畢業(yè)設(shè)計說明書 題 目： 直動尖頂從動件盤型 凸輪機構(gòu)有限元分析 專 業(yè)： 機械設(shè)計制造及其自動化 學(xué) 號： 姓 名： 指導(dǎo)教師： 完成日期： 2014 年 5 月 30日 目錄 摘要 . 錯誤 !未定義書簽。 Abstract . 2 第一章 緒論 . 3 1.1 ANSYS對產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計的發(fā)展概括 . 3 1.1.1 ANSYS 基本概括 . 錯誤 !未定義書簽。 1.1.2 ANSYS 基本用途及組成部分 . 4 1.1.3 ANSYS 軟件優(yōu)勢 . 4 1.2 ANSYS對產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計的應(yīng)用方法 . 5 1.2.1 前處理部分 . 5 1.2.2 后處理部分 . 6 第二章 本課題研究的發(fā)展概 況 . 7 2.1 凸輪機構(gòu)簡介 . 7 2.1.1 凸輪機構(gòu)的特點及其日常生活中的應(yīng)用 . 7 2.1.2凸輪機構(gòu)世界發(fā)展歷史 . 7 2.2 本課題研究內(nèi)容 . 8 2.3 ANSYS軟件功用及其對本課題研究的意義 . 8 2.3.1 ANSYS 軟件應(yīng)用范圍 . 8 2.3.2 ANSYS 軟件特點 . 9 2.3.3 ANSYS 軟件主要功用 . 9 2.3.4 ANSYS 軟件本課題研究內(nèi)容 . 10 第三章 盤型 凸輪機構(gòu) 的凸輪設(shè)計 及其有限元靜力學(xué)分析 . 11 3.1 凸輪的設(shè)計 . 11 3.1.1 凸輪基本尺寸的確定 . 11 3.1.2 凸輪輪廓曲線設(shè)計的基本原理 . 11 3.1.3 用作圖法設(shè)計凸輪輪廓曲線 . 13 3.2凸輪的有限元分析 靜力學(xué)分析 . 14 3.2.1靜力學(xué)分析概述 . 14 3.2.2分析問題 . 14 3.2.3分析步驟 . 15 第四章 瞬態(tài)動力學(xué)分析 凸輪從動件運動分析 . 19 4.1 瞬態(tài)動力學(xué)分析概述 . 19 4.1.1 瞬態(tài)動力學(xué)分析定義 . 19 4.1.2 瞬態(tài)動力學(xué)基本運動方程 . 19 4.1.3瞬態(tài)動力學(xué)分析步驟 . 20 4.2問題描述及解析解 . 22 4.3頂尖從動件 分析步驟 . 23 總結(jié)與展望 . 35 參考文獻 . 36 致謝 . 37 附錄 1 . 38 附錄 2 . 46 1 直動 尖頂從動件盤型 凸輪 機構(gòu) 有限元 分析 摘要 ： 凸輪 盤型 凸輪機構(gòu)是常用機構(gòu)應(yīng)用范圍很廣，自三十年代以來，人們就在不斷研究它，并且研究工作隨著新技術(shù)，新方法的產(chǎn)生和應(yīng)用在不斷深化，目前低，中速凸輪機構(gòu)的研究在各方面已經(jīng)相當(dāng)完善，成熟。凸輪機 構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單緊湊，在 前言在各種機械中 ,特別是自動機和自動控制裝置中 ,廣泛采用著各種形式的凸輪機構(gòu)。 本文 進行了直動尖底從動件 盤形凸輪機構(gòu)的有限元仿真分析。以一對凸輪機構(gòu)為實例，建立它的 ANSYS 仿真模型，通過 凸輪靜力學(xué)分析得出凸輪受力云圖及其變形， 凸輪從動件運動學(xué)分析，得出了其瞬態(tài)時的位移和速度曲線，位移和加速度曲線等，為凸輪的優(yōu)化設(shè)計和改進提供了理論依據(jù)和設(shè)計原則。 當(dāng)然在分析過程中也存在結(jié)果誤差， ANSYS 分析值與理論值有差異原因可能是：用 ANSYS 對 凸輪 機構(gòu) 進行 分析時輸入的彈性模量、密度、泊松比等相關(guān)參 數(shù)以及網(wǎng)格劃分的疏密程度都對分析結(jié)果有一定的影響。 