曲柄滑塊機(jī)構(gòu)基于ANSYS的運(yùn)動(dòng)特性分析

ANSYS學(xué)習(xí)心得 學(xué)院： 班級： 學(xué)號： 姓名： 時(shí)間：2012年7月2日——7月6日 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)基于ANSYS的運(yùn)動(dòng)特性分析 摘要：隨著工業(yè)的發(fā)展，不同規(guī)格的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)被應(yīng)用到了更多的機(jī)械設(shè)備中去，在機(jī)械制造工業(yè)以及其他工業(yè)的生產(chǎn)中作用越來越顯著，例如在汽車、電子、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療等部門都用廣泛的應(yīng)用。因而提高機(jī)械的自動(dòng)化程度，降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，改善勞動(dòng)條件都離不開對曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的研究。 本文使用有限元法對曲柄滑塊機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)特性分析。首先利用解析法對問題進(jìn)行求解，但是求解過程較為復(fù)雜，計(jì)算量大，鑒于ANSYS中有一類分析類型是結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析，符合本題得要求，可以加以應(yīng)用，簡化計(jì)算。本文選擇三維鉸鏈單元COMBIN7建立模型進(jìn)行分析求解。對有限元與解析解進(jìn)行分析與對比，可以看出有限元解的最優(yōu)解的。 關(guān)鍵詞：有限元法，運(yùn)動(dòng)特性，ANSYS，瞬態(tài)動(dòng)力學(xué) Crank - slider mechanism motion characteristics analysis based on ANSYS Abstract :With development of industry, more and more different specifications of the Crank - slider mechanism is applied to the mechanical equipment. It pays an increasingly significant role in the machinery manufacturing industry and other industrial production with a wide range of applications .For example,in the auto industry ,Electronics, Agriculture, Medical and other departments . Therefor, the Crank - slider mechanism increases mechanical automation ,reducing labor intensity and improving working conditions. This paper using finite element method investigate the Crank - slider mechanism analysis of movement characteristics. Firstly, by using analytical method to solve problems，but solving process is relatively complex and large amount of calculation. There is a certain type of ANSYS which is a type of structure dynamics analysis, in accordance with the required analysis which can be used. The topic choices three dimensional hinge unit COMBIN7 on the analysis solution. In the end, the analytical solution and ANSYS finite element solution is compared, we can get the optimal solution from the finite element . Key Words：Finite element method; Movement characteristics；ANSYS; Transient dynamic 第一章 引 言 1.1 本文的主要研究內(nèi)容 ANSYS是大型的通用有限元軟件，其功能強(qiáng)大，可靠性好，具有強(qiáng)大的結(jié)構(gòu)分析能力和優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊，因而被國內(nèi)外大多數(shù)機(jī)械行業(yè)所采用。本文將基于ANSYS建立曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的有限元模型，對曲柄滑塊機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析。