直动尖顶从动件盘型凸轮机构有限元分析毕业设计.docx
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直动尖顶从动件盘型凸轮机构有限元分析毕业设计
毕业设计说明书
题目：
直动尖顶从动件盘型凸轮机构有限元分析
专业：
机械设计制造及其自动化
学号：
姓名：
指导教师：
完成日期：
2014年5月30日
毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明
原创性声明
本人郑重承诺：
所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。
尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。
对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。
作者签名：
日 期：
指导教师签名：
日 期：
使用授权说明
本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：
按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。
作者签名：
日 期：
学位论文原创性声明
本人郑重声明：
所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。
除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。
本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。
作者签名：
日期：
年月日
学位论文版权使用授权书
本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。
本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。
涉密论文按学校规定处理。
作者签名：
日期：
年月日
导师签名：
日期：
年月日
注意事项
1.设计（论文）的内容包括：
1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）
2）原创性声明
3）中文摘要（300字左右）、关键词
4）外文摘要、关键词
5）目次页（附件不统一编入）
6）论文主体部分：
引言（或绪论）、正文、结论
7）参考文献
8）致谢
9）附录（对论文支持必要时）
2.论文字数要求：
理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。
3.附件包括：
任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。
4.文字、图表要求：
1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写
2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规范。
图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画
3）毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印
4）图表应绘制于无格子的页面上
5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档
5.装订顺序
1）设计（论文）
2）附件：
按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订
指导教师评阅书
指导教师评价：
一、撰写（设计）过程
1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神
□优□良□中□及格□不及格
2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度
□优□良□中□及格□不及格
3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力
□优□良□中□及格□不及格
4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性
□优□良□中□及格□不及格
5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况
□优□良□中□及格□不及格
二、论文（设计）质量
1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？
□优□良□中□及格□不及格
三、论文（设计）水平
1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意？
设计是否有创意？
□优□良□中□及格□不及格
3、论文（设计说明书）所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
建议成绩：
□优□良□中□及格□不及格
（在所选等级前的□内画“√”）
指导教师：
（签名）单位：
（盖章）
年月日
评阅教师评阅书
评阅教师评价：
一、论文（设计）质量
1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？
□优□良□中□及格□不及格
二、论文（设计）水平
1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意？
设计是否有创意？
□优□良□中□及格□不及格
3、论文（设计说明书）所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
建议成绩：
□优□良□中□及格□不及格
（在所选等级前的□内画“√”）
评阅教师：
（签名）单位：
（盖章）
年月日
教研室（或答辩小组）及教学系意见
教研室（或答辩小组）评价：
一、答辩过程
1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况
□优□良□中□及格□不及格
2、对答辩问题的反应、理解、表达情况
□优□良□中□及格□不及格
3、学生答辩过程中的精神状态
□优□良□中□及格□不及格
二、论文（设计）质量
1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？
□优□良□中□及格□不及格
三、论文（设计）水平
1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意？
设计是否有创意？
□优□良□中□及格□不及格
3、论文（设计说明书）所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
评定成绩：
□优□良□中□及格□不及格
教研室主任（或答辩小组组长）：
（签名）
年月日
教学系意见：
系主任：
（签名）
年月日
直动尖顶从动件盘型凸轮机构有限元分析
●摘要：
凸轮
●盘型凸轮机构是常用机构应用范围很广，自三十年代以来，人们就在不断研究它，并且研究工作随着新技术，新方法的产生和应用在不断深化，目前低，中速凸轮机构的研究在各方面已经相当完善，成熟。
凸轮机构结构简单紧凑，在前言在各种机械中,特别是自动机和自动控制装置中,广泛采用着各种形式的凸轮机构。
本文进行了直动尖底从动件盘形凸轮机构的有限元仿真分析。
以一对凸轮机构为实例，建立它的ANSYS仿真模型，通过凸轮静力学分析得出凸轮受力云图及其变形，凸轮从动件运动学分析，得出了其瞬态时的位移和速度曲线，位移和加速度曲线等，为凸轮的优化设计和改进提供了理论依据和设计原则。
当然在分析过程中也存在结果误差，ANSYS分析值与理论值有差异原因可能是：
用ANSYS对凸轮机构进行分析时输入的弹性模量、密度、泊松比等相关参数以及网格划分的疏密程度都对分析结果有一定的影响。
关键词：
凸轮；运动学分析；ANSYS
SteepledisccamfollowerFiniteElementAnalysis
Abstract:
Cammechanismisa common mechanismof applicationrange isverywide,sincethirtytime, peoplehavebeen studyingit, and work withnewtechnologies, and theapplicationofthenewmethod inthedeepening, thestudyof low, mediumspeed cammechanism inallaspects isalreadyquiteperfect, mature. Cam mechanismissimpleandcompactinstructure, inthepreface in allkindsofmachinery, especiallythe automaton andautomaticcontroldevice, iswidelyused invariousforms ofcam mechanism.
