ANSYS 连杆机构运动分析实例曲柄滑块机构.docx

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ANSYS连杆机构运动分析实例曲柄滑块机构

第15例连杆机构运动分析实例—曲柄滑块机构

[本例提示]介绍了利用ANSYS对连杆机构进行运动学分析的方法、步骤和过程，并使用解析解对有限元分析结果进行了验证。

着重介绍了曲柄滑块机构模型的创建以及约束的施加方法，介绍了三维铰链单元COMBIN7的使用方法。

15.1概述

本分析仍然属于瞬态动力学分析，分析过程与普通的瞬态动力学分析基本相同。

其关键在于三维铰链单元COMBIN7的创建，现在此简单介绍。

三维铰链COMBIN7单元属于三维单元，有5个节点，分别是活跃节点I和J、用以定义铰链轴的节点K、控制节点L和M（图15-1）。

活跃节点I和J应该位置重合，并且分属于LINKA和B，LINKA和B是一个单元或单元集合。

如果节点K没有定义，则铰链轴为全球笛卡尔坐标系的z轴。

三维铰链COMBIN7单元的进一步内容请参阅ANSYS帮助文档。

另外，本分析必须将大变形选项打开。

15.2问题描述及解析解

图15-2所示为一曲柄滑块机构，曲柄长度R=250mm、连杆长度L=620mm、偏距e=200mm，曲柄为原动件，转速为n1=30r/min，求滑块3的位移s3、速度v3、加速度a3随时间变化情况。

根据机械原理的知识[5][6]，该问题的解析解十分复杂，使用不太方便。

本例用图解法解决问题，由于过程比较繁琐，而且只是为了验证有限元解的正确性，所以，关于滑块3的位移s3、速度v3、加速度a3随时间t变化情况的图形没有必要给出。

在这里只求解了以下数据：

滑块的行程H=535.41mm。

机构的极位夹角为θ=19.43°，于是机构的行程速比系数

。

由于机构一个工作循环周期为

s，所以机构工作行程经历的时间

s，空回行程经历的时间

s。

15.3分析步骤

15.3.1改变工作名

拾取菜单UtilityMenu→File→ChangeJobname。

弹出图15-3所示的对话框，在“[/FILNAM]”文本框中输入EXAMPLE15，单击“Ok”按钮。

图15-3改变工作名对话框

15.3.2定义参量

拾取菜单UtilityMenu→Parameters→ScalarParameters。

弹出图15-4所示的对话框，在“Selection”文本框中输入PI=3.1415926，单击“Accept”按钮；再在“Selection”文本框中依次输入R=0.25（曲柄长度）、L=0.62（连杆长度）、E=0.2（偏距）、OMGA1=30（曲柄转速）、T=60/OMGA1（曲柄转动一周所需时间，单位：

s）、FI0=ASIN（E/（R+L））、AX=0、AY=0（铰链A坐标）、BX=R*COS（FI0）、BY=-R*SIN（FI0）（铰链B坐标）、CX=（R+L）*COS（FI0）、CY=-E（铰链C坐标），同时单击“Accept”按钮；最后，单击图15-4所示的对话框的“Close”按钮。

15.3.3创建单元类型

拾取菜单MainMenu→Preprocessor→ElementType→Add/Edit/Delete。

弹出图15-5所示的对话框，单击“Add”按钮；弹出图15-6所示的对话框，在左侧列表中选“Combination”，在右侧列表中选“Revolutejoint7”，单击“Apply”按钮；再在左侧列表中选“StructuralBeam”在右侧列表中选“3Delastic4”,单击“Ok”按钮；单击图15-5所示的对话框的“Close”按钮。

15.3.4定义材料特性

拾取菜单MainMenu→Preprocessor→MaterialProps→MaterialModels。

弹出的图15-7所示的对话框，在右侧列表中依次双击“Structural”、“Linear”、“Elastic”、“Isotropic”，弹出图15-8所示的对话框，在“EX”文本框中输入2e11（弹性模量），在“PRXY”文本框中输入0.3（泊松比），单击“Ok”按钮；再双击右侧列表中“Structural”下“Density”，弹出图15-9所示的对话框，在“DENS”文本框中输入1e-14（密度。

近似为0，即不考虑各杆的惯性力），单击“Ok”按钮。

然后关闭图15-7所示的对话框。

15.3.5定义实常数

拾取菜单MainMenu→Preprocessor→RealConstants→Add/Edit/Delete。

弹出图15-10所示的对话框，单击“Add”按钮，弹出图15-11所示的对话框，在列表中选择“Type1COMBIN7”，单击“Ok”按钮，弹出图15-12所示的对话框（注：

图中对该对话框作了删节），在“K1”、“K2”、“K3”、“K4”文本框中分别输入1E9、1E3、1E3、0，单击“Ok”按钮；返回到图15-10所示的对话框，再次单击“Add”按钮，弹出图15-11所示的对话框，在列表中选择“Type2BEAM4”，单击“Ok”按钮，弹出图15-13所示的对话框（注：

