湘潭大學興湘學院 畢業(yè)設計論文 題 目： 連桿機構的有限元分析 專 業(yè)： 機械設計制造及其自動化 學 號： 姓 名： 指導教師： 完成日期： 2014 年 5 月 25 日 湘潭大學興湘學院 畢業(yè)論文（設計）任務書 論文（設計）題目： 連桿機構的有限元 分析 學號： 8 姓名： 專業(yè)： 機械設計制造及其自動化 指導教師： 系主任： 一、主要內(nèi)容及基本要求 1、總結連桿 機構設計方法研究和連桿機構研究的發(fā)展狀況和發(fā)展趨勢，在總結前人研究成果的基礎上，結合當前的技術發(fā)展趨勢，采用有限元方法來進行開展研究。 2、闡述學習理論基礎，即 瞬態(tài)動力學分析 ,簡要論述瞬態(tài)參數(shù) ,識別原理。 3、簡要論述有限元方法和動力學分析的基本求解過程，建立連桿機構中的曲柄滑塊機構的有限元模型，合理的確定曲柄長度及轉速、連桿長度和轉速，偏距，選定和創(chuàng)建單元類型，指點單元屬性，創(chuàng)建鉸鏈單元，采用瞬態(tài)動力學分析瞬態(tài)分析類型對其進行瞬態(tài)分析，與圖解法進行比較，驗證有限元瞬態(tài)求解功能。 4、聯(lián)系工程實際，對 受力連桿進行結構靜力學學習。 二、重點研究的問題 1、 ANSYS 的線性靜力分析 2 、 構建幾何模型 3、 在三維鉸鏈單元 COMBIN7 的創(chuàng)建 4、 單元類型選擇和網(wǎng)絡劃分 5、 ANSYS 瞬態(tài)動力學分析和靜力學分析 三、進度安排 序號 各階段完成的內(nèi)容 完成時間 1 查閱資料 2014 年 2 月下旬 2 開題報告 2014 年 3 月上旬 3 設計 2014 年 3月中旬 4 分析、驗證 2014 年 3 月下旬 5 寫出初稿 2014 年 4月上、中旬 6 寫出正式稿 2014 年 5月上中旬 7 答辯 2014 年 5 月下旬 四、應收集的資料及主要參考文獻 1高耀東，劉學杰 .ANSYS 機械工程應用精華 50例（第三版） .- 北京：電子工業(yè)出版社， 2011. 2孫波 .畢業(yè)設計寶典 .-西安：西安電子科技大學出版社， 2008. 3溫正，張文電 .ANSYS14.0 有限元分析權威指南 .-北京：機械工業(yè)出版社， 2013. 4歐陽周，汪振華，劉道德 .畢業(yè)論文和畢業(yè)設計 說明書寫作指南 .-長沙：中南工業(yè)大學出版社， 1996. 5華大年，華志宏 .連桿機構設計與應用創(chuàng)新 .-北京：機械工業(yè)出版社， 2008. 6胡仁喜，康士廷 .機械與結構有限元分析從入門到精通 .-北京：機械工業(yè)出版社， 2012. 7李紅云，趙社戌，孫雁 .ANSYS10.0 基礎及工程應用 .北京：機械工業(yè)出版社，2008. 8唐家瑋，馬喜川 .平面連桿機構運動綜合 .-哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學出版社，1995. 9潘存云，唐進元 .機械原理 .-長沙：中南大學出版社， 2011. 10李皓月 ， 周田朋 ， 劉相新 .ANSYS 工程計算應用教程 .-北京 :中國鐵道出版社， 2003 目錄 摘要 . 錯誤 !未定義書簽。 Abstract . 2 第一章 分析方法和研究對象 . 錯誤 !未定義書簽。 1.1 有限單元法的概述 . 錯誤 !未定義書簽。 1.1.1 有限單元法的歷史 . 4 1.1.2 有限單元法的基本概念 . 4 1.2 ANSYS 軟件簡介 . 4 1.2.1 ANSYS 主要應用領域 . 4 1.2.2 ANSYS 操作界面 . 5 1.2.3 ANSYS 的主要功能 . 6 1.2.4 ANSYS 主要特點 . 7 1.3 曲柄滑塊機構簡介 . 7 1.3.1 曲柄滑塊定義 . 8 1.3.2 曲柄滑塊機構特性應用以及分類 . 8 第二章 曲柄滑塊機構的求解 . 10 2.1 曲柄滑塊機構的問題描述 . 10 2.2 曲柄滑塊機構問題的圖解法 . 10 2.2.1 圖解法準備工作 . 11 2.2.2 圖解法操作步驟 . 11 第三章 有限元瞬態(tài)動力學概述 . 14 3.1 有限元瞬態(tài)動力學定義 . 14 3.2 瞬態(tài)動力學問題求解方法 . 錯誤 !未定義書簽。 3.2.1 完全法 . 14 3.2.2 模態(tài)分析法 . 14 3.2.2 縮減法 . 15 3.1 有限元結構靜力學分析基本概念 . 15 3.1 有限元結構靜力學分析步驟 . 16 第四章 曲柄滑塊的有限元瞬態(tài)動力學分析 . 17 4.1 曲柄滑塊機構瞬態(tài)簡要概述 . 17 4.2 曲柄滑塊有限元瞬態(tài)動力學分析步驟 . 18 4.2.1 定義工作名和參量 . 18 4.2.2 創(chuàng)建單元類型和 屬性 . 18 4.2.3 建立模型 . 20 4.2.4進入求解器設置 . 22 4.2.5 定義約束 . 23 4.2.6 求解 . 24 4.2.7 后處理 . 24 4.2.8 查看、分析結果得出結論 . 25 第五章 連桿的結構靜力學有限元分析 . 27 5.1 連桿機構靜力學分析步驟 . 27 5.1.1 前處理 . 27 5.1.2 施加約束和載荷并求解 . 33 5.1.3 后處理 . 33 總結與展望 . 36 參考文獻 . 37 致謝 . 38 連桿機構的有限元分析 摘要 ： 基于 ansys 的有限元分析是一個功能強大的通用有限元分析軟件，目前廣泛的用于船舶，汽車，航天航空，土木工程，機械制 造及其科學研究領域。這款軟件從最初的只能在大型機上使用、僅僅提供熱分析的和線性結構分析功能的批處理程序，發(fā)展成一個融結構、流體、電場、磁場、聲場分析于一體的可在大多數(shù)計算機及操作系統(tǒng)中運行的大型通用有限元分析軟件。 