關(guān)鍵詞： 凸輪；運動學(xué)分析； ANSYS 2 Steeple disc cam follower Finite Element Analysis Abstract: Cam mechanism is a common mechanism of application range is very wide ,since thirty time, people have been studying it, and work with new technologies, and the application of the new method in the deepening, the study of low, medium speed cam mechanism in all aspects is already quite perfect, mature. Cam mechanism is simple and compact in structure, in the preface in all kinds of machinery, especially the automaton and automatic control device, is widely used in various forms of cam mechanism. The finite element analysis of translation follower with sharp end of dish-shaped cam is presented . Taking a certain cam as a example, the analysis model is built in ANSYS and the transient displacement-velocity curve and displacement-acceleration curve and obtained. All this provide the theoretical basic and design principle for the optimization design and improvement of the cam. Of course, the error exists in the process of analysis, ANSYS analysis and theoretical values of different possible reasons: the input of the cam follower is analyzed with ANSYS elastic modulus, density, Poissons ratio and other related parameters and the mesh density has some effect on the analysis results. Keys words: cam; kinetic analysis; ANSYS 3 第一章 緒論 1.1 ANSYS 對產(chǎn)品分析優(yōu)化設(shè)計的 發(fā)展概況 1.1.1 ANSYS 基本概括 ANSYS 作為有限元領(lǐng)域的大型通用程序，以其多物理場耦合分析的先進技術(shù)和理念，在工業(yè)領(lǐng)域和研究方向都有廣泛而深入的應(yīng)用。 ANSYS 具有結(jié)構(gòu)、流體、熱電磁及其相互耦合分析的功能。 ANSYS 有限元分析可以縮短新產(chǎn)品的研發(fā)周期，提高新產(chǎn)品質(zhì)量，大幅度 的降低新產(chǎn)品 的研發(fā)成本，在公司新產(chǎn)品研發(fā)中將發(fā)揮重要的作用。 