图中对该对话框作了删节），在“AREA”、“IZZ”、“IYY”、“TKZ”、“TKY”文本框中分别输入4E-4、1.3333E-8、1.3333E-8、0.02、0.02，单击“Ok”按钮；返回到图15-10所示的对话框，单击“Close”按钮。

15.3.6创建节点

拾取菜单MainMenu→Preprocessor→Modeling→Create→Nodes→InActiveCS。

弹出图15-14所示的对话框，在“NODE”文本框中输入1，在“X,Y,Z”文本框中分别输入AX,AY,0，单击“Apply”按钮；在“NODE”文本框中输入2，在“X,Y,Z”文本框中分别输入BX,BY,0，单击“Apply”按钮；在“NODE”文本框中输入3，在“X,Y,Z”文本框中分别输入BX,BY,0，单击“Apply”按钮；在“NODE”文本框中输入4，在“X,Y,Z”文本框中分别输入CX,CY,0，单击“Apply”按钮；在“NODE”文本框中输入5，在“X,Y,Z”文本框中分别输入BX,BY,-1，单击“Ok”按钮。

15.3.7指定单元属性

拾取菜单MainMenu→Preprocessor→Modeling→Create→Elements→ElemAttributes。

弹出图15-15所示的对话框，选择下拉列表框“TYPE”为“1COMBIN7”，选择下拉列表框“MAT”为“1”，选择下拉列表框“REAL”为“1”，单击“Ok”按钮。

15.3.8创建铰链单元

拾取菜单MainMenu→Preprocessor→Modeling→Create→Elements→AutoNumbered→ThruNodes。

弹出拾取窗口，在拾取窗口的文本框中输入2,3,5，单击“Ok”按钮，于是在节点2和3处（即B点）创建了一个铰链单元。

15.3.9指定单元属性

拾取菜单MainMenu→Preprocessor→Modeling→Create→Elements→ElemAttributes。

弹出图15-15所示的对话框，选择下拉列表框“TYPE”为“2BEAM4”，选择下拉列表框“MAT”为“1”，选择下拉列表框“REAL”为“2”，单击“Ok”按钮。

15.3.10创建梁单元

用来模拟各个杆，拾取菜单MainMenu→Preprocessor→Modeling→Create→Elements→AutoNumbered→ThruNodes。

弹出拾取窗口，在拾取窗口的文本框中输入1,2，单击“Apply”按钮；再在拾取窗口的文本框中输入3,4，单击“Ok”按钮。

于是创建了2个梁单元，2个梁单元由B点处铰链单元连接。

15.3.11指定分析类型

拾取菜单MainMenu→Solution→AnalysisType→NewAnalysis。

在弹出的“Newanalysis”对话框中，选择“TypeofAnalysis”为“Transient”，单击“Ok”按钮，在随后弹出的“TransientAnalysis”对话框中，单击“Ok”按钮。

15.3.12打开大变形选项

拾取菜单MainMenu→Solution→AnalysisType→AnalysisOptions。

弹出图15-16所示的对话框，将“NLGEOM”打开，单击“Ok”按钮。

15.3.13确定载荷步时间和时间步长

拾取菜单MainMenu→Solution→LoadStepOpts→Time/Frequenc→Time-TimeStep。

弹出图15-17所示的对话框，在“TIME”文本框中输入T，在“DELTIMTimeStepsize”文本框中输入T/70，选择“KBC”为“Ramped”，单击“Ok”按钮。

15.3.14确定数据库和结果文件中包含的内容

拾取菜单MainMenu→Solution→LoadStepOpts→OutputCtrls→DB/ResultsFile。

弹出图15-18所示的对话框，选择下拉列表框“Item”为“AllItems”，选中“Everysubstep”,单击“Ok”按钮。

15.3.15设定非线性分析的收敛值

拾取菜单MainMenu→Solution→LoadStepOpts→Nonlinear→ConvergenceCrit。

弹出图15-19所示的对话框，单击“Replace”按钮，弹出图15-20所示的对话框，在“Lab”右侧两个列表中分别选择“Structural”和“ForceF”，在“VALUE”文本框中输入1，在“TOLER”文本框中输入0.1，单击“Ok”按钮。

返回到图15-19所示的对话框，单击“Add”按钮，再次弹出图15-20所示的对话框，在“Lab”右侧两个列表中分别选择“Structural”

和“MomentM”，在“VALUE”文本框中输入1，在“TOLER”文本框中输入0.1，单击“Ok”按钮。

最后单击图15-19所示的对话框的“Close”按钮。

15.3.16施加约束

拾取菜单MainMenu→Solution→DefineLoads→Apply→Structural→Displacement→OnNodes。

弹出拾取窗口，单击“PickAll”按钮，弹出图15-21所示的对话框，在“Lab2”列表中选择“UZ”、“ROTX”、“ROTY”，单击“Apply”按钮；再次弹出拾取窗口，拾取节点1，单击“Ok”按钮，再次弹出图15-21所示的对话框，在“Lab2”列表中选择“ROTZ”，在“VALUE”文本框中输入2*PI，单击“Apply”按钮；再次弹出拾取窗口，拾取节点1，单击“Ok”按钮，再次弹出图15-21所示的对话框，在“Lab2”列表中选择“UX”、“UY”，在“VALUE”文本框中输入0，单击“Apply”按钮；再次弹出拾取窗口，拾取节点4，单击“Ok”按钮，再次弹出图15-21所示的对话框，在“Lab2”列表中选择“UY”，在“VALUE”文本框中输入0，单击“Ok”按钮。

15.3.17求解

拾取菜单MainMenu→Solution→Solve→CurrentLS。

单击“SolveCurrentLoadStep”对话框的“Ok”按钮。

出现“Solutionisdone!

