SOLIDWORKS运动分析案例详细教程

SOLIDWORKS 中的运动分析是一个功能强大的工具，但经常未得到充分利用。它扩展了 SOLIDWORKS 的内置装配运动功能（例如实时碰撞检测），以提供可用于各种工程应用的成熟多体动力学仿真。

图 1.使用 SOLIDWORKS Motion 分析的机构示例。

更准确地说，运动分析提供“刚体动力学”或“刚体运动学”。这定义了 SOLIDWORKS Motion 的关键方面之一：模拟中涉及的所有主体都被视为不可变形的。

这种刚体假设往往适用于广泛的物理和工程问题。常见应用范围可能从预测机构和连杆的力和运动范围，到确定动态系统的电机、弹簧和阻尼器的尺寸，或预测需要复杂 3D 接触相互作用的物理，例如通过料斗或沿着输送机移动的物体。

我们将在本文中介绍许多此类情况，重点介绍何时可以使用该工具，以及不同类别问题的关键设置注意事项的详细信息。

运动研究和许可的类型

如果您曾经在 SOLIDWORKS 中创建过“运动研究”，您可能已经看到有多个可用的功能层。

1. 动画：基于关键帧的动画，严格用于不涉及复杂物理的视觉效果。

2. 基本动作：视频游戏风格的物理（由 Nvidia PhysX 提供支持），可以可信地模拟复杂的 3D 物理，但不能用于工程数据或决策。

3. 运动分析：强大的工程级求解器（由 ADAMS 提供支持），用于动力学和运动学，包括力预测

图 2.选择学习类型。

在这些选项中，动画和基本运动包含在所有版本的 SOLIDWORKS 中。但是，运动分析仅包含在 SOLIDWORKS Premium（以及等效的 3DEXPERIENCE SOLIDWORKS Premium）或 SOLIDWORKS Simulation 软件包中。

还值得指出的是，它是一个必须在 SOLIDWORKS 中启用的加载项，因此，如果您认为应该有权访问它，但在选项中没有看到它，请检查以确保加载项已加载。

图 3.确保已加载 Motion 加载项。

请注意，关于称为“基于事件”的运动的运动功能子集，还有一个额外的警告，我们将在本文后面讨论。

分析机制

运动分析最明显的应用可能是机构的设计和分析，例如文章开头所示的汽车悬架和起落架。

我们将从分析一个非常简单的案例开始我们的旅程——相当于任何动力学分析的“Hello World”，即四杆连杆。

图 4.简单的四杆连杆设置。

在这种情况下，定义了一个虚拟电机来感应旋转。施加任意力以产生一些阻力，并在某些点之间定义一个虚拟弹簧，以使事情变得更有趣。

您还可以监视放置在力应用点上的“跟踪路径”。这些路径可以转换为 SOLIDWORKS 草图，这对于定义禁区或执行机构综合非常有用。

尺寸、电机和执行器

图5.电机定义和功耗图。

定义电机和线性执行器有很多选项。此示例使用简单的恒速电机，但它们可能使用复杂的行为来定义，包括导入的数据或用户表达式。可以提取由此产生的力、扭矩和功率来调整电机的尺寸或作为进一步优化的指标。

准备用于运动分析的装配

让我们讨论使用 SOLIDWORKS Motion 进行装配体分析的最好和最坏的地方：它使用您现有的装配体配合。

从表面上看，这似乎很棒！然而，在实践中，这意味着一些用户在尝试将复杂的装配体放入运动分析时遇到困难。

这里有两个主要挑战需要解决：

1. 组件必须以物理上正确的方式配合。

2. 必须解决冗余问题。

首先，对于运动分析，我通常认为是最佳实践的整个配合技术，例如参考点、坐标系或其他抽象参考几何形状之间的配合，这些技术对于运动研究中的精确力提取通常是不可接受的。

我发现，为运动配对装配体的最久经考验的方法是抑制任何销钉、轴或紧固件，简单地遵循负载路径，并将每个组件的面配合在一起，在相关紧固件或连接器所在的位置。这可能意味着创建装配的新配置，或者在某些情况下，从头开始构建第二个装配，并考虑运动分析配合方案。

在简单的四杆连杆示例中，省略了紧固件，各个连杆根据其孔同心配合。底部连杆是固定的，其余连杆在装配中具有必要的自由度，以允许适当的移动。

图6.衬套定义。

运动分析激活后，您将在“分析”选项卡下找到任何配合的其他设置。这允许为配合定义更多基于物理的信息，例如摩擦力和刚度。我建议利用“衬套”功能为这些虚拟连接分配一些定义的刚度，这将有助于避免在提取力时出现任何冗余问题。

与冗余作斗争

如果您熟悉线性静力学问题，您可能还记得“静态不确定”问题的情况。想象一下，一扇门悬挂在两个铰链上，除了重力作用外，它只承受着自身重量。我们直观地知道每个铰链应该承载大约一半的重量，但这种类型的确定依赖于系统中某处的弹性变形。

在完全刚性的假设中（如 SOLIDWORKS Motion 中的默认行为），它是不确定的，您可能会发现顶部铰链或底部承载的所有重量似乎没有韵律或理由。应用具有刚度的衬套，即使是非常高的刚度，也会发生一些变形，这应该足以让系统自平衡。