研發(fā)成本低，產(chǎn)品質(zhì)量優(yōu)等特點，以 往采用多種方案設(shè)計，試制不同的樣機進行對比，再通過試驗去驗證 的設(shè)計方法有待改進，在設(shè)計過程中對產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)增加 ANSYS 有限 元分析這一環(huán)節(jié)，有利于縮短產(chǎn)品研發(fā)周期，提高產(chǎn)品質(zhì)量，節(jié)約開 發(fā)成本。 ANSYS 有限元分析的在各類產(chǎn)品設(shè) 計中的應(yīng)用會越來越廣泛，對提高產(chǎn)品質(zhì)量、提高產(chǎn)品設(shè)計水平必將 起到重要的作用。 1.1.2ANSYS 軟件基本用途及組成部分 ANSYS 軟件 是融結(jié)構(gòu)、流體、電場、磁場、聲場分析于一體的大型通用 有限元分析軟件 。由世界上最大的 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，如 Creo, NASTRAN, Alogor, I DEAS,AutoCAD 等， 是現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計中高級 CAE 工具之一。 CAE 的技術(shù)種類有很多，其中包括 有限元法 (FEM,即 Finite Element Method),邊界元法 (BEM,即Boundary Element Method)， 有限差分法 (FDM,即 Finite Difference Element Method)等。每一種方法各有其應(yīng)用的領(lǐng)域，而其中 有限元法 應(yīng)用的領(lǐng)域越來越廣，現(xiàn)已應(yīng)用于 結(jié)構(gòu)力學(xué) 、 結(jié)構(gòu)動力學(xué) 、 熱力學(xué) 、 流體力學(xué) 、電路學(xué)、 電磁學(xué) 等。 ANSYS 有限元 軟件 包是一個多用途的 有限元法 計算機設(shè)計程序，可以用來求解結(jié)構(gòu)、流體、電力、電磁場及碰撞等問題。因此它可應(yīng)用于以下工業(yè)領(lǐng)域： 航空航天、汽車工業(yè)、生物醫(yī)學(xué)、橋梁、建筑、電子產(chǎn)品、重型機械、 微機電系統(tǒng) 、運動器械等。 4 軟件 主要包括三個部分：前處理模塊，分析計算模塊和后處理模塊。 前處理模塊提供了一個強大的實體建模及 網(wǎng)格 劃分工具，用戶可以方便地構(gòu)造有限元模型； 分析計算模塊包括 結(jié)構(gòu)分析 （可進行線性分析、非線性分析和高度非線性分析）、流體動力學(xué)分析、電磁場分析、聲場分析、壓電分析以及多物理場的耦合分析，可模擬多種物理介質(zhì)的相互作用，具有靈敏度分析及優(yōu)化分析能力； 后處理模塊可將計算結(jié)果以彩色等值線顯示、梯度顯示、矢量顯示、粒子流跡顯示、立體切片顯示、透明及半透明顯示（可看到結(jié)構(gòu)內(nèi)部）等圖形方式顯示出來，也可將計算結(jié)果以圖表、 曲線 形式顯示或輸出。 1.1.3ANSYS 軟件優(yōu)勢 軟件 提供了 100 種以上的單元類型，用來模擬工程中的各種結(jié)構(gòu)和材料。該 軟件 有多種不同版本，可以運行在從個人機到大型機的多種 計算機設(shè)備上，如PC， SGI， HP， SUN， DEC， IBM， CRAY 等。對于特定的物理學(xué)領(lǐng)域， ANSYS 的軟件可讓用戶能更深入地鉆研，從而解決更多種類的問題，處理更為復(fù)雜的情況。除了 ANSYS 外，沒有哪家工程仿真軟件供應(yīng)商能提供如此深入的技術(shù)能力。 ANSYS 的技術(shù)涵蓋多個學(xué)科領(lǐng)域。不論是需要結(jié)構(gòu)分析、流體、熱力、電磁學(xué)、顯式分析、系統(tǒng)仿真還是數(shù)據(jù)管理， ANSYS 的產(chǎn)品均能為各個行業(yè)的企業(yè)取得成功助一臂之力。 ANSYS 在所提供的工程仿真工具的廣度和數(shù)量上堪稱絕無僅有。 