首先，對ANSYS進(jìn)行了簡要的介紹，為曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的有限元分析做好準(zhǔn)備工作；然后，利用ANSYS建立了曲柄搖桿機(jī)構(gòu)實(shí)體單元模型，然后利用ANSYS對結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行研究，并給出分析步驟。最后將利用解析法計(jì)算出的結(jié)果與ANSYS運(yùn)算出的結(jié)果進(jìn)行比較，從而對曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的位移、速度、加速度進(jìn)行分析。 第二章 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的求解與分析 2.1 問題描述 分析如圖所示曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的位移、速度、加速度隨時(shí)間變化的情況。已知：=120mm,=300mm,e=50mm,曲柄AB轉(zhuǎn)速ω=100rad/s. 2.2 有限元解 2.2.1定義參量 分析前要將分析過程中所需的參量進(jìn)行定義，需要定義PI的值以及鉸鏈A、B、C、D的坐標(biāo)，OMGA1 (曲柄轉(zhuǎn)速)，T (曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)一周所需時(shí)間，單位為s)，具體定義值如下。 參數(shù) 參數(shù)值或表達(dá)式 PI 3.1415926 OMGA1 100/(2*PI) T 1/OMGA1 0.12 0.3 FI0 ASIN(E/(R+L)) E 0.05 (AX,AY) (0,0) (BX,BY) (R*COS(FI0),-R*SIN(FI0)) (CX,CY) ((R+L)*COS(FI0),-E) 2.2.2 創(chuàng)建單元類型 本次課題中的俯仰結(jié)構(gòu)是三維彈性材料，既承受拉壓力也有彎矩存在，因此可以選用BEAM4單元和COMBIN7單元。 COMBIN7是個(gè)三維鉸接連接單元, 是三維銷釘（或旋轉(zhuǎn)）鉸鏈單元，可用于在公共點(diǎn)上連接模型的兩個(gè)或多個(gè)部分，適用于運(yùn)動(dòng)學(xué)靜力分析和運(yùn)動(dòng)學(xué)動(dòng)力分析。 BEAM4是一種可用于承受拉、壓、彎、扭的單軸受力單元。這種單元在每個(gè)節(jié)點(diǎn)上有六個(gè)自由度：x、y、z三個(gè)方向的線位移和繞x,y,z三個(gè)軸的角位移?？捎糜谟?jì)算應(yīng)力硬化及大變形的問題。通過一個(gè)相容切線剛度矩陣的選項(xiàng)用來考慮大變形（有限旋轉(zhuǎn)）的分析。 在 Main menu 中選擇單元類型命令，選擇Combination 中的Revolute joint 7（COMBIN7），選擇Structural Beam中的3D elastic 4（BEAM4），這樣就完成了BEAM4單元和COMBIN7單元的創(chuàng)建。 2.2.3 定義材料特性 在系統(tǒng)的材料屬性設(shè)置對話框中依次選取Structural（結(jié)構(gòu)）、Linear（線性）、Elastic（彈性）、Isotropic（各向同性），彈性模量（EX）為2E11和泊松比（PRXY）為0.3；再依次選取Structural（結(jié)構(gòu)）、 Density（密度），不考慮各桿的慣性力，密度近似為0，將密度（DENS）定義為1e-14，完成材料特性的定義。 2.2.4 定義實(shí)常數(shù) 由于本課題使用了兩種單元類型，需將兩個(gè)單元分別加以定義。Type 1 COMBIN7單元的實(shí)常量定義，需要定義X-Y 平動(dòng)剛度、Z 方向剛度、X-Y旋轉(zhuǎn)剛度、扭轉(zhuǎn)剛度4個(gè)實(shí)常數(shù)，分別為1E9、1E3、1E3、0。Type 2 BEAM4單元的實(shí)常量定義，需定義橫截面積、Z軸慣性矩、y軸慣性矩、沿Z軸單元厚度、沿Y 軸單元厚度5個(gè)實(shí)常數(shù)，分別為4E-4、1.3333E-8、1.3333E-8、0.02、0.02。 2.2.5 創(chuàng)建節(jié)點(diǎn) 創(chuàng)建1~5號節(jié)點(diǎn)，1~5號節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)值如表3.1所示。 表 3.1 關(guān)鍵點(diǎn)的坐標(biāo)值 節(jié)點(diǎn)號 活動(dòng)坐標(biāo)系的坐標(biāo)值 1 （AX，AY，0） 2 （BX，BY，0） 3 （BX，BY，0） 4 （CX，CY，0） 5 （BX, BY, -1） 2.2.6 指定單元屬性 拾取菜單 Main Menu Elem→Preprocessor→modeling→create→elements→elem Attributes選項(xiàng)，確定“COMBIN7”單元的單元屬性，表示選定使用的“COMBIN7”單元，其材料屬性編號為1，實(shí)常數(shù)編號為1。 2.2.7 創(chuàng)建鉸鏈單元 拾取節(jié)點(diǎn)2,3,5，創(chuàng)建了一個(gè)鉸鏈單元，其中心在節(jié)點(diǎn)2,3處（節(jié)點(diǎn)2、3重合于B點(diǎn)）。 2.2.8 指定單元屬性 確定“BEAM4”單元的單元屬性，表示選定使用的“BEAM4”單元，其材料屬性編號為1，實(shí)常數(shù)編號為2。 