連桿機構是是工程中常見的一種機構，其中曲柄滑塊機構是連桿機構的一種，應用十分廣泛，比如在柴油機上的應用。隨著工程科技的發(fā)展，對其精度也有很搞得要求。 本課題是基于 ansys 軟件對曲柄滑塊機構進行瞬態(tài)動力學分析，與傳統(tǒng)的計算相比，借助于計算機有限元分析方法能更加快并且精確地得到結果 ，設置正確的參數(shù)，創(chuàng)建合理的單元類型，設置合理的求解過程，能夠準確的得出分析模型的正確求解值，對機構的設計和優(yōu)化有很大的幫助。 當然在分析過程中也會存在結果誤差， ansys 分析值與理論值有差異的原因可能是對曲柄滑塊機構進行分析時輸入的彈性模量，泊松比的相關參數(shù)等對分析結果有一定的影響。 關鍵詞：連桿機構；曲柄滑塊機構；有限元法； ANSYS；瞬態(tài)動力學分析 The finite element analysis of link mechanism Abstract： Ansys ( finite element analysis) is a powerful general-purpose finite element analysis software. Currently, it is widely used in shipbuilding, automotive, aerospace, civil engineering, machinery manufacturing and scientific research. Initially, it can only be using on the mainframe and provides thermal analysis and linear structural analysis capability, but now， It has developed into a financial structure, fluid, electric field, magnetic field, sound field analysis in one can run on most computer and operating system in the large-scale general finite element analysis software. Connecting rod mechanism is a common mechanism, the slider crank mechanism is an extension of link mechanism, a wide range of applications, such as in a diesel engine. With the development of engineering technology ,the accuracy is also very make requirements. Topic is on the slider crank mechanism was analyzed based on the ANSYS software, and compared with the traditional calculation, With the help of computer finite element analysis method can more quickly and accurately obtain results, set the correct parameters, create the appropriate element type, set the solving process is reasonable, can accurately obtain the correct solution analysis model, the design and optimization of the organization has a great help. Of course, the error will exist in the analysis process, ansys analysis is due to a difference can be input to the analysis of the elastic modulus of crank slide mechanism and the theoretical value, the Poissons ratio of the relevant parameters have a certain effect on the analysis results. Keywords: link mechanism； Slider crank mechanism； Transient dynamic analysis 第一章 分析方法和研究對象 1 1 有限單元法概述 有限單元法（ Finite Element Analysis）的基本理念是用較簡單的問題代替復雜問題后再求解。它將求解域看成由許多稱為有限元的小的互連子域組成，對每一個單元假 定一個合適的近似解，然后推導求解這個域總的滿足條件，從而得到問題的解。這個解不是準確解，而是近似解，因為實際問題被比較簡單的問題所代替。由于大多數(shù)實際問題難以得到準確解，而有限元不僅精度高，而且能適應各種復雜形狀，因而成為行之有效的工程分析手段。 1.1.1 有限單元法的歷史 有限單元法早在 40 年代初期就已有人提出，但當時由于沒有計算工具而擱置，一直到 50 年代中期，高速數(shù)字電子計算機的出現(xiàn)和發(fā)展為有限單元法的應用提供了重要的物質條件，才使有限單元法得以迅速發(fā)展。 