以真正耦合的方式使用 ANSYS 技術(shù)，開發(fā)工程師即可獲得符合現(xiàn)實條件的解決方案。綜合多物理場場產(chǎn)品組合能使用戶利用集成環(huán)境中的多個耦合物理場進行仿真與分析。 ANSYS 的成套產(chǎn)品極具靈活性。不論是為企業(yè)中新手還是能手使用；是單套部署還是企業(yè)級部署；是首次通過還是復(fù)雜分析；是桌面計算、并行計算還是多核計算，這一工程設(shè)計的高擴展性均能滿足當(dāng)前與未來的需求。 ANSYS 是唯一一家能提供客戶所需能力水平 的仿真軟件供應(yīng)商，而且能隨此類需求的發(fā)展無限擴展。 工程設(shè)計與開發(fā)可使用多種 CAD 產(chǎn)品、內(nèi)部開發(fā)代碼、物料庫、第三方求解器、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理流程等其他工具。與那些刻板、僵化的系統(tǒng)不同， ANSYS 的軟件具有開放性和適應(yīng)性特性，能實現(xiàn)高效的工作流程。此外，其產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理可使知識和經(jīng)驗在工作組間與企業(yè)內(nèi)的實現(xiàn)共享。 5 1.2.ANSYS 對產(chǎn)品分析優(yōu)化設(shè)計的應(yīng)用方法 1.2.1 前處理 部分 實體建模 ANSYS 程序提供了兩種實體建模方法：自頂向下與自底向上。自頂向下進行實體建模時，用戶定義一個模型的最高級圖元，如球 、棱柱，稱為基元，程序則自動定義相關(guān)的面、線及關(guān)鍵點。用戶利用這些高級圖元直接構(gòu)造幾何模型，如二維的圓和矩形以及三維的塊 、球、錐和柱。無論使用自頂向下還是自底向上方法建模，用戶均能使用 布爾 運算來組合數(shù)據(jù)集，從而 “雕塑出 ”一個實體模型。ANS YS 程序提供了完整的 布爾 運算，諸如相加、 相減 、相交、分割、粘結(jié)和重疊。在創(chuàng)建復(fù)雜實體模型時，對線、面、體、基元的 布爾 操作 能減少相當(dāng)可觀的建模工作量。 ANSYS 程序還提供了拖拉、延伸、旋轉(zhuǎn)、移動、延伸和拷貝實體模型圖元的功能。附加的功能還包括 圓弧 構(gòu)造、切線構(gòu)造、通過拖拉與旋轉(zhuǎn)生成面和體、線與面的自動相交運算、自動倒角生成、用于 網(wǎng)格 劃分的硬點的建立、移動、拷貝和 刪除。自底向上進行實體建模時，用戶從最低級的圖元向上構(gòu)造模型，即：用戶首先定義關(guān)鍵點，然后依次是相關(guān)的線、面、體。 網(wǎng)格劃分 ANSYS 程序提供了使用便捷、高質(zhì)量的對 CAD 模型進行 網(wǎng)格 劃分的功能。包括四種 網(wǎng)格 劃分方法：延伸劃分、映像劃分、自由 劃分和自適應(yīng)劃分。延伸網(wǎng)格 劃分可將一個二維網(wǎng)格延伸成一個三維網(wǎng)格。映像 網(wǎng)格 劃分允許用戶將幾何模型分解成簡單的幾部分，然后 選擇合適的單元屬性和網(wǎng)格控制，生成映像網(wǎng)格。 ANSYS 程序的自由 網(wǎng)格 劃分器功能是十分強大的，可對復(fù)雜模型直接劃分，避免了 用戶對各個部分分別劃分然后進行組裝時各部分網(wǎng)格不匹配帶來的麻煩。 自適應(yīng)網(wǎng)格 劃分是在生成了具有邊界條件的實體模型以后，用戶 指示程序自動地生成有限元網(wǎng)格，分析、估計網(wǎng)格的離散誤差，然后重新定義網(wǎng)格大小，再次分析計算、估計網(wǎng)格的離散誤差，直至誤差 低于用戶定義的值或達(dá)到用戶定義的求解次數(shù)。最新版本 Ansys 15.0 同級別的軟件還有 ADINA、 ABAQUS、MSC 等， ADINA 和 ABAQUS 在非線性計算功能方面比 ANSYS 強， ABAQUS沒有流體計算模塊， ADINA 不能做電磁分析但是 ADINA 是做流固耦合最好的軟件。 