Thefiniteelementanalysisoftranslationfollowerwithsharpendofdish-shapedcamispresented.Takingacertaincamasaexample,theanalysismodelisbuiltinANSYSandthetransientdisplacement-velocitycurveanddisplacement-accelerationcurveandobtained.Allthisprovidethetheoreticalbasicanddesignprinciplefortheoptimizationdesignandimprovementofthecam.
Ofcourse, theerror exists intheprocessofanalysis, ANSYSanalysis andtheoreticalvaluesof different possiblereasons:
the input of thecamfollower isanalyzedwith ANSYS elasticmodulus, density, Poisson'sratio andotherrelated parametersandthe mesh density has someeffecton theanalysisresults.
Keyswords:
cam;kineticanalysis;ANSYS
第一章绪论
1.1ANSYS对产品分析优化设计的发展概况
1.1.1ANSYS基本概括
ANSYS作为有限元领域的大型通用程序，以其多物理场耦合分析的先进技术和理念，在工业领域和研究方向都有广泛而深入的应用。
ANSYS具有结构、流体、热电磁及其相互耦合分析的功能。
ANSYS有限元分析可以缩短新产品的研发周期，提高新产品质量，大幅度的降低新产品的研发成本，在公司新产品研发中将发挥重要的作用。
研发成本低，产品质量优等特点，以往采用多种方案设计，试制不同的样机进行对比，再通过试验去验证的设计方法有待改进，在设计过程中对产品的结构增加ANSYS有限元分析这一环节，有利于缩短产品研发周期，提高产品质量，节约开发成本。
ANSYS有限元分析的在各类产品设计中的应用会越来越广泛，对提高产品质量、提高产品设计水平必将起到重要的作用。
1.1.2ANSYS软件基本用途及组成部分
ANSYS软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。
由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国ANSYS开发，它能与多数CAD软件接口，实现数据的共享和交换，如Creo, NASTRAN,Alogor,I－DEAS,AutoCAD等，是现代产品设计中高级CAE工具之一。
CAE的技术种类有很多，其中包括有限元法（FEM,即FiniteElementMethod）,边界元法（BEM,即BoundaryElementMethod），有限差分法（FDM,即FiniteDifferenceElementMethod）等。
每一种方法各有其应用的领域，而其中有限元法应用的领域越来越广，现已应用于结构力学、结构动力学、热力学、流体力学、电路学、电磁学等。
ANSYS有限元软件包是一个多用途的有限元法计算机设计程序，可以用来求解结构、流体、电力、电磁场及碰撞等问题。
因此它可应用于以下工业领域：
航空航天、汽车工业、生物医学、桥梁、建筑、电子产品、重型机械、微机电系统、运动器械等。
软件主要包括三个部分：
前处理模块，分析计算模块和后处理模块。
前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型；
分析计算模块包括结构分析（可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析）、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力；
后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示（可看到结构内部）等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。
1.1.3ANSYS软件优势
软件提供了100种以上的单元类型，用来模拟工程中的各种结构和材料。
该软件有多种不同版本，可以运行在从个人机到大型机的多种计算机设备上，如PC，SGI，HP，SUN，DEC，IBM，CRAY等。