有限單元法在西方起源于飛機和導彈的結構設計，發(fā)表這方面 文章最早而且最有影響的是西德的 J.H.Argyris 教授，于 1954 1955 年間，他在 Aircraft engineering上發(fā)表了許多有關這方面的論文，并在此基礎上寫成了能量原理與結構分析，此書成為有限單元法的理論基礎。美國的 M.T.Turner， L.J.Topp和 R.W.Clough,H.C.Martin 等人于 1956 年發(fā)表了一篇題為復雜結構的剛度和撓度分析一文，此文提出了計算復雜結構剛度影響系數(shù)的方法，說明了如何利用計算機進行分析。美國教授 R.W.Clough 于 1960 年在一篇介紹平面 應力分析的論文中，首次提出了有限單元法的名字。 1965 年英國的 Zienliewice 教授及其合作者解決了將有限元應用于所有場的問題，使有限單元法的應用范圍更加廣 泛。 有限單元法的優(yōu)點很多，其中最突出的優(yōu)點是應用范圍廣。發(fā)展至今，不僅能解決靜態(tài)的、平面的、最簡單的桿系結構，而且還可以解決空間問題、板殼問題、結構的穩(wěn)定性問題、動力學問題、彈塑性問題和粘彈性問題、疲勞和脆性斷裂問題以及結構的優(yōu)化設計問題 ， 而且不論物體的結構形式和邊界條件如何復雜，也不論材料的性質和外載荷的情況如何，原則上都能應用 。 1.1.2 有限單元法的 基本概念 有限單元法的基本思想，是在力學模型上將一個原來連續(xù)的物體離散成為有限個具有一定大小的的單元，這些單元僅在有限個節(jié)點上相連接，并在節(jié)點上引進等效力以代替實際作用于單元上的外力。對于每個單元，根據(jù)分塊近似的思想，選擇一種簡單的函數(shù)來表示單元內(nèi)位移的分布規(guī)律，并按彈性理論中的能量原理（或用變分原理）建立單元節(jié)點力和節(jié)點位移之間的關系。最后，把所有的單元的這種關系式集合起來，就得到一組以節(jié)點位移為未知量的代數(shù)方程組，解這些方程組就可以求出物體上有限個離散節(jié)點上的位移。 結構離散（有限元建模）的 內(nèi)容有網(wǎng)格劃分，把結構按一定規(guī)則分割成有限單元和邊界條件處理。其中要求離散結構必須與原始結構保形 單元的幾何特性，一個單元內(nèi)的物理特性必須相同 單元的物理特性。 單元與節(jié)點中單元（即原始結構）離散后滿足一定幾何特性的最小結構域。節(jié)點即單元與單元間的連接點。節(jié)點力即單元與單元間通過節(jié)點的相互作用力。節(jié)點載荷即作用于節(jié)點上的外載。 選擇位移函數(shù)的一般原則：位移函數(shù)在單元節(jié)點的值應等于節(jié)點位移，即單元內(nèi)部是連續(xù)的；所選位移函數(shù)必須保證有限元的解收斂于真實解。要注意的是，為了便于微積分運算，位移函數(shù)一般 采用多項式形式，在單元內(nèi)選取適當階次的多項式可得到與真實解接近的近似解。 1 2 ANSYS12.0 版本軟件簡介 ANSYS 軟件是融結構、流體、電場、磁場及聲場分析于一體的大型通用有限元分析軟件，由作為世界上最大的有限元分析軟件公司之一的美國 ANSYS 開發(fā)，它能與多數(shù) CAD 軟件接口，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換，是現(xiàn)代產(chǎn)品設計中應用的高級 CAE 工具之一。 1.2.1 ANSYS 的主要應用領域 ANSYS 有限元軟件包是一個多用途的有限元法計算機設計程序，可以用來求解結構，流體，電磁場及碰撞等問題 。因此它可應用于以下工業(yè)領域：航天航空、汽車工業(yè)、生物醫(yī)學、橋梁、建筑、電子產(chǎn)品、重型機械、微機電系統(tǒng)、運動器械等。 1.2.2 ANSYS 操作界面 圖 1-1 ANSYS12.0 操作界面 與操作界面同時打開的還有圖 1-2 所示的“ ANSYS12.0 Output Window”窗口 圖 1-2“選定 ANSYS12.0 Output Window”窗口 ANSYS 操作界面如圖 1-1所示，本人所選擇的是 ANSYS12.0 的版本，因為本人所需要分析的課題中涉及到三維鉸鏈單元的運用，而 ANSYS12.0 版本 中正好有三維鉸鏈單元 COMBIN7 的命令。 1.2.3 ANSYS 的主要功能 （ 1）結構靜力分析 結構靜力分析用于載荷不隨時間變化的場合，是機械專業(yè)應用最多的一種分析類型。 ANSYS 的靜力分析不僅可以進行線性分析，還支持非線性分析，例如接觸、塑性變形、蠕變、大變形、大應變問題的分析。 （ 2）結構動力學分析 動力學分析包括模態(tài)分析、諧響應分析、瞬態(tài)動力學分析。模態(tài)分析，用于計算結構的固有頻率和振型。諧響應分析，用于計算結構對正弦載荷的響應。瞬態(tài)動力學分析，用于計算結構對隨時間任意規(guī)律變化的載荷的響 應，而且可 以包含非線性特性。 動力學分析包括質量和阻尼效應。 （ 3）結構非線性分析 ANSYS 程序可求解靜態(tài)和瞬態(tài)非線性問題，包括材料非線性、幾何非線性和單元非線性三種。結構非線性導致結構或部件的響應隨外載荷不成比例變化。 （ 4）熱分析 熱分析通過模擬熱傳導、對流和輻射三種熱傳遞方式，以確定物體中的溫度分布?？梢赃M行穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)熱分析，可以進行線性和非線性分析，可以模擬材料的凝固和溶解過程。 （ 5）電磁場分析 ANSYS 可以用來分析電磁場的多方面問題，如電感、電容、磁通量密度、渦流、電場分布、磁力線、力、運 動效應、電路和能量損失等。分析的磁場可以是二維的或三維的，可以是靜態(tài)的、瞬態(tài)的或諧波的，可以是低頻的或高頻的。