6 施加載荷 在 ANSYS 中，載荷包括邊界條件和外部或內(nèi)部作應(yīng)力函數(shù)，在不同的分析領(lǐng)域中有不同的表征，但基本上可以分為 6 大類：自由度約束、力（集中載荷）、面載荷、體載荷、慣性載荷以及耦合場載荷。 1、自由度約束（ DOF Constraints） :將給定的自由度用已知量表示。例如在 結(jié)構(gòu)分析 中約束是指位移和對稱邊界條件，而在熱力學(xué)分析中則指的是溫度和熱通量平行的邊界條件。 2、力（集中載荷）（ Force）：是指施加于模型 節(jié)點 上的集中載荷或者施加于實體模型邊界上的載荷。例如 結(jié)構(gòu)分析 中 的力和力矩，熱力分析中的熱流速度，磁場分析中的電流段。 3、面載荷（ Surface Load） :是指施加于某個面上的分布載荷。例如 結(jié)構(gòu)分析 中的壓力，熱力學(xué)分析中的對流和熱通量。 4、體載荷（ Body Load） :是指體積或場載荷。例如需要考慮的重力，熱力分析中的熱生成速度。 5、慣性載荷（ Inertia Loads） :是指由物體的慣性而引起的載荷。例如重力加速度、角速度、角加 速度引起的慣性力。 6、耦合場載荷（ Coupled-field Loads） :是一種特殊的載荷，是考慮到一種分析的結(jié)果，并將該結(jié)果作為另外一個分析的載荷。例如將磁場分析中計算得到的磁力作為 結(jié)構(gòu)分析 中的力載荷。 1.2.2 后處理 部分 ANSYS 程序提供兩種后處理器：通用后處理器和時間歷程后處理器。 1. 通用后處理器也簡稱為 POSTl，用于分析處理整個模型在某個載荷步的某個了步 、或者某個結(jié)果序列、或者某特定時間或頻率下的結(jié)果，例如結(jié)構(gòu)靜力求解中載荷步 2 的最后 個子步的壓力、或者瞬態(tài)動力學(xué)求解中時間等于 6 秒時的位移、速度與加速度等。 2. 時間歷程后處理器也簡稱為 PosT26，用于分析處理指定時間范圍內(nèi)模型指定節(jié)點上的某結(jié)果項隨時間或頻率的變化情況，例如在瞬態(tài)動力學(xué)分析中結(jié)構(gòu)某節(jié)點上的位移、速度和加速度從 0 秒到 10 秒之間的變化規(guī)律。 后處理器處理可以處理的數(shù)據(jù)類型有兩種：一是基本數(shù)據(jù)，是指每個節(jié)點求解所得自由度解，對于結(jié)構(gòu)求解為位移張量，其他類型求解還有熱求解的溫度、磁場求解的 磁勢等，這些結(jié)果項稱為節(jié)點解；二是派生數(shù)據(jù)，是指根據(jù)基本數(shù)據(jù)導(dǎo)出的結(jié)果數(shù)據(jù)，通常是計算每個單元的所有節(jié)點、所有積分點或質(zhì)心上的派生數(shù)據(jù)，所以也稱為單元解。不同分析類型有不同的單元解，對于結(jié)構(gòu)求解有應(yīng)力和應(yīng)變等，其他如熱求解的熱梯度和熱流量、磁場求解的磁通量等。 7 第二章 本課題研究的發(fā)展概況 2.1 凸輪機構(gòu)簡介 2.1.1 凸輪機構(gòu)的特點及其日常生活的應(yīng)用 凸輪機構(gòu)及其技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展凸輪機構(gòu)簡介工程中凸輪機構(gòu)是典型的常用機構(gòu)之一。幾乎所有簡單的、復(fù)雜的重復(fù)性機械動作都可由凸輪機構(gòu)或者包括凸輪機構(gòu)的組合機 構(gòu)來實現(xiàn)。凸輪機構(gòu)在機構(gòu)化、自動化生產(chǎn)設(shè)備中得到極其廣泛的應(yīng)用。在各種機構(gòu)中凸輪機構(gòu)具有易于設(shè)計和能準(zhǔn)確地預(yù)測所產(chǎn)生運動的優(yōu)點可以實現(xiàn)任意給定的位移、速度、加速度等運動規(guī)律在工程中得到了廣泛的應(yīng)用。