Abaqus多体运动模拟中的Coupling约束应用

Adams是一个比较著名的多体运动（MDB）分析软件，运动副的设置比较简单，但是用Abaqus有限元软件做多体运动仿真比较困难，主要是操作繁琐，但不是不能做。

本文中的案例是帮助文档中的例子，ABAQUS DOCUMENT中的4.1.1节的Resolving overconstraints in a multi-body mechanism model与4.1.2节的Crank mechanism（本例的模型为4.1.1节的），两个案例很类似，不同处就在于连接器CV joint与U joint不同，但是案例较为简单（但我还是研究了一天半），帮助文档中用的是刚性约束，我参考它的设置用的Coupling约束。帮助文档提供的inp文件可以成功导入。

Part，Assembly，Property，Mesh模块的建模省略，帮助文档都提供了。有限元模型如下图所示：

   结构的有限元模型
 

Step模块：

静力学分析，分析时间为1s，静力学的分析时间没有意义（什么原因，我也不知道），增量步数量，初始增量步长，最小增量步长，最大增量步长的设置如下图所示。

Interaction模块：

整个分析中没有用到接触，主要是利用运动副和约束关系。运动副（也叫连接器）的详细介绍可以参考石亦平博士的《ABAQUS有限元分析实例详解》。建立连接器之前要建立模型间连接必要的RP点，RP点Coupling到Part的表面上，共建立了13个Coupling点，下面将分别介绍。

   SLIDE-GUIDE的上表面
 

   SLIDE-BLANK的外表面
 

   TRANS-CONNECT的表面
 

   ROD右侧的表面
 

   TRANS-GUIDE的内表面
 

   ROD-GUIDE的内表面
 

   TRANS-CONNECT的上表面
 

   DIS的外表面
 

   DIS的内表面
 

   LINK的左侧
 

   LINK的右侧
 

   CRAN的左侧
 

   CRAN的右侧
 

连接器截面属性的设置：共建立了如下图所示的6种运动副。第一个是CV joint，类似于一种联轴器，由输入轴带动，需要定义旋转轴。第二个为圆柱副，有两个自由度，绕X轴的平动与转动。第三个为转动副，绕X轴的转动。第四个为固定副，约束3个平动自由度。第五个为移动副，沿X轴的平动。第六个为U joint（可以与CV joint对比分析），也是一种联轴器，与CV joint的不同之处在于旋转方向不同，一个与输入轴转动同向，一个异向。

建立连接器之前，应先建立特征线（如下图所示），连接上述建立的RP点，两个RP点建立一条线。

   Wire线的建立
 

Wire2建立SLIDE-BLANK与SLIDE-GUIDE的移动副TRANSLATOR，简单讲就是滑块在滑槽中的平动。建立平动副时，要建立局部坐标系，因为移动副只有X方向的平动自由度，所以建立局部坐标系时，坐标系的X轴必须与滑块的运动方向保持一致，在Orientation1中选择局部坐标系。

Wire3建立TRANS-CONNECT与SLIDE-BLANK的转动副Hinge，同样需要建立局部坐标系，Hinge只有绕X轴的转动自由度，所以局部坐标系的X轴必须与Hinge的转动方向一致，在Orientation1中选择局部坐标系。

Wire4建立TRANS-CONNECT与TRANS-GUIDE之间的圆柱副Cylindrical，局部坐标系X轴的方向与滑块移动方向保持一致，在Orientation1中选择局部坐标系。

Wire5建立ROD-GUIDE与TRANS-GUIDE的转动副Hinge，同样需要建立局部坐标系，Hinge只有绕X轴的转动自由度，所以局部坐标系的X轴必须与Hinge的转动方向一致，在Orientation1中选择局部坐标系。

Wire6建立ROD与ROD-GUIDE之间的移动副TRANSLATION，建立平动副时，要建立局部坐标系，因为移动副只有X方向的平动自由度，所以建立局部坐标系时，坐标系的X轴必须与滑块的运动方向保持一致，在Orientation1中选择局部坐标系。

Wire7建立TRANS-CONNECT与DIS之间的JOIN运动副，使两个RP点固定，共同运动。Wire本应该是条线，但是连接的两个RP点建立在一起了，所以Wire看不到，但是在建立Wire时默认会建立一个Set集合，添加载荷时如果在图形交互界面无法选择这个线，选择Set集即可（Wire建立后可以在Model Database中Assembly下的Feature里面找到，双击后图像交互界面会变红，而且Wire建立后无法编辑修改，建立错了只能删了重建），Join的坐标系选择默认的全局坐标系即可（Orientation1中的局部坐标系不用改动）。

Wire8建立DIS与LINK之间的CV joint，在建立CV joint时必须定义两个坐标系（下图中红色与紫色的坐标系），因为两个Part的旋转轴不一致，所以需要分别定义，同样转动方向与局部坐标系的X轴保持一致。

Wire9建立LINK与CRAN之间的CV joint，基本设置与Wire8类似。

综上，整个分析步共建立了8个运动副。

Load模块：

约束ROD与SLIDE-GUIDE分别建立的RP点的六个自由度。

ROD施加转动自由度，绕Z轴转动1圈。

约束DIS零件Coupling的RP点除6方向（Z轴的转动）的自由度，如果不添加这个约束，DIS零件的转动方向就不是Z轴的方向了，但可能会导致过约束。

后处理Visualization模块：

由于我用的是Coupling的耦合方式，没有用Rigid body的耦合方式，所以零件时柔性的（刚性分析的也做了，下篇文章介绍），在后处理的动画中看到有数值奇异的现象，某一时刻CV joint连接的几个Part零件应力值较大。用连接器（运动副）的形式建立零件之间的关系，不用建立接触关系，只要连接器以及相关的设置正确，可以顺利分析，减少很多的计算时间。

GIF

   动图
 

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