Realistic Simulation of a Flexible Realistic Simulation of a Flexible Mechanism using ANSYS SolutionsMechanism using ANSYS Solutions

Achuth Rao, Ph.D.Product Line Manager

Product Management GroupANSYS Inc. 

Solution Brands and ProductsSolution Brands and ProductsStructural

ANSYS/Mechanical

Electromagnetics

ANSYS/EMAG

Fluids

CFX/FLUENT

Explicit

ANSYS/AUTODYN

ANSYS/Multiphysics

Meshing

ICEM CFD

Optimization

ANSYS/ANSYS/DesignXplorerDesignXplorer

Geometry and CAD integrationGeometry 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.)

ANSYS WorkbenchANSYS Workbench

Workflow: Dynamic Drop Test AnalysisWorkflow: 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 R17CAD: CATIA R17

ANSYS ANSYS DesignModelerDesignModeler

ANSYS SimulationANSYS Simulation

ANSYS Flexible MultiANSYS Flexible Multi‐‐body Dynamicsbody 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 RepresentationConnectors and FE Representation

• Connectors and contact behavior defined on geometry

• Equivalent FE representation though mass and connectors  

FE Mesh RepresentationFE Mesh RepresentationGeometry representation Geometry representation 

==

Nonlinear Contact Modeling with FrictionNonlinear Contact Modeling with Friction

Contact Mesh 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 DampingTire Stiffness and DampingK = 10000 lb/inK = 10000 lb/inC = 5 C = 5 lbflbf--sec/insec/in

Stiffness and Damping Characteristics Stiffness and Damping Characteristics 

Nonlinear Stiffness CurveNonlinear Stiffness Curve

Nonlinear Damping CurveNonlinear Damping Curve0

100000

200000

300000

400000

500000

600000

700000

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

Landing Gear without Rotation and ContactLanding Gear without Rotation and Contact

0

50000

100000

150000

200000

250000

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

• Rotation of tires and contact with payment ignored• Tire model approximated with a spring‐damper system

Reaction Reaction vsvs Strut StrokeStrut Stroke

Landing Gear with Rotation and FrictionLanding 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

Reaction Reaction vsvs Strut StrokeStrut Stroke

0

50000

100000

150000

200000

250000

0 5 10 15 20

Dynamic Drop Test AnalysisDynamic Drop Test Analysis

Reaction Reaction vsvs Strut StrokeStrut Stroke

FMBD Solution Strategies & BenefitsFMBD Solution Strategies & Benefits

• FE based FMBD offers time savings in total solution time as compared to traditional approaches

• Made possible by an integrated solution environmentcombined with improvements in solver technology and high performance computing

Traditional TechniquesTraditional Techniques

MBDMBDFEAFEA CBCB POSTPOSTMESHMESH PREPRE

FEAFEA POSTPOSTMESHMESH PREPRE

FE Based ApproachFE Based Approach SavingsSavings

CB = Craig CB = Craig BamptomBamptom TechniqueTechnique

ANSYS WorkbenchANSYS Workbench

Workflow: Static AnalysisWorkflow: 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 R17CAD: CATIA R17

ANSYS ANSYS DesignModelerDesignModeler

ANSYS SimulationANSYS Simulation

ANSYS ANSYS DesignXplorerDesignXplorer

Static Analysis: Cylinder & Lug DesignStatic 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 connectionsAutomatic contact and connections

Connections Connections and Contact and Contact DefinitionDefinition

Meshing and PreMeshing and Pre‐‐processing processing 

Mesh MetricsMesh Metrics

Static Analysis: Dynamic Braking & TurningStatic Analysis: Dynamic Braking & Turning

Displacement ResultsDisplacement Results

Turning LoadsTurning Loads

Equivalent Stress ResultsEquivalent Stress Results

Parameter Manager & Design OptimizationParameter 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 ParametersGeometry 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 ParametersAutomatic Mesh Updates with Design Parameters

PostPost‐‐processing through design iterationsprocessing through design iterations

Displacement ResultsDisplacement Results

Equivalent StressEquivalent Stress

Equivalent Stress ResultsEquivalent Stress Results

Reduced stresses levelsReduced stresses levels

Topological OptimizationTopological OptimizationUpper and Lower Torsion LinksUpper and Lower Torsion Links

Minimization of Structural ComplianceMinimization of Structural Compliance

ANSYS System Simulation CapabilitiesANSYS System Simulation Capabilities

• 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 …

• ANSYS Workbench provides an integrated solution environment for CAD geometry, meshing, CFD, implicit/explicit structural dynamics and optimization

Landing Gear Acoustics Simulation Landing Gear Acoustics Simulation using FLUENTusing FLUENT