所以在許多機器中如紡織機、包裝機、印刷機、壓力機、儀器、內(nèi)燃機、計算機以及農(nóng)業(yè)機具中都可以找到凸輪機構(gòu)。 2.1.2 凸輪機構(gòu)在世界上的發(fā)展歷史 在凸輪機構(gòu)的理論研究方面歐美各國已有很多學(xué)者為此做出了巨大的貢獻他們發(fā)表很多的論文和專著。日本在這方面也有很大發(fā)展日本是在第二次世界大戰(zhàn)以后致力于發(fā)展實用的自動設(shè)備特 別重視對凸輪機構(gòu)的研究日本有很多從事凸輪機構(gòu)研究的專家和專門生產(chǎn)凸輪機構(gòu)的公司如大緣凸輪公司、三共制作所等。日本在凸輪機構(gòu)的研究方面取得了很大成就如在機構(gòu)設(shè)計方面致力于尋求凸輪機構(gòu)的精確解和使凸輪曲線多樣化以適應(yīng)新的要求發(fā)展凸輪機構(gòu)的系統(tǒng)。不僅如此日本學(xué)者還特別注重將各方面的研究成果應(yīng)用到實際產(chǎn)品的開發(fā)中去。我國對凸輪機構(gòu)的應(yīng)用和研究已有多年歷史目前仍在繼續(xù)擴展和深入。如在應(yīng)用沈拜航空工業(yè)學(xué)院碩士學(xué)位論文方面我國正在大力發(fā)展包裝機械、食品機械等自動化設(shè)備這些設(shè)備中都要用到各種形式的凸輪機構(gòu)。在研究方面近年來 也有相當(dāng)進展但主要是運動規(guī)律、動力學(xué)分析與綜合、振動、優(yōu)化設(shè)計、凸輪組合機構(gòu)和等內(nèi)容。此外我國在凸輪機構(gòu)的共軛曲面原理、和專家系統(tǒng)等方面也有相當(dāng)研究。但是與先進國家比較我國對凸輪機構(gòu)的研究仍有較大差距特別是在加工和產(chǎn)品開發(fā)等方面 8 2.2 本課題研究內(nèi)容 本課題研究的是 直動 尖頂從動件盤型 凸輪機構(gòu)有限元 分析。 利用ANSYS12.0 對于 直動 尖端從動件來說從動件的尖端能夠與任意復(fù)雜的凸輪輪廓保持接觸，從而使從動件實現(xiàn)任意的運動規(guī)律。這種從動件結(jié)構(gòu)最簡單，但尖端處易磨損，故只適用于速度較低 和傳力不 大的場合。 在總結(jié)凸輪機構(gòu)設(shè)計方法研究和凸輪機構(gòu)研究的發(fā)展?fàn)顩r和發(fā)展趨勢，在總結(jié)前人研究成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合當(dāng)前的技術(shù)發(fā)展趨勢，采用有限元方法來進行開展研究。從而利用 ANSYS 進行 靜力學(xué)分析及 瞬態(tài)動力學(xué)分析的方法、步驟和過程，并使用解析解對有限元分析結(jié)果進行驗證。 ， 利用靜力學(xué)分析凸輪施加載荷后受力情況。 并且利用瞬態(tài)動力分析時，結(jié)構(gòu)上的載荷呈任意變化時在任意一個載荷步內(nèi)，約束載荷重新設(shè)定并用曲線圖顯示位移和加速度曲線。 2.3 ANSYS 軟件功用及其對 本課題研究的 意義 2.3.1ANSYS 軟件應(yīng)用 范圍 ANSYS 是一種融結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁和聲學(xué)于一體的大型通用有限元軟件， 廣泛應(yīng)用于水利、鐵路、汽車、造船、流體分析等工業(yè)領(lǐng)域，可在微機或工作站 上運行，能夠進行應(yīng)力分析、熱分析、流場分析、電磁場分析等多物理場分析及 耦合分析，并且具有強大的前后處理功能。 ANSYS 公司成立于 1970年，總部設(shè)在美國的賓夕法尼亞洲，目前是世界 CAE 行業(yè)中最大的公司。其創(chuàng)始人 John Swanson 博士為匹茲堡大學(xué)力學(xué)教授、有限元 界權(quán)威。