如何在 SOLIDWORKS Motion 中使用 3D Contact？

在动态机械系统仿真中，3D Contact接触仿真结果的精度取决于接触行为的定义质量。

当您对齿轮、凸轮、连杆机构或存在间歇交互的多实体装配体进行评估时，实体之间的接触至关重要。因此，为保证算例精度，需要在 SOLIDWORKS Motion 中正确配置 3D 接触。

什么是 SOLIDWORKS Motion 中的 3D Contact？

SOLIDWORKS Motion 的 3D 接触能够输出真实作用力、消除不符合物理规律的实体穿透现象，并保证求解器稳定运行。在运动算例中设置 3D 接触时，您可能会遇到求解器无法正确捕捉接触行为的情况。

如果设置不当，算例会出现以下现象：

- 报错终止

- 求解完成但零部件互相穿透

- 出现不稳定振荡

在 SOLIDWORKS Motion 中定义 3D 接触时，您可以直接选择互相接触的零部件，也可以使用接触组对零部件进行分组管理。

在 SOLIDWORKS Motion 中设置接触组

接触组的作用是：在两个分组之间的零部件生成接触，同一分组内部的零部件之间不会生成接触。

如何定义接触

材料与摩擦定义需要根据运动仿真模型所使用的材料进行设置。建议使用准确的弹性参数值，而不是直接采用默认值。

弹性参数值可以通过实验估算、理论计算或者仿真数据得到。

定义弹性参数有两种选项：

冲击：定义冲击函数，该函数通过使用刚度极大的弹簧表征相互作用零件的弹性行为，以此控制碰撞的力学特性。

恢复系数：代表两个弹性球体碰撞前后相对速度的比值。该方式结合动量守恒与能量损失比例，计算得到后续运动状态。

对于零件并非持续接触的场景，优先使用恢复系数；当模型内存在持续接触时，冲击方式更为合适。

3D 接触的其他属性

在 SOLIDWORKS Motion 中，软件需要存在干涉量才能生成接触力。程序依据穿透量计算由接触产生的冲击力。接触刚度越高，产生同等接触力所需的穿透量就越小。

除冲击与恢复系数之外，还有刚度、指数、最大阻尼以及穿透属性等配置项。

刚度

刚度属性用于定义零件相互接触时产生的压缩变形，等效于弹簧刚度，生成的作用力等于刚度乘以零件之间的穿透量。

刚度同时也和几何相关；相互作用表面的刚度由材料以及接触面的曲率共同计算得到。

指数

指数定义作用力随穿透量变化的比例关系。对于橡胶类材料，建议指数取值在 2～3 之间。

最大阻尼

最大阻尼定义零件碰撞过程中的能量损耗。该参数为施加的阻尼上限，通常设置为刚度值的 0.1%～1%。

穿透属性

穿透属性用于定义达到最大阻尼时对应的穿透深度。零件刚刚接触时不存在阻尼力；随着变形增大，阻尼力逐步上升，直至在该深度处达到最大阻尼力。

需要将时间步长设置得足够小，才能够精准捕捉碰撞过程中速度与作用力的突变。

如何模拟真实的物理行为

有多种方式可以保障 SOLIDWORKS Motion 中 3D 接触行为贴近真实工况。

实现真实仿真建模的关键要点：

- 根据接触零部件的材料与几何核验弹性参数，不要直接使用内置材料自带的默认弹性参数。

- 对于大型装配体，直接选择发生接触的零部件，而非选择整个子装配体。

- 为提升模型几何的表征精度，可以调高 3D 分辨率，并启用精确接触。

切换精确接触选项以获得高精度仿真

施加位移载荷时，不要将位移恒定值作为初始条件，可使用阶跃函数让位移平缓上升。

调高每秒帧数，获得更平滑的动画效果。

如果 3D 接触仍然出现少量穿透，可查看该时刻的接触力并核验穿透深度。

使用 SOLIDWORKS Motion 核验装配体运行特性

三维建模中一项比较棘手的难题是：在没有物理样机的前提下，预判零部件如何交互、装配体如何运动。SOLIDWORKS Motion 通过运动学 3D 接触仿真解决这一问题，为团队提供真实的运动分析结果。

SOLIDWORKS Motion 包含在所有版本的 SOLIDWORKS Simulation 内，SOLIDWORKS Premium 版本同样自带该仿真能力。也就是说，您的团队可能已经具备这套一流的运动分析工具。