還可以解決靜電學、電流傳導、電路耦合等電磁場相關問題。 （ 6）電磁場分析 ANSYS 流體單元能進行流體動力學分析，分析類型可以為瞬態(tài)或穩(wěn)態(tài)。分析結果可以是每個節(jié)點的壓力和通過每個單元的流率。并且可以利用后處理功能產(chǎn)生壓力、流率和溫度分布的圖形顯示。另外，還可以使用三維表面效應單元和熱流管單元模擬結構的流體繞流并包括對流換熱效應。 1.2.4 ANSYS的特點 （ 1） 不但可以進行對結構、熱、流體、 電磁場等物理現(xiàn)象的單獨研究，還可以進行這些物理現(xiàn)象的相互影響研究。 （ 2） 集合前后處理、求解及多場分析等功能于一體。 （ 3） 具有強大的非線性分析功能。 （ 4） 良好的用戶界面，且在所有硬件平臺上具有同一界面，使用方便。 （ 5） 強大的二次開發(fā)功能，應用宏、參數(shù)設計語言、用戶可編程特性、用戶自定義語言、外部命令等功能，可以開發(fā)出適合用戶自己特點的應用程序，對 ANSYS 功能進行擴展。 （ 6） 提供多種自動網(wǎng)格劃分工具，可以進行智能網(wǎng)格劃分。 （ 7） 提供了常用 CAD 軟件的數(shù)據(jù)接口，可精確地將在 CAD 系統(tǒng)下創(chuàng)建的模型傳入到 ANSYS 中，并對其進行操作。 （ 8） 在 有限元分析煩人基礎上，進行優(yōu)化設計，這是 ANSYS 獨一無二的功能。 1 3 研究對象之曲柄滑塊機構簡介 在機械傳動系統(tǒng)中，曲柄滑塊機構是一種常用的機構，它將曲柄的轉動轉化為滑塊在直線上的往復運動，是壓氣機、沖床、活塞式水泵等機械的主機構。比如 活塞式發(fā)動機以滑塊為主動件，把往復移動轉換為不整周或整周的回轉運動；壓縮機、沖床以曲柄為主動件，把整周轉動轉換為往復移動。 1.3.1 曲柄滑塊機構定義 曲柄滑塊機構是鉸鏈四桿機構的演化形式。由若干剛性構件用低副（回轉副、移動副）聯(lián)接而成的一種機構。是 由曲柄（或者曲軸、偏心輪）、連桿、滑塊通過移動副和轉動副組成的機構。 1.3 2 曲柄滑塊機構的特性應用及分類 常用于將曲柄的回轉運動變換為滑塊的往復直線運動；或者將滑塊的往復直線運動轉換為曲柄的回轉運動、對曲柄滑塊機構進行運動特性分析是當已知各機構件尺寸參數(shù)、位置參數(shù)和原動件運動規(guī)律時，研究機構其余構件上各點的軌跡、位移、速度、加速度等，從而評價機構是否滿足工作性能要求，機構是否發(fā)生運動干涉等。曲柄滑塊機構具有運動副為低副，各元件間為面接觸，構成低副兩元件的幾何形狀比較簡單，加工方便，易于得到較高的制 造精度等優(yōu)點，因而在包括煤礦機械在內(nèi)的各類機械中得到了廣泛的應用，如自動送料機構、沖床、內(nèi)燃機空氣壓縮機等。 根據(jù)結構特點，將其分成 3大類：對心曲柄滑塊、偏置曲柄滑塊、偏心輪機構。 第二章 曲柄滑塊機構的求解 2.1 曲柄滑塊機構的問題描述 圖 2-1 所示為一曲柄滑塊機構，曲柄長度 R=250 mm、連桿長度 L=620 mm 偏距 e=200 mm，曲柄為原動件，轉速為 n1=30 r/min，求滑塊 3的位移 s3、速度 v3、加速度 a3隨時間變化情況。 2 2 曲柄滑塊機構的問題圖解法 因本人此階段正學習 proe5.0 的版本，所以圖解法就用此軟件進行求解，其求解過程將會一步步截圖呈現(xiàn)。 2.2.1 圖解法準備工作： 由圖 2-1 曲柄滑塊機構，聯(lián)系機械原理的有關平面四桿機構的運動設計的知識，可以計算出滑塊在最遠處和最近處時曲柄和連桿共線的長度，按圖示字母，有： AC = AB + BC = 250 + 620 = 870 mm AC” = BC AB = 620 250 = 370 mm 圖 2-1 曲柄滑塊機構 2.2.2 圖解法操作步驟 1， 打開 proe5.0，選擇“草繪”，建立中心線，確定 A 點，如圖 2-2 圖 2-2 2，通過水平中心線和偏心距的 E的數(shù)值，確定滑塊 C 算在的水平線 2上， 圖 2-2 3，依據(jù)準備工作中的最遠畫出最遠的距離，即 , AC = 870 mm 圖 2-3 4，依據(jù)準備工作中的最遠畫出最遠的距離，即 , AC” = 370 mm 圖 2-4 5，通過標注，可以得到滑塊位移 S=535.4mm,如圖所示， 圖 2-5 6,同時還能得出極位夾角 = 19.43 圖 2-6 7，通過極位夾角，得到行程速比系數(shù) 24.1180180 K，由于機構一個工作循環(huán)周期2601 nT，所以機構工作行程經(jīng)歷的時間 11.111 TKKT，空回行程經(jīng)歷的時間 89.012 TTT s。 第三章 有限元瞬態(tài)動力學和結構機構靜力學概述 3.1 有限元瞬態(tài)動力學分析定義 瞬態(tài)動力學分析，又稱時間歷程分析，主要用于確定結構承受隨時間按任意規(guī)律變化的載荷時的響應。它可以確定結構在靜載荷、和正弦載荷的任意組合作用下隨時間變化的位移、應力和應變。 3.2 瞬態(tài)動力學問 題的求解方法 瞬態(tài)動力學分析也采用縮減法（ Reduced），模態(tài)疊加法（ Mode Superpositioan） ,完全法（ Full）三種方法。 3.2 1 完全法 完全法采用完整的系統(tǒng)矩陣計算瞬態(tài)響應。它是三種方法匯總功能最強的，允許包括各類非線性特性（塑性、大變形、大應變等）。如果并不想包括任何非線性，應當考慮使用另外兩種方法中的一種。這是因為完全法是 3種方法中開銷最大的一種。 完全法容易使用，不必關心選擇主自由度或振形，允許各種類型的非線性特性，采用完整矩陣，不涉及質量矩陣近似，一次分 析就能得到所有位移和應力，允許施加所有類型的載荷，還允許通過 TABLE 數(shù)組參數(shù)指定表邊界條件，允許在實體模型上施加載荷。 