在 30 多年的發(fā)展過程中， ANSYS 不斷改進提高，功能不斷增強， 目前， ANSYS 軟件 已形成完善、成熟的三大核心體系：以結(jié)構(gòu)、熱力學(xué)為核 心的 MCAE 體系，以計算流體動力學(xué)為核心的 CFD 體系，以計算電磁學(xué)為核心的 CEM 體系。這三大體系不僅提供 MCAE CFD CEM 領(lǐng)域的單場分析技術(shù)，各單場分析技 術(shù)之間還可以形成多物理場耦合分析機制。 9 2.3.2ANSYS 軟件特點 ANSYS 是一個大型通用的商業(yè)有限元軟件，功能完備的前后處理器使ANSYS 易學(xué)易用，強大的圖形處理能力及得心應(yīng)手的實用工具使得用戶在處理問題時得 心應(yīng)手，奇特的多平臺解決方案使用戶能夠做到物盡其用， ANSYS提供兩種 基本網(wǎng)格劃分技術(shù)：智能網(wǎng)格和映射網(wǎng)格，分別適合于 ANSYS 初學(xué)者和高級使用者。智能網(wǎng)格、自適應(yīng)、局部細(xì)分、層網(wǎng)格、網(wǎng)格隨移、金字 塔單元 (六面體與四面體單元的過渡單元 )等多種網(wǎng)格劃分工具，幫助用戶完成精 確的有限元模型。 另外， ANSYS 還提供了與 CAD 軟件專用的數(shù)據(jù)接口，能實現(xiàn)與 CAD 軟件的無縫 幾何模型傳遞。這些 CAD 軟件有 Pro E、 UG、 CATIA、lDEAS， Solidwork、 Solid edge、 lnventor、 MDT 等。 ANSYS 還可以讀取 SAT、STEP、 ParaSolid、 lGES 格式的圖形 標(biāo)準(zhǔn)文件。 此外， ANSYS 還具有近 200種單元類型，這些豐富的單元特性能使用戶方便而 準(zhǔn)確地構(gòu)建出反映實際結(jié)構(gòu)的仿真計算模型。 強大的求解器 ANSYS 提供了對各種物理場的分析，是目前唯一能融結(jié)構(gòu)、熱、電磁、流場、 聲學(xué)等為一體的有限元軟件。除了常規(guī)的線性、非線性結(jié)構(gòu)靜力、動力分析之外， 還可以解決高度非線性結(jié)構(gòu)的動力分析、結(jié)構(gòu)非線性及非線性屈曲分析。提供的 多種求解器分別適用于不同的問題及不同的硬件配置。后處理功能 ANSYS 的后處理用來觀察 ANSYS 的分析結(jié)果。 ANSYS 的后處理分為通 用后處理 模塊和時間后處理模塊兩部分。后處理結(jié)果可能包括位移溫度應(yīng)力應(yīng)變速度以及 熱流等，輸出形式可以是圖形顯示和數(shù)據(jù)列表兩種。 ANSYS 還提供自動或手動時 程計算結(jié)果處理的工具。 2.3.3ANSYS 軟件主要功用 ANSYS 軟件的主要功能 ANSYS 軟件提供了對各種物理場量的分析，是一種能夠融結(jié)構(gòu)、熱流體、電 磁、聲學(xué)于一體的大型通用有限元分析軟件，其主要功能包括： 1 結(jié)構(gòu)分析 結(jié)構(gòu)分析是有限元分析方法最常用的一個應(yīng)用領(lǐng)域。ANSYS 能夠完成的結(jié)構(gòu) 分析有：結(jié)構(gòu)靜力分析；結(jié)構(gòu)非線性分析；結(jié)構(gòu)動力學(xué) 分析；隱式、顯示及顯示 隱式顯示耦合求解。 2 熱分析 熱分析用于計算一個系統(tǒng)的溫度等熱物理量的分布及變化情況。 ANSYS 能夠完 成的熱分析有：穩(wěn)態(tài)溫度場分析；瞬態(tài)溫度場分析；相變分析；輻射分析。 3 流體動力學(xué)分析 ANSYS 程序的 FLOTRAN CFD 分析功能能夠進行二維及三維的流體瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)動 力學(xué)分析，其可以完成以下分析：層流、紊流分析；自由對流與強迫對流分析； 可壓縮流 /不可壓縮流分析；亞音速、跨音速、超音速流動分析；多組分流動分 析；移動壁面及自由界面分析；牛頓流與非牛頓流體分析；內(nèi)流和 10 外流 分析；分 布阻尼和 FAN 模型；熱輻射邊界條件，管流。 