优化

设置初始研究后，利用 SOLIDWORKS 设计研究功能可以轻松执行进一步的迭代或优化，这些功能与 SOLIDWORKS Motion 配合得很好。在这里，我以基于表的方法自动改变几个链接的尺寸，如果我想进一步深入研究该迭代的结果，我只需选择它即可访问任何单个场景的运动结果。

图7.用于机构优化的设计研究。

确定运动范围和走线路径

SOLIDWORKS Motion 中的“追踪路径”功能允许在研究过程中跟踪模型中任何点的移动，这对于建立运动范围非常有用。在这个 6 自由度机械臂的示例中，运动是使用 SOLIDWORKS 中的“配合控制器”功能规定的，这是一种控制各个轴的便捷方法，类似于在机器人的悬挂控件上使用点动手柄的方式。

图 8.使用配对控制器和跟踪路径的机器人运动范围。

一旦您对配合控制器的行为感到满意，就可以创建运动研究并使用向导导入路径。这允许在运动研究中提取力，以及生成追踪路径。

照片渲染和产品可视化

运动分析非常适合获取工程数据，但也有一些乐趣。运动研究可以在 SOLIDWORKS Visualize 等工具中渲染，我几年前在下面的示例中就这样做了。相机运动是手动设置关键帧的，但骰子的物理特性纯粹来自 SOLIDWORKS Motion，定义了实体接触和初始速度来表示掷骰子。

图9.在 SOLIDWORKS Visualize 中渲染的运动算例。

这里有产品可视化的严重应用，特别是在涉及任何接触交互的情况下。

最新版本的 SOLIDWORKS 还支持将 3D 模型（带有运动算例）导出到 。GLTF 或 .GLB 格式，这是一种 VR/AR/Web 友好模型标准。您可以在 SOLIDWORKS 帮助文件中阅读有关此内容的更多信息。

预测复杂接触

对于未被配合捕获的行为，SOLIDWORKS Motion 支持接触交互，包括相当稳健的 3D 接触交互。仅次于配对/冗余，接触问题似乎是用户在使用 SOLIDWORKS Motion 时遇到麻烦的最常见地方。

图 10.固体接触交互。

上面的示例是使用默认接触精度设置运行的，该设置偏向于求解速度而不是精度。

结果，您可以看到块和地板之间的一些穿透、过度的抖动以及总体而言，解决方案可能比现实更不稳定。在大多数情况下，这是一个非常可以解决的问题。

图 11.联系人设置和研究属性。

使用接触交互时，我建议对运动研究属性进行一些关键更改：

• 根据接触物体的相对速度大幅增加“每秒帧数”，

• 并增加 3D 接触分辨率滑块或启用精确接触。

这两个更改可以解决大多数接触问题，但如果您需要更深入地作，可以指定高级求解器选项和备用求解器。如果您计划在运动分析中解决复杂的接触问题，我强烈建议您尝试使用一堆杂乱的块或球体，并对精度滑块和求解器设置进行自己的实验，以熟悉自己并找到求解时间和精度之间的折衷方案。

根据联系人的类型，您还可以通过定义“联系人组”而不是全局选择所有内容来节省大量求解时间。

用于预测周期时间的基于事件的运动

到目前为止，没有一个示例具有任何传感器逻辑或顺序步骤——这在机器设计和制造中非常常见。

您当然可以仅使用我们迄今为止讨论的运动分析技术对各种事件（例如电机或执行器的打开或关闭）进行排序。但还有一种更好的方法，称为“基于事件的运动”，它允许定义虚拟接近传感器，如下所示。

图 12.基于事件的运动的接近传感器定义。

基于事件的运动可解锁运动研究的备用显示，您可以在其中切换到任务视图，该视图允许对事件进行排序，或基于任务触发器的任务作，例如触发接近传感器或完成另一个事件。

在本教程示例中，第二个机器人的顺序使得它只有在库存材料移动到位并触发接近传感器时才会执行焊接作。

随着事件链的堆积，与尝试在纯粹基于时间的环境中对事件进行排序所必需的猜测和检查方法相比，这可以节省大量时间（和理智）。

图 13.基于事件的运动在行动中。

作为基于事件的运动的附加输出，您可以准确查看每个任务被触发和完成的时间，并实现对整体周期时间的估计。

基于事件的动议的许可

与基于时间的运动分析（在 SOLIDWORKS Premium 和所有版本的 SOLIDWORKS Simulation 中可用）不同，基于事件的运动分析需要 SOLIDWORKS Simulation Professional 及以上软件许可证。

总结与结论

全球有数百万 SOLIDWORKS 用户，我希望我们能更频繁地听到运动研究。许多人都可以访问这个工具，但可能不知道他们知道，或者可能不知道它的功能。

收养可能会有一些小摩擦;例如，对于由装配配合驱动的标准机构，用户必须处理适当的配合方案，这有时可能意味着修改或重新创建装配。对于涉及复杂接触的问题，用户可能必须探索和调整默认精度和求解器选项。

在我看来，对于 SOLIDWORKS 运动分析提供的动力学研究功能来说，这些都是需要克服的小障碍。SOLIDWORKS 提供内置教程，因此，如果您有权使用该软件，我鼓励您试一试，并考虑如何以及何时使用它来改进您的下一个设计！