完全法的主要缺點是它比其他的方法開銷大。 3.2.2 模態(tài)疊加法 模態(tài)疊加法通過對模態(tài)分析得到的振形（特征值）乘上因子并求和來計算結構的響應。此方法是 ANSYS 程序中唯一可用的瞬態(tài)動力學分析法。對于許多問題，模態(tài)疊加法比縮減法或完全法更快，開銷更小。 模態(tài)疊加法整個瞬態(tài)分析過程中時間步長必須保持恒定，不允許采用自動時間步長唯一允許的非線性是簡單的點點接觸（間隙條件） ；不能施加強制位移。 3.2.3 縮減法 縮減法通過采用主自由度及縮減矩陣壓縮問題規(guī)模。在主自由度處的位移計算出來后， ANSYS 可將擴展到原有的完整自由度集上。縮減法比完全法快且開銷小，其缺點是初始解只計算主自由度的位移，第二步進行擴展，計算得到完整空間上的位移、應力和力；不能施加單元載荷（壓力、溫度等），但允許施加加速度。所有載荷必須在用戶定義的主自由度上（限制在實體模型上施加載荷）、整個瞬態(tài)分析過程時間步長必須保持恒定，不允許用自動時間步長。唯一允許的非線性是簡單的點點接觸（間隙條件）。 3.3 有限元機構靜力學分析基本概念 靜力學分析計算是在固定不變載荷作用下結構的響應，它不考慮慣性和阻尼的影響。可是，靜力分析可以計算那些固定不變的慣性載荷對結構的影響，以及那些可以近似俄日等價靜力作用的隨時間變化的載荷的作用。 靜力學分析用于計算由那些不包括慣性和阻尼效應的載荷作用于結構或部件上引起的位移、應力、應變和力。固定不變是的載荷和響應是一種假設，即假定載荷和結構響應隨時間的變化非常緩慢。靜力學分析所施加的載荷包括外部施加的作用力和壓力、穩(wěn)態(tài)的慣性力、強迫位移。溫度載荷以及能流等。 3.4 有限元機構靜力學分析分析步驟 靜力學分析過程呀一般分為三個步驟： 1， 建立模型，其中模型可以通過三維軟件導入或者由 ansys 軟件自己建立； 2， 施加載荷并求解； 3， 檢查結果。 第四章 曲柄滑塊機構的瞬態(tài)有限元分析 本分析仍然屬于瞬態(tài)動力學分析，分析過程與普通的瞬態(tài)動力學分析基本相同。其關鍵在于三維鉸鏈單元 COMBIN7 的創(chuàng)建，現(xiàn)在此簡單介紹。 4.1 曲柄滑塊瞬態(tài)分析簡要概述 三維鉸鏈 COMBIN7 單元屬于三維單元，有 5個節(jié)點，分別是活躍節(jié)點 I和 J、用以定義鉸鏈軸的節(jié) 點 K、控制節(jié)點 L 和 M（圖 15-1）。活躍節(jié)點 I 和 J 應該位置重合，并且分屬于 LINK A 和 B， LINK A 和 B是一個單元或單元集合。如果節(jié)點 K 沒有定義，則鉸鏈軸為全球笛卡爾坐標系的 z軸。 另外，本分析必須將大變形選項打開 4.2 曲柄滑塊有限元瞬態(tài)動力學分析步驟 4.2 1 定義工作名和參量 圖 4-1 三維鉸鏈單元 COMBIN7 1，定義工作名和選擇文件存放位置：在開始的菜單中打開 ansys12.0 中的 ANSYS Mechanical APDL Product Launcher，在 working directory 中選擇文件存放的位 置，在 Job Name 中輸入 biyesheji,然后點擊 Run，便進入 ansys的工作界面。 2，定義參量： 選擇 Utility Menu Parameters Scalar Parameters。彈出的對話框，在“ Selection” 文本框中輸入 PI=3.1415926， 單擊“ Accept” 按鈕；再在“ Selection” 文本框中依次輸入 R=0.25（曲柄長度）、 L=0.62（連桿長度）、 E=0.2（偏距）、 OMGA1=30（曲柄轉速）、 T=60/OMGA1（曲柄轉動一周所需時間，單位： s）、 FI0=ASIN(E/(R+L)、 AX=0、 AY=0（鉸鏈 A坐標）、 BX=R*COS(FI0)、BY=-R*SIN(FI0) （鉸鏈 B 坐標）、 CX=(R+L)*COS(FI0)、 CY=-E（鉸鏈 C坐標），同時單擊“ Accept” 按鈕；如圖 4-2，最后，單擊對話框的“ Close”按鈕。 圖 4-2 參量對話框 4.2.2 創(chuàng)建單元類型和屬性 1，創(chuàng)建單元類型：選擇 Main Menu Preprocessor Element TypeAdd/Edit/Delete。彈出的對話框，單擊“ Add”按鈕；在左側列表中選 “ Combination”，在右側列表中選“ Revolute joint 7”， 單擊“ Apply” 按鈕；再在左側列表中選“ Structural Beam”在右側列表中選“ 3D elastic 4” , 單擊“ Ok” 按鈕；單擊對話框的“ Close”按鈕。如果 4-3： 圖 4-3 單元類型 2，定義材料特性：選擇 Main Menu Preprocessor Material PropsMaterial Models。彈出的對話框，在右側列表中依次雙擊“ Structural”、“ Linear”、“ Elastic”、“ Isotropic”，彈出的對話框，在“ EX”文本框中輸入 2e11（彈性模量），在“ PRXY” 文本框中輸入 0.3（泊松比），單擊“ Ok” 按鈕；再雙擊右側列表中“ Structural”下“ Density”，彈出圖 15-9所示的對話框，在“ DENS”文本框中輸入 1e-14（密度。近似為 0，即不考慮各桿的慣性力），單擊“ Ok” 按鈕。然后關閉的對話框。如圖 4-4： 圖 4-4 單元材料特性 3，定義實常數(shù)：選擇 Main Menu Preprocessor Real Constants Add/Edit/Delete。