2.2.9 創(chuàng)建梁單元 分別拾取節(jié)點(diǎn) 1,2，點(diǎn)擊apply，再在拾取窗口的文本框中輸入 3,4，創(chuàng)建2個(gè)梁單元。 2.2.10 指定分析類型 打開Solution 中的New Analysis命令。指定分析類型為“Transient”，即指定分析類型為瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析。 2.2.11 打開大變形選項(xiàng) 本課題屬于非線性穩(wěn)定問題，因此需打開大變形選項(xiàng)。打開Solution 中的Analysis Options選項(xiàng)。將“NLGEOM”打開，打開大變形選項(xiàng)。 2.2.12 確定第一個(gè)載荷步時(shí)間和時(shí)間步長 打開Solution 中的Time-Time Step選項(xiàng)，彈出對話框，將第一個(gè)載荷步時(shí)間定義為T即曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)一周所需的時(shí)間；將時(shí)間步長定義為 T/25，選擇“KBC”為“Ramped”，指定載荷為坡度載荷。 2.2.13 確定數(shù)據(jù)庫和結(jié)果文件中包含的內(nèi)容 在對話框中，選擇下拉表框“Item”為“All Items”，選中“Every substep”。表明在結(jié)果中記錄所有項(xiàng)目的各個(gè)分步。 2.2.14 設(shè)定非線性分析的收斂值 在對話框中，分別選擇“Structural”和“Force F”，將受力的收斂值的參考值定義為1，將收斂參考值定義為0.1，再分別選擇“Structural”和“Moment M”，將力矩的收斂值定義為1，將力矩收斂參考值定義為0.1，完成非線性分析收斂值的設(shè)定。 2.2.15 施加約束 在建好的模型中選擇所有節(jié)點(diǎn)，在對話框中，約束“UZ”“ROTX”、“ROTY”方向的自由度；拾取節(jié)點(diǎn)1，在“ROTZ”方向上施加值為2*PI的約束；再次拾取節(jié)點(diǎn)1，在 “UX”、“UY”方向上施加值為0的約束；再次拾取節(jié)點(diǎn)4，在“UY”方向上施加值為0的約束，完成約束定義。 2.2.16 求解 選擇Solve下的Current LS命令，進(jìn)行問題的求解，出現(xiàn)“Solution is done！”提示時(shí)，求解結(jié)束，進(jìn)行結(jié)果的查看。 2.2.17 定義變量 在對話框中，將“Type of Variable”定義為“Nodal DOF result”，即變量類型為節(jié)點(diǎn)的自由度。拾取節(jié)點(diǎn)4，在對話框中，在右側(cè)列表中選擇“Translation UX”，完成變量2的定義，表示滑塊的位移。 2.2.18 對變量進(jìn)行數(shù)學(xué)操作 把變量2對時(shí)間t微分，得到滑塊的速度；速度對時(shí)間t微分，得到滑塊的角加速度。在對話框中，在“IR”文本框中輸入3，在“IY”文本框中輸入2，在“IX”文本框中輸入1，點(diǎn)擊apply，彈出對話框，在“IR”文本框中輸入4，在“IY”文本框中輸入3，在“IX”文本框中輸入1，完成對變量的數(shù)學(xué)操作。 經(jīng)過以上操作，得到兩個(gè)新的變量3和4.其中，變量3是變量2對變量1的微分，而變量2是位移，變量1是時(shí)間T（系統(tǒng)設(shè)定），所以，變量3就是角速度；同樣可知，變量4就是角加速度。 2.2.19 用曲線圖顯示角位移、角速度和角加速度 打開TimeHist Postpro 下Graph Variables顯示曲線圖，在“NVAR1”文本框中輸入2，點(diǎn)擊OK，結(jié)果如圖2.2所示。再重復(fù)執(zhí)行兩次以上命令，在對話框的“NVAR1”文本框中分別輸入3和4，結(jié)果如圖2.3、2.4所示。 圖3.2 位移曲線 圖3.3 速度曲線 圖3.4 加速度曲線 3.3.20 列表顯示角位移、角速度和角加速度 打開TimeHist Postpro 下的List Variables命令。在對話框中的“NVAR1”和”“NVAR2”文本框中分別輸入2、3，在得到的列表中可以看出變量2即位移的最大值為0.244047s，此即滑塊的行程，該值對應(yīng)的時(shí)間為1.8096s，即空回行程經(jīng)歷的時(shí)間，速度為0.411117E-02rad/s。 ***** ANSYS POST26 VARIABLE LISTING ***** TIME 4 UX 3 DERI UX 3 0.15080 -0.536064E-02 -0.825746E-01 0.30159 -0.211211E-01 -0.134514 0.45239 -0.459290E-01 -0.186453 0.60319 -0.773539E-01 -0.219561 0.75398 -0.112147 -0.230054 0.90478 -0.146736 -0.218103 1.0556 -0.177925 -0.188346 1.2064 -0.203540 -0.148371 1.3572 -0.222673 -0.105665 1.5080 -0.235408 -0.651425E-01 1.6588 -0.242319 -0.286455E-01 1.8096 -0.244047 0.411117E-02 1.9604 -0.241079 0.343714E-01 2.1112 -0.233681 0.635222E-01 2.2619 -0.221922 0.925966E-01 2.4127 -0.205755 0.121884 2.5635 -0.185162 0.150528 2.7143 -0.160357 0.176190 2.8651 -0.132025 0.195063 3.0159 -0.101527 0.202529 ***** ANSYS POST26 VARIABLE LISTING ***** TIME 4 UX 3 DERI UX 3 3.1667 -0.709432E-01 0.194426 3.3175 -0.428894E-01 0.168422 3.4683 -0.201483E-01 0.124856 3.6191 -0.523362E-02 0.668064E-01 3.7699 0.233469E-12 0.875674E-02 圖3.6 第四章 總結(jié)和展望 4.1 本文所做工作總結(jié) 基于ANSYS的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析使我在機(jī)械原理以及有限元軟件分析上受到了很好的訓(xùn)練。對于所學(xué)知識(shí)，有了一次綜合運(yùn)用的機(jī)會(huì)。 學(xué)習(xí)ANSYS的時(shí)間較短，加之英文操作界面，使得在ANSYS的運(yùn)用上遇到不少困難。首先對課題進(jìn)行研究，認(rèn)識(shí)到這屬于瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析。在對問題認(rèn)識(shí)清楚后，采用了梁單元BEAM4和三維鉸鏈單元COMBIN7建立了曲柄搖桿機(jī)構(gòu)模型，施加約束后對其進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)特性分析。 通過這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，我熟悉了 ANSYS 操作步驟，從定義單元類型到建模到結(jié)果分析，有了明確的思路和整體的認(rèn)識(shí)。了解了一般問題進(jìn)行ANSYS求解的步驟方法。而且，我還認(rèn)識(shí)到不同的工程問題，ANSYS 在定義時(shí)是根據(jù)實(shí)際情況定義的，沒有固定的方式、方法。 4.2 工作的展望 本次畢設(shè)是一個(gè)工程問題的實(shí)際應(yīng)用型課題，在我國，機(jī)械產(chǎn)業(yè)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有達(dá)到國際領(lǐng)先水平，并且與之相關(guān)的檢測、質(zhì)保、維護(hù)產(chǎn)業(yè)也沒有很好的發(fā)展。近年來，國家對于機(jī)械制造業(yè)有了大力的發(fā)展和推動(dòng)，同時(shí)對于其相關(guān)產(chǎn)業(yè)也有大幅度的推進(jìn)。ANSYS是大型的通用有限元軟件，其功能強(qiáng)大，可靠性好，具有強(qiáng)大的結(jié)構(gòu)分析能力和優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊，因而被國內(nèi)外大多數(shù)機(jī)械行業(yè)所采用。ANSYS作為工程問題解決的重要手段之一，也被得到重視、推廣。ANSYS可以模擬結(jié)構(gòu)力學(xué)、熱力學(xué)、流體力學(xué)、電磁學(xué)、聲學(xué)等領(lǐng)域的各種復(fù)雜物理現(xiàn)象。因此，ANSYS軟件在我國的機(jī)械設(shè)計(jì)與制造、航空航天、交通、化工和能源、電子等行業(yè)得到了巨大的應(yīng)用，將來會(huì)為各領(lǐng)域的科學(xué)研究和產(chǎn)品開出做出巨大貢獻(xiàn) 參 考 文 獻(xiàn) [1] 程社聯(lián)等. 有限元法在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[A]. 楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院報(bào)，2009 [2] 龔曙光，黃云清.有限元分析與 ANSYS APDL 編程及高級應(yīng)用[M]，北京，機(jī)械工業(yè)出版社，2009 [3] 王富恥等. ANSYS10.0有限元分析理論與工程應(yīng)用[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2006 [4] 楊咸啟等.現(xiàn)代有限元理論技術(shù)與工程應(yīng)用[M]。北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007 [5] 黃云清.有限元分析與 ANSYS APDL 編程及高級應(yīng)用[M]。北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009 [6] 盛和太等. ANSYS有限元原理與工程應(yīng)用實(shí)例大全[M]. 北京: 清 華大學(xué)出版社, 2006 [7] 杜平安等. 有限元法—原理、建模及應(yīng)用，北京: 國防工業(yè)出版 社, 2004 [8] 邢靜忠. ANSYS應(yīng)用實(shí)例與分析[M]. 北京: 科技出版社, 2006 [9] 王富恥等. ANSYS10.0有限元分析理論與工程應(yīng)用[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2006 第 11 頁 共 11 頁