как программных инструментов, так и лежащих в основе механических принципов. Начните с простых моделей, чтобы построить уверенность, следовать передовым методам настройки и проверки моделей и постепенно расширяйте свои возможности для решения более сложных анализов. Независимо от того, выполняете ли вы кинематические исследования для проверки геометрии движения или динамический анализ для расчета сил и оптимизации производительности, NX Motion предоставляет всесторонние возможности, необходимые для современного проектирования и анализа механизмов.

По мере приобретения опыта вы обнаружите, что моделирование движения становится бесценной частью вашего процесса проектирования, позволяя вам принимать обоснованные решения, сокращать время разработки, минимизировать дорогостоящие итерации проектирования и в конечном итоге создавать более эффективные механические системы. Инвестиции в изучение этих методов приносят дивиденды за счет улучшения качества дизайна, снижения затрат на прототип и более быстрого времени выхода на рынок.

Для получения дополнительной информации о возможностях NX и связанных с ними инструментах моделирования посетите официальную страницу Siemens Simcenter 3D Motion и изучите портал документации Siemens для подробных технических ссылок и учебных пособий.