彈對話框， 單擊“ Add”按鈕， 彈出對話框，在列表中選擇“ Type 1 COMBIN7”，單擊“ Ok” 按鈕，彈出對話框， 在“ K1”、“ K2”、“ K3”、“ K4”文本框中分別輸入 1E9、 1E3、 1E3、 0，單擊“ Ok” 按鈕；返回到對話框， 再次單擊“ Add”按鈕，彈出對話框，在列表中 選擇“ Type 2 BEAM4”，單擊“ Ok”按鈕，彈出對話框 ，在“ AREA”、“ IZZ”、“ IYY”、“ TKZ”、“ TKY”文本框中分別輸入 4E-4、 1.3333E-8、 1.3333E-8、 0.02、 0.02，單擊“ Ok” 按鈕；返回到對話框，單擊“ Close”按鈕。如圖 4-5： 圖 4-5 單元常實數(shù) 4.2.3 建立模型 1，創(chuàng)建節(jié)點：選擇 Main Menu Preprocessor Modeling Create NodesIn Active CS。在彈出的對話框中 一次輸入如表 4-1 數(shù)據(jù)，然后單擊“ Ok” 按鈕。 節(jié)點號 X Y Z 1 AX AY 0 2 BX BY 0 3 BX BY 0 4 CX CY 0 5 BX BY -1 表 4-1 節(jié)點列表 2，指定單元 1屬性：選擇 Main Menu Preprocessor Modeling CreateElements Elem Attributes。彈出對話框，選擇下拉列表框“ TYPE”為“ 1 COMBIN7”，選擇下拉列表框“ MAT”為“ 1”，選擇下拉列表框“ REAL”為“ 1”，單擊“ Ok”按鈕。 3，創(chuàng)建鉸鏈單元： 選擇 Main Menu Preprocessor Modeling CreateElements Auto Numbered Thru Nodes。彈出拾取窗口，在拾取窗口的文本框中輸入 2,3,5，單擊“ Ok” 按鈕，于是在節(jié)點 2 和 3 處（即 B點）創(chuàng)建了一個鉸鏈單元。如圖 4-6： 圖 4-6 創(chuàng)建鉸鏈單元 4，指定單元 2屬性：選 Main Menu Preprocessor Modeling CreateElements Elem Attributes。彈出對話框，選擇下拉列表框“ TYPE”為“ 2 BEAM 4”，選擇下拉列表框“ MAT”為“ 1”，選擇下拉列表框“ REAL”為“ 2”，單擊“ Ok”按鈕。 5，創(chuàng)建梁單元：用來模擬各個桿，拾取 Main Menu Preprocessor Modeling Create Elements Auto Numbered Thru Nodes。彈出拾取窗口，在拾取窗口的文本框中輸入 1,2，單擊“ Apply” 按鈕；再在拾取窗口的文本框中輸入 3,4，單擊“ Ok” 按鈕。于是創(chuàng)建了 2個梁單元， 2 個梁單元由 B點處 鉸鏈單元連接。如圖 4-7： 圖 4-7 創(chuàng)建梁單元 4.2.4 進入求 解器設置 1，指定分析類型：拾取 Main Menu Solution Analysis Type New Analysis 。在彈出的“ New analysis”對話框中，選擇“ Type of Analysis”為“ Transient”，單擊“ Ok” 按鈕，在隨后彈出的“ Transient Analysis”對話框中，單擊“ Ok” 按鈕。 圖 4-8 選擇分析類型 2，打開大變形選項：選擇 Main Menu Solution Analysis Type Analysis Options。彈出所示的對話框，將“ NLGEOM”打開，單擊“ Ok” 按鈕。 3，確定載荷步時間和時間步長：選擇 Main Menu Solution Load Step Opts Time/Frequenc Time - Time Step。在 “ TIME”文本框中輸入 T，在“ DELTIM Time Step size”文本框中輸入 T/70，選擇“ KBC”為“ Ramped”，單擊“ Ok”。 4，確定數(shù)據(jù)庫和結果文件所包含的內(nèi)容： 選擇 Main Menu Solution Load Step Opts Output Ctrls DB/Results File。在彈出對話框中選擇下拉列表框“ Item”為“ All Items”，選中“ Every substep” , 單擊“ Ok”。 5，設定非線性分析的收斂值： 拾取菜單 Main Menu Solution Load Step Opts Nonlinear Convergence Crit。彈出對話框，單擊“ Replace”按鈕，彈出對話框，在“ Lab”右側兩個列表中分別選擇“ Structural”和“ Force F”，在“ VALUE”文本框中輸入 1，在“ TOLER”文本框中輸入 0.1，單擊“ Ok” 。返回到對話框，單擊“ Add” 按鈕，再次彈出對話框，在“ Lab”右側兩個列表中分別選擇“ Structural”和“ Moment M” 在“ VALUE”文本框中輸入 1，在“ TOLER”文本框中輸入 0.1，單擊“ Ok”。最后單擊對話框的“ Close”。 4.2.5 定義約束約束 選擇 Main Menu Solution Define Loads Apply Structural Displacement On Nodes。彈出拾取窗口，單擊“ Pick All”，彈出對話框，在“ Lab2”列表中選擇“ UZ”、“ ROTX” 、“ ROTY”，單擊“ Apply”；再次彈出拾取窗口，拾取節(jié)點 1，單擊“ Ok”，再次彈出對話框，在“ Lab2”列表中選擇“ ROTZ”，在“ VALUE”文本框中輸入 2*PI，單擊“ Apply”；再次彈出拾取窗口，拾取節(jié)點1，單擊“ Ok”，再次彈出對話框，在“ Lab2”列表中選擇“ UX” 、“ UY”，在“ VALUE”文本框中輸入 0，單擊“ Apply”；再次彈出拾取窗口，拾取節(jié)點 4，單擊“ Ok”，再次彈出對 話框，在“ Lab2”列表中選擇 “ UY”，在“ VALUE”文本框中輸入 0，單擊“ Ok”。 