GT-SUITE 一维多体动力学的连接方向问题-GT-SUITE-多物理场仿真/多学科仿真-软服之家

概要

1D多体动力学多用于液压/气动系统的各种阀系和执行器的部件级建模。随着新能源汽车的发展，液压/气动系统逐渐被电动系统替代，但在混动汽车上仍占据重要地位。新能源汽车的发展同时也带了新的液压/气动系统需求，如燃料电池氢气气动系统。本文将介绍GT-SUITE进行1D多体动力学建模时的连接方向问题。

背景介绍

GT-SUITE 作为一个著名的多物理平台软件，能够模拟1D、2D以及3D的多体动力学。其中1D动力学涉及各类液压/气动系统的各种阀系和执行器件的部件级建模。2D动力学常涉及配气机构、曲柄连杆机构以及各类平面传动机构。3D动力学常涉及车身动力学、齿轮传动、以及各类柔性体变形的有限元计算。

下图为两个典型的1D多体动力学的应用案例，一个为BOSCH的电控喷油器，一个为可变气门正时（VVT）的液压系统。其中存在各种力（流体压力、弹簧力、接触力、阻尼力、摩擦力、电磁力）与物体的相互作用。在GT-SUITE中，对于流体回路和电路计算，部件之间的连接方向是无关紧要的，但是在一维多体动力学计算中，连接方向却是非常关键的。对于初学者，如何处理各部件之间的连接方向问题是建模过程中的一个难点。

1D动力学的典型例子——

BOSCH的喷油器、VVT的液压系统

1D多体动力学的坐标系问题

首先需要理解GT-SUITE中的一维坐标系是如何规定的。在GT-SUITE的一维多体动力学中，不存在全局坐标系，而是以“两两之间”的相对的方式进行定义的。这是理解GT一维多体动力学连接方向的关键。如下图所示，这些图虽然从全局坐标系来看都是不同的，但在GT-SUITE看来都是完全等价的，即都是从Force连接到Mass（to mass）。

故在GT的“一维空间”中，只有to mass或者from mass之分，如下图所示。

首先，在处理任何一维动力学的连接方向问题前，需要先指定物体的正位移方向。位移的正位移方向完全由用户任意指定（当然符合我们的习惯是更容易理解的），比如一个物体自由下落，其位移可正可负，取决于我们是如何定义正方向的。一旦指定物体的正位移方向后，就需要在整个系统中保持一致。

连接方向问题

力（Force）和物体（Mass）的连接方向

当Force的方向与指定的正位移方向相同时，则to mass。否则，则from mass

接触（Contact）和物体（Mass）的连接方向

物体与物体接触时，会存在接触力。比如物体放在地面上，那么地面就会通过接触面对物体产生一个向上的力。当接触力的方向与指定的正位移方向相同时，则to mass。否则，则from mass。下图分别为假定不同的正位移方向时接触（Contact）和物体（Mass）之间的连接方向。

假设物体正位移方向垂直向上

假设物体正位移方向垂直向下

阻尼（Damper、摩擦（Friction）

和物体（Mass）的连接方向

阻尼（Damper、摩擦（Friction）和物体（Mass）的连接方向是无关紧要的，仅仅体现在所传递的力的正负上。

物体（Mass）和物体（Mass）的连接方向

物体（Mass）和物体（Mass）的连接方向是无关紧要的，仅仅体现在所传递的力的正负上。

弹簧（Spring）和物体（Mass）的连接方向

当弹簧没有预紧力（Preload）时，它与物体的连接方向无关紧要。但若存在预紧力时，连接方向就起着重要作用。

当预紧力与物体的正位移方向相同时，连接方向应为from mass，注意这与其他力的定义传统不同。举例说明，如下图所示，当弹簧施加在Body2的预紧力Fp（10N），与Body2的正位移方向相反时，则应连接到body2（to body2）。同样也可以这么说，当弹簧施加在Body1的预紧力Fp（10N），与Body1的正位移方向相同时，则应from Body1。