”提示时，求解结束，从下一步开始，进行结果的查看。

15.3.18定义变量

拾取菜单MainMenu→TimeHistPostpro→DefineVariables。

弹出图15-22所示的对话框，单击“Add”按钮，弹出图15-23所示的对话框，选择“TypeofVariable”为“NodalDOFresult”，单击“Ok”按钮，弹出拾取窗口，拾取节点4，单击“Ok”按钮，弹出图15-24所示的对话框，在右侧列表中选择“UX”，单击“Ok”按钮，返回到图15-22所示的对话框，单击“Close”按钮。

于是定义了一个变量2，它可以表示滑块的位移s3。

15.3.19对变量进行数学操作

把变量2对时间t微分，得到滑块的速度v3；把速度v3对时间t微分，得到滑块的加速度a3。

拾取菜单MainMenu→TimeHistPostpro→MathOperations→Derivative。

弹出图15-25所示的对话框，在“IR”文本框中输入3，在“IY”文本框中输入2，在“IX”文本框中输入1，单击“Apply”按钮；再次弹出图15-25所示的对话框，在“IR”文本框中输入4，在“IY”文本框中输入3，在“IX”文本框中输入1，单击“Ok”按钮。

经过以上操作，得到两个新的变量3和4。

其中，变量3是变量2对变量1的微分，而变量2是位移s，变量1是时间t（系统设定），所以，变量3就是角速度v3；同样可知，变量4就是角加速度a3。

15.3.20用曲线图显示位移、速度和加速度

拾取菜单MainMenu→TimeHistPostpro→GraphVariables。

弹出图15-26所示的对话框，在“NVAR1”文本框中输入2，单击“Ok”按钮，结果如图15-27所示。

再重复执行两次以上命令，在弹出对话框的“NVAR1”文本框中分别输入3和4，单击“Ok”按钮，结果如图15-28、图15-29所示。

15.3.21列表显示角位移、角速度

拾取菜单MainMenu→TimeHistPostpro→ListVariables。

在弹出对话框的“NVAR1”和“NVAR2”文本框中分别输入2，单击“Ok”按钮。

在得到的列表中可以看到变量2即位移s3的最大值为0.535376，此值即滑块的行程H，该值对应的时间为0.88571s，此值即空回行程经历的时间。

对比由机械原理图解法得到的结果，可以看出有限元解是正确的，而且具有相当高的精度。

15.4命令流：

/CLEAR

/FILNAME,EXAMPLE15

/PREP7

PI=3.1415926

R=0.25

L=0.62

E=0.2

OMGA1=30

T=60/OMGA1

FI0=ASIN（E/（R+L））

AX=0

AY=0

BX=R*COS（FI0）

BY=-R*SIN（FI0）

CX=（R+L）*COS（FI0）

CY=-E

ET,1,COMBIN7

ET,2,BEAM4

MP,EX,1,2E11

MP,PRXY,1,0.3

MP,DENS,1,1E-14

R,1,1E9,1E3,1E3,0

R,2,4E-4,1.3333E-8,1.3333E-8,0.02,0.02

N,1,AX,AY

N,2,BX,BY

N,3,BX,BY

N,4,CX,CY

N,5,BX,BY,-1

TYPE,1

REAL,1

E,2,3,5

TYPE,2

REAL,2

E,1,2

E,3,4

FINISH

/SOLU

ANTYPE,TRANS

NLGEOM,ON

DELTIM,T/70

KBC,0

TIME,T

OUTRES,ALL,ALL

CNVTOL,F,1,0.1

CNVTOL,M,1,0.1

D,ALL,UZ

D,ALL,ROTX

D,ALL,ROTY

D,1,ROTZ,2*PI

D,1,UX

D,1,UY

D,4,UY

SOLVE

SAVE

FINISH

/POST26

NSOL,2,4,U,X

DERIV,3,2,1

DERIV,4,3,1

PLVAR,2

PLVAR,3

PLVAR,4

FINISH

[练习题]

15-1如图所示为一曲柄摇杆机构，各杆长度分别为lAB=120mm、lBC=293mm、lCD=420mm、lAD=500mm，曲柄为原动件，转速为0.5r/min，求摇杆角位移φ3、角速度ω3、角加速度ε3随时间变化情况。

图15-30习题1示意图