圖 4-9 施加約束 4.2.6 求解 選擇 Main Menu Solution Solve Current LS。單擊“ Solve Current Load Step”對話框的“ Ok”。出現(xiàn)“ Solution is done!”提示時，求解結束，從下一步開始，進行結果的查看。 4.2.7 后處理 1，定義變量：選擇 Main Menu TimeHist Postpro Define Variables。彈出圖 15-22 所示的對話框，單擊“ Add”， 彈出 對話框，選擇“ Type of Variable”為“ Nodal DOF result”，單擊“ Ok”，彈出拾取窗口，拾取節(jié)點 4，單擊“ Ok”，彈出對話框，在右側列表中選擇“ UX”，單擊“ Ok”，單擊“ Close”。這樣定義了一個變量 2，它可以表示滑塊的位移 s3（變量 1為時間）。如圖 4-10： 圖 4-10 定義變量 2 知識介紹： 把變量 2 對時間 t微分，得到滑塊的速度 v3；把速度 v3對時間 t 微分，得到滑塊的加速度 a3。 2，對變量進 行數(shù)學操作：選擇 Main Menu TimeHist Postpro Math Operations Derivative。彈出對話框，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，單擊“ Apply” 按鈕；再次彈出對話框，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，單擊“ Ok” 按鈕。經(jīng)過以上操作，得到兩個新的變量 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 s，變量 1是時間 t（系統(tǒng)設定），所以，變量 3就是角速度 v3；同樣可知， 變量 4就是角加速度 a3。 4.2.8 查看、分析結果得出結論 1，選擇 Main Menu TimeHist Postpro Graph Variables。彈出對話框，在“ NVAR1， 2,3”中的文本框中分別輸入 2， 3 和 4，單擊“ Ok” 按鈕，結果如圖所示。如下圖： 圖 4-11 位移 m（ 3），速度 m/s（ 2），加速度 m/s2（ 1）曲線 2，選擇 Main Menu TimeHist Postpro List Variables。在彈出對話框的“ NVAR1”和“ NVAR2”文本框中分別輸入 2， 單擊“ Ok”。在得到的列表中可以看到變量 2 即位移 s3的最大值為 0.535376，此值即滑塊的行程 H，該值對應的時間為 0.88571 s，此值即空回行程經(jīng)歷的時間。對比由機械原理圖解法得到的結果，可以看出有限元解是正確的，而且具有相當高的精度。 第五章 連桿的結構靜力學有限元分析 前幾章內(nèi)容對連桿機構中的曲柄滑塊機構進行了瞬態(tài)動力學分析，并得出了滑塊在隨著時間變化的載荷作用下，本身的屬性也隨著時間變化的情況下的響應，而且用相應的曲線圖進行了展示。 現(xiàn)在本人考慮到是曲柄滑塊的在工程中的實際應 用，特將其中的連桿進行結構靜力學分析，現(xiàn)在將汽車上的曲柄滑塊中的連桿進行受受力分析，連桿的厚度為 50mm,圖中的尺寸的單位均為 mm。在小孔的內(nèi)側 90 度的范圍承受 p=1000pa的面載荷作用。下圖本人用 cad 建立的。 圖 5-1 連桿的幾何模型 注意：考慮到連桿的結構和載荷高度對稱性，分析是可以只采用一半進行分析。并采用 20節(jié)點的 soild95 單元劃分網(wǎng)絡進行劃分。 5.1 連桿結構靜力學分析步驟 5.1 1 前處理 1，定義工作名和選擇文件存放位置：在開始的菜 單中打開 ansys12.0 中的 ANSYS Mechanical APDL Product Launcher，在 working directory 中選擇文件存放的位置，在 Job Name 中輸入 biyesheji2,然后點擊 Run，便進入 ansys 的工作界面。 2，定義單元類型及材料屬性： 選擇 Main Menu Preprocessor Element Type Add/Edit/Delete。彈出的對話框，單擊“ Add”按鈕；在左側列表中選擇 “ not solve” 和“ mesh facet 200” ,單擊 OK， 然后單擊“ option”按鈕，設置 K1為“ quad8-node” ,單擊 ok。繼續(xù)單擊“ add” 按鈕，左側列表中選“ Structural Solid”在右側列表中選“ Brick 20 node 95” , 單擊“ Ok” 按鈕 . 選擇 Main Menu Preprocessor Material Props Material Models。彈出的對話框，在右側列表中依次雙擊“ Structural”、“ Linear”、“ Elastic”、“ Isotropic”，彈出的對話框，在“ EX”文本框中 輸入 2e11（剛性材料彈性模量），在“ PRXY” 文本框中輸入 0.3（泊松比），單擊“ Ok” 按鈕。 3，創(chuàng)建兩個圓環(huán)面：選擇 Main Menu Preprocessor Modeling CreateAreas Circle By dimension.