对于特定的物理学领域，ANSYS的软件可让用户能更深入地钻研，从而解决更多种类的问题，处理更为复杂的情况。
除了ANSYS外，没有哪家工程仿真软件供应商能提供如此深入的技术能力。
ANSYS的技术涵盖多个学科领域。
不论是需要结构分析、流体、热力、电磁学、显式分析、系统仿真还是数据管理，ANSYS的产品均能为各个行业的企业取得成功助一臂之力。
ANSYS在所提供的工程仿真工具的广度和数量上堪称绝无仅有。
以真正耦合的方式使用ANSYS技术，开发工程师即可获得符合现实条件的解决方案。
综合多物理场场产品组合能使用户利用集成环境中的多个耦合物理场进行仿真与分析。
ANSYS的成套产品极具灵活性。
不论是为企业中新手还是能手使用；是单套部署还是企业级部署；是首次通过还是复杂分析；是桌面计算、并行计算还是多核计算，这一工程设计的高扩展性均能满足当前与未来的需求。
ANSYS是唯一一家能提供客户所需能力水平的仿真软件供应商，而且能随此类需求的发展无限扩展。
工程设计与开发可使用多种CAD产品、内部开发代码、物料库、第三方求解器、产品数据管理流程等其他工具。
与那些刻板、僵化的系统不同，ANSYS的软件具有开放性和适应性特性，能实现高效的工作流程。
此外，其产品数据管理可使知识和经验在工作组间与企业内的实现共享。
1.2.ANSYS对产品分析优化设计的应用方法
1.2.1前处理部分
实体建模
ANSYS程序提供了两种实体建模方法：
自顶向下与自底向上。
自顶向下进行实体建模时，用户定义一个模型的最高级图元，如球、棱柱，称为基元，程序则自动定义相关的面、线及关键点。
用户利用这些高级图元直接构造几何模型，如二维的圆和矩形以及三维的块、球、锥和柱。
无论使用自顶向下还是自底向上方法建模，用户均能使用布尔运算来组合数据集，从而“雕塑出”一个实体模型。
ANSYS程序提供了完整的布尔运算，诸如相加、相减、相交、分割、粘结和重叠。
在创建复杂实体模型时，对线、面、体、基元的布尔操作能减少相当可观的建模工作量。
ANSYS程序还提供了拖拉、延伸、旋转、移动、延伸和拷贝实体模型图元的功能。
附加的功能还包括圆弧构造、切线构造、通过拖拉与旋转生成面和体、线与面的自动相交运算、自动倒角生成、用于网格划分的硬点的建立、移动、拷贝和删除。
自底向上进行实体建模时，用户从最低级的图元向上构造模型，即：
用户首先定义关键点，然后依次是相关的线、面、体。
网格划分
ANSYS程序提供了使用便捷、高质量的对CAD模型进行网格划分的功能。
包括四种网格划分方法：
延伸划分、映像划分、自由划分和自适应划分。
延伸网格划分可将一个二维网格延伸成一个三维网格。
映像网格划分允许用户将几何模型分解成简单的几部分，然后选择合适的单元属性和网格控制，生成映像网格。
ANSYS程序的自由网格划分器功能是十分强大的，可对复杂模型直接划分，避免了用户对各个部分分别划分然后进行组装时各部分网格不匹配带来的麻烦。
自适应网格划分是在生成了具有边界条件的实体模型以后，用户指示程序自动地生成有限元网格，分析、估计网格的离散误差，然后重新定义网格大小，再次分析计算、估计网格的离散误差，直至误差低于用户定义的值或达到用户定义的求解次数。
最新版本Ansys15.0同级别的软件还有ADINA、ABAQUS、MSC等，ADINA和ABAQUS在非线性计算功能方面比ANSYS强，ABAQUS没有流体计算模块，ADINA不能做电磁分析但是ADINA是做流固耦合最好的软件。
施加载荷
在ANSYS中，载荷包括边界条件和外部或内部作应力函数，在不同的分析领域中有不同的表征，但基本上可以分为6大类：
自由度约束、力（集中载荷）、面载荷、体载荷、惯性载荷以及耦合场载荷。
1、自由度约束（DOFConstraints）:
将给定的自由度用已知量表示。
例如在结构分析中约束是指位移和对称边界条件，而在热力学分析中则指的是温度和热通量平行的边界条件。
2、力（集中载荷）（Force）：
是指施加于模型节点上的集中载荷或者施加于实体模型边界上的载荷。
例如结构分析中的力和力矩，热力分析中的热流速度，磁场分析中的电流段。
3、面载荷（SurfaceLoad）:
是指施加于某个面上的分布载荷。
例如结构分析中的压力，热力学分析中的对流和热通量。
4、体载荷（BodyLoad）:
是指体积或场载荷。
例如需要考虑的重力，热力分析中的热生成速度。
5、惯性载荷（InertiaLoads）:
是指由物体的惯性而引起的载荷。
例如重力加速度、角速度、角加速度引起的惯性力。
6、耦合场载荷（Coupled-fieldLoads）:
是一种特殊的载荷，是考虑到一种分析的结果，并将该结果作为另外一个分析的载荷。
例如将磁场分析中计算得到的磁力作为结构分析中的力载荷。
1.2.2后处理部分
