Realistic Simulation of a Flexible Mechanism using ANSYS Solutions

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Page 1 ... Explicit. ANSYS/AUTODYN. ANSYS/Multiphysics. Meshing. ICEM CFD ... 12. 14. 16. 18. 20. • Rotation of tires and contact with payment ignored.
Realistic Simulation of a Flexible  Mechanism using ANSYS Solutions Achuth Rao, Ph.D. Product Line Manager Product Management Group ANSYS Inc. 

Solution Brands and Products Structural

ANSYS/Mechanical

Fluids

CFX/FLUENT

Explicit

ANSYS/AUTODYN

ANSYS/Multiphysics Electromagnetics

ANSYS/EMAG

Meshing

ICEM CFD

Optimization

ANSYS/DesignXplorer

Geometry and CAD integration Benefits • Support for all major CAD  systems and file formats • Bi‐Directional Associativity • Parameter data types  supported: – – – –

Geometry CAD Parameters Material Properties Attributes (Loads; Constraints etc.)

Workflow: Dynamic Drop Test Analysis Benefits • Integrated dynamics solver capability • Reduces total solution time through  meshing; pre‐processing; solution and  post‐processing • Accurate physical representation as  compared to rigid multi‐body solvers • Flexibility can be introduced when  needed either based on component  mode synthesis or full nonlinear  analysis • CAD associativity allows for easy  parametric updated to design

CAD: CATIA R17

ANSYS Workbench ANSYS DesignModeler

ANSYS Simulation

ANSYS Flexible Multi‐body Dynamics Benefits • • • • • •

Automatic connections setup Implicit structural solution Multi‐step transient analysis FE based rigid body analysis Nonlinear contact with friction Geometry based loading and  processing of dynamics data • Rigid to flexible part conversion • Component Mode Synthesis (CMS)  techniques for model reduction and  flexibility

Connectors and FE Representation

=

Geometry representation 

FE Mesh Representation

• Connectors and contact behavior defined on geometry • Equivalent FE representation though mass and connectors  

Nonlinear Contact Modeling with Friction

Contact Mesh 

• Rigid‐rigid contact model between  tire and runway • Nonlinear frictional contact with  between tires and runway  • Tire Representation: – Tire stiffness and damping modeling  using springs and dampers below  runway Tire Stiffness and Damping K = 10000 lb/in C = 5 lbf-sec/in

Stiffness and Damping Characteristics  700000 600000 500000 400000 300000 200000 100000 0 0

2

4

6

8

10

12

Nonlinear Stiffness Curve

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16

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20

Nonlinear Damping Curve

22

1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0 0

2

4

6

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20

Landing Gear without Rotation and Contact • Rotation of tires and contact with payment ignored • Tire model approximated with a spring‐damper system 250000

200000

150000

100000

50000

0 0

2

4

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10

12

14

Reaction vs Strut Stroke

16

18

20

Landing Gear with Rotation and Friction • Rotation of wheel at approach speed of 150 mph • Friction behavior with contact • Tire model approximated with a spring‐damper system 250000 200000 150000 100000 50000 0 0

5

10

15

Reaction vs Strut Stroke

20

Dynamic Drop Test Analysis

Reaction vs Strut Stroke

FMBD Solution Strategies & Benefits Traditional Techniques

MESH

PRE

FEA

CB

FE Based Approach

MESH PRE

FEA

MBD

POST

Savings

POST

CB = Craig Bamptom Technique

• FE based FMBD offers time savings in total solution  time as compared to traditional approaches • Made possible by an integrated solution environment combined with improvements in solver technology and  high performance computing

Workflow: Static Analysis • • • •

Benefits Easy model reduction and  simplification for static analysis  CAD associativity allows for  easy parametric updated to  design Advanced unified meshing tools  from ANSYS, ICEM CFD, CFX and  FLUENT Integrated design optimization  & topological optimization  solutions

CAD: CATIA R17

ANSYS Workbench ANSYS DesignModeler ANSYS Simulation ANSYS DesignXplorer

Static Analysis: Cylinder & Lug Design • Automatic connections and  contact definition • Geometry and FE based pre‐ processing and post‐processing • Nonlinear geometry and contact  capability • Ability to run design changes  through parametric model  updates

Automatic contact and connections

Connections  and Contact  Definition

Meshing and Pre‐processing 

Mesh Metrics

Static Analysis: Dynamic Braking & Turning

Turning Loads Displacement Results

Equivalent Stress Results

Parameter Manager & Design Optimization • Parameter Manager  across all applications: – Design of experiments – Design for six sigma and  robust design

• Input and output  parameters from CAD;  material properties;  boundary conditions and  results and derived  results variables

Geometry Updates and Design Parameters

• CATIA model update within ANSYS DesignModeler through  parametric design • Model updates can be transferred back to CAD system through  bidirectional associativity

Automatic Mesh Updates with Design Parameters

Post‐processing through design iterations

Reduced stresses levels Equivalent Stress

Displacement Results

Equivalent Stress Results

Topological Optimization

Upper and Lower Torsion Links

Minimization of Structural Compliance

ANSYS System Simulation Capabilities • ANSYS Workbench provides an  integrated solution environment for  CAD geometry, meshing, CFD,  implicit/explicit structural dynamics  Landing Gear Acoustics Simulation  and optimization using FLUENT • Capabilities for system simulation of aircraft landing gear – Structural dynamics simulation of landing gear – Thermal analysis of landing gear brake assembly – Brake squeal analysis of landing gear brake dynamics – CFD analysis for landing gear noise simulation …

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