將大孔的兩個半徑輸入，然后單擊“ apply” ,再第三個空格輸入“ 45”，如下圖： 圖 5-2 輸入大孔數(shù)據(jù) 4，生成矩形面：選擇 Main Menu Preprocessor Modeling Create Areas Rectangle By dimension,在彈出的對話框中，輸入矩形的數(shù)據(jù)，第一次輸入如圖的數(shù)據(jù)，單擊 apply 后，分別輸入“ -0.18， -0.12， 0 , 0.03： 5-2 輸入矩形的數(shù)據(jù) 5，轉換工作平面后創(chuàng)建另外兩個圓環(huán)面： a, 平移工作面：選擇 utility menu workplane offset wp to XYZ locations。在彈出的對話框中輸入“ 0.62”，單擊 OK，然后將激活的坐標系設置為工作平面坐標系 utility menu workplane change active cs toworking plane . b, 創(chuàng)建另外兩個圓環(huán)面，步驟和前面一樣。輸入兩個圓環(huán)的半徑的數(shù)據(jù) . C, 面疊分操作： Main Menu Preprocessor Modeling operate Booleans Overlap Areas,彈出對話框，拾取編號為 A1,A2,A3,A4 面，然后拾取 A5， A6的面，生成的結果如下圖： 5-3 生成結果 6，創(chuàng)建兩圓環(huán)之間的面： a,激活坐標系，創(chuàng)建 4 個新的關鍵點：選擇 utility menu workplanechange active cs to Global Cartesian.然后 Main Menu PreprocessorModeling Keypoints in active cs.在彈出的對話框中依次輸入下表格的數(shù)據(jù)。 編號 X 方向 Y 方向 28 0.25 0.05 29 0.325 0.04 30 0.4 0.033 31 0.475 0.028 b, 激活總體柱坐標系，創(chuàng)建樣條線： Main Menu Preprocessor Modeling Create lines spline with options spline thru kps.在彈出的對話框中一次輸入 5,28,29,30,31,22，這 6 個關鍵點，也可以在圖中截取。在隨后的對話框中輸入“ 1,135 和 1,45” .結果如下圖： 5-4 生成樣條曲線 7，生成一個新面：選擇 Main Menu Preprocessor Modeling Create lines straight line，將 1和 18 兩個關鍵點記行連接，單擊 OK。 然后選擇Main Menu Preprocessor Modeling Create Areas arbitrary by lines,在彈出的對話框中，輸入 6,1,7,25，這個 4條曲線，單擊 ok，連桿的體面便生成，如下圖： 5-5 連桿體面的生成樣圖 8，線倒角 : 選擇 Main Menu Preprocessor Modeling Create linesline fillet .在彈出的對話框中，選取 36 和 40 的線，倒角的半徑定為 0.025。單擊 apply，重復操作，分別對編號為 40,31 以及 30 和 39 的線進行倒角，并單擊 ok。 9，定義三個線倒角形成的面：選擇 Main Menu Preprocessor ModelingCreate Areas Arbitraty By lines,分別選取剛線倒角形成的區(qū)域。三次操作，并 ok 確認。 10，面相加： Main Menu Preprocessor Modeling operate Booleans add Areas,彈出對話框，單擊 pick all.結果如下圖： 5-6 面相加后的生成結果。 11,2D 網(wǎng)絡劃分及設置單元尺寸： Main Menu Preprocessor meshingmeshtool .單擊“ size controls” ,選擇“ global”的 set 按鈕，在 size 里輸入“ 0.01”，單擊 ok，按 mesh，單擊 pick all. 12，創(chuàng)建 3D 模型：在網(wǎng)絡劃分工具中第一個 set.在彈出的對話框中，選擇solid95. 選擇 Main Menu Preprocessor Modeling operate extrudeelem ext opts,在彈出的對話框中 VAL1 輸入 3 。單擊 ok。 最后選擇 Main Menu Preprocessor Modeling operate extrude areas along normol .在對話框中輸入 0.05，單擊 ok 。 5-7 生成的 3D模型 5.1 2 施加約束和載荷并求解 1，在大孔的內(nèi)表面施加對稱約束：選擇 Main Menu Solution Define loads apply structural displacement symmetry B .C on Areas.選取大孔的內(nèi)表面，單擊 OK。 2，在 Y=0 的所有面上施加對稱約束：選擇 Main Menu Solution Define loads apply structural displacement symmetry B .C on Areas.點擊 ok。 3，施加 Z 方向的約束：選擇 Main Menu Solution Define loads applystructural displacement on nodes .在彈出的對話框中拾取編號為 447 的節(jié)點，點擊 Ok，并在彈出的對話框中選擇 UZ，點擊 ok。 4，設置面載荷的表達方式： utility menu Plotctrls sy