ANSYS程序提供两种后处理器：
通用后处理器和时间历程后处理器。
1.通用后处理器也简称为POSTl，用于分析处理整个模型在某个载荷步的某个了步、或者某个结果序列、或者某特定时间或频率下的结果，例如结构静力求解中载荷步2的最后―个子步的压力、或者瞬态动力学求解中时间等于6秒时的位移、速度与加速度等。
2.时间历程后处理器也简称为PosT26，用于分析处理指定时间范围内模型指定节点上的某结果项随时间或频率的变化情况，例如在瞬态动力学分析中结构某节点上的位移、速度和加速度从0秒到10秒之间的变化规律。
后处理器处理可以处理的数据类型有两种：
一是基本数据，是指每个节点求解所得自由度解，对于结构求解为位移张量，其他类型求解还有热求解的温度、磁场求解的磁势等，这些结果项称为节点解；二是派生数据，是指根据基本数据导出的结果数据，通常是计算每个单元的所有节点、所有积分点或质心上的派生数据，所以也称为单元解。
不同分析类型有不同的单元解，对于结构求解有应力和应变等，其他如热求解的热梯度和热流量、磁场求解的磁通量等。
第二章本课题研究的发展概况
2.1凸轮机构简介
2.1.1凸轮机构的特点及其日常生活的应用
凸轮机构及其技术的应用与发展凸轮机构简介工程中凸轮机构是典型的常用机构之一。
几乎所有简单的、复杂的重复性机械动作都可由凸轮机构或者包括凸轮机构的组合机构来实现。
凸轮机构在机构化、自动化生产设备中得到极其广泛的应用。
在各种机构中凸轮机构具有易于设计和能准确地预测所产生运动的优点可以实现任意给定的位移、速度、加速度等运动规律在工程中得到了广泛的应用。
所以在许多机器中如纺织机、包装机、印刷机、压力机、仪器、内燃机、计算机以及农业机具中都可以找到凸轮机构。
2.1.2凸轮机构在世界上的发展历史
在凸轮机构的理论研究方面欧美各国已有很多学者为此做出了巨大的贡献他们发表很多的论文和专著。
日本在这方面也有很大发展日本是在第二次世界大战以后致力于发展实用的自动设备特别重视对凸轮机构的研究日本有很多从事凸轮机构研究的专家和专门生产凸轮机构的公司如大缘凸轮公司、三共制作所等。
日本在凸轮机构的研究方面取得了很大成就如在机构设计方面致力于寻求凸轮机构的精确解和使凸轮曲线多样化以适应新的要求发展凸轮机构的系统。
不仅如此日本学者还特别注重将各方面的研究成果应用到实际产品的开发中去。
我国对凸轮机构的应用和研究已有多年历史目前仍在继续扩展和深入。
如在应用沈拜航空工业学院硕士学位论文方面我国正在大力发展包装机械、食品机械等自动化设备这些设备中都要用到各种形式的凸轮机构。
在研究方面近年来也有相当进展但主要是运动规律、动力学分析与综合、振动、优化设计、凸轮组合机构和等内容。
此外我国在凸轮机构的共轭曲面原理、和专家系统等方面也有相当研究。
但是与先进国家比较我国对凸轮机构的研究仍有较大差距特别是在加工和产品开发等方面
2.2本课题研究内容
本课题研究的是直动尖顶从动件盘型凸轮机构有限元分析。
利用ANSYS12.0对于直动尖端从动件来说从动件的尖端能够与任意复杂的凸轮轮廓保持接触，从而使从动件实现任意的运动规律。
这种从动件结构最简单，但尖端处易磨损，故只适用于速度较低和传力不大的场合。
在总结凸轮机构设计方法研究和凸轮机构研究的发展状况和发展趋势，在总结前人研究成果的基础上，结合当前的技术发展趋势，采用有限元方法来进行开展研究。
从而利用ANSYS进行静力学分析及瞬态动力学分析的方法、步骤和过程，并使用解析解对有限元分析结果进行验证。
，利用静力学分析凸轮施加载荷后受力情况。
并且利用瞬态动力分析时，结构上的载荷呈任意变化时在任意一个载荷步内，约束载荷重新设定并用曲线图显示位移和加速度曲线。
2.3ANSYS软件功用及其对本课题研究的意义
2.3.1ANSYS软件应用范围
ANSYS是一种融结构、热、流体、电磁和声学于一体的大型通用有限元软件，广泛应用于水利、铁路、汽车、造船、流体分析等工业领域，可在微机或工作站上运行，能够进行应力分析、热分析、流场分析、电磁场分析等多物理场分析及耦合分析，并且具有强大的前后处理功能。
ANSYS公司成立于1970年，总部设在美国的宾夕法尼亚洲，目前是世界CAE行业中最大的公司。
其创始人JohnSwanson博士为匹兹堡大学力学教授、有限元界权威。
在30多年的发展过程中，ANSYS不断改进提高，功能不断增强， 目前，ANSYS软件已形成完善、成熟的三大核心体系：
以结构、热力学为核心的MCAE体系，以计算流体动力学为核心的CFD体系，以计算电磁学为核心的CEM体系。
这三大体系不仅提供MCAE／CFD／CEM领域的单场分析技术，各
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