4 電磁場分析 ANSYS 程序能分析電感、電容、渦流、電場分布、磁力線及能量損失等電磁場 問題，也可用于螺線管、發(fā)電機、變換器、電解槽等裝置的設(shè)計與分析。其內(nèi)容 主要包括： 2D、 3D 及軸對稱靜磁場分析； 2D、 3D 及軸對稱時變磁場；交流磁場分 析；靜電場、 AC 電場分析； 5 聲學(xué)分析 ANSYS 程序能進行聲波在含流體介質(zhì)中的傳播的研究，也能分析浸泡在流體中 的固體結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性。其涉及范圍包括：聲波在容器內(nèi)的流體介質(zhì)中傳播；聲 波在固體介質(zhì)中的傳播；水下結(jié) 構(gòu)的動力分析；無限表面吸收單元。 6 壓電分析 用于二維或三維結(jié)構(gòu)對AC、 DC 或任意隨時間變化的電流或機械載荷的響應(yīng)。 主要研究內(nèi)容如下：穩(wěn)態(tài)分析、瞬態(tài)分析；諧響應(yīng)分析；瞬態(tài)響應(yīng)分析；交流、 直流、時變電載荷或機械載荷分析。 7 多耦合場分析 多耦合場分析就是考慮兩個或多個物理之間的相互作用。 ANSYS 統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫及 多物理場分析并存的特點保證了可方便的進行耦合場分析，允許的耦合類型有以 下幾種：熱應(yīng)力；磁熱、磁結(jié)構(gòu)；流體流動熱；流體結(jié)構(gòu)；熱電； 電磁熱流體應(yīng)力。 8 優(yōu)化設(shè)計 優(yōu)化設(shè)計是 一種尋找最優(yōu)設(shè)計方案的技術(shù)。 ANSYS 程序提供多種優(yōu)化方法，包 括零階方法和一階方法等。對此， ANSYS 提供了一系列的分析評估修正的過 程。 2.3.4ANSYS 軟件對本課題研究內(nèi)容 利用 ANSYS 軟件分析凸輪機構(gòu)的前提條件之下， 本文利用 結(jié)構(gòu)分析里的靜力分析， 瞬態(tài)動力學(xué)分析凸輪機構(gòu)， 靜力分析用于靜態(tài)載荷，用于求解靜力載荷作用下的結(jié)構(gòu)的位移和應(yīng)力等。靜力分析包括線性和非線性分析。而非線性分析涉及塑性、應(yīng)力鋼化、大變形、大應(yīng)變、超彈性、接觸面和蠕變。 瞬態(tài)動力學(xué)分析（亦稱時間歷程分析）是用于確定承受任 意的隨時間變化載荷結(jié)構(gòu)的動力學(xué)響應(yīng)的一種方法。可以用瞬態(tài)動力學(xué)分析確定結(jié)構(gòu)在穩(wěn)態(tài)載荷、瞬態(tài)載荷和簡諧載荷的隨意組合作用下的隨時間變化的位移、應(yīng)變、應(yīng)力及力。載荷和時間的相關(guān)性使得慣性力和阻尼作用比較重要。如果慣性力和阻尼作用不重要，就可以用靜力學(xué)分析代替瞬態(tài)分析 采用 ANSYS 對一些產(chǎn)品進行優(yōu)化設(shè)計，應(yīng)用 ANSYS 對于 凸輪機構(gòu)做有限元 分析，從而能更加全面的了解構(gòu)件，這對凸輪機構(gòu)及其動力學(xué)問題的進一步研究，是長期，持續(xù)并有重大意義的工作。 11 第三章 凸輪 的 設(shè)計及其有限元靜力學(xué)分析 3.1凸輪的設(shè)計 3.1.1 凸輪基本 尺寸的確定 在設(shè)計 凸輪輪廓曲線時，凸輪的基圓半徑等等都假設(shè)是給定的，而實際上凸輪機構(gòu)的基本尺寸是要考慮到機構(gòu)的受力情況是否良好、動作是否靈活，尺寸是否緊湊等許多因素所確定的。 一。凸輪機構(gòu)中作用力和凸輪機構(gòu)的壓力角 （ 1）凸輪機構(gòu)中的作用力 直動尖頂推桿盤型凸輪機構(gòu)在考慮摩擦?xí)r，其凸輪對推桿的作用力 F和推桿所受載荷（包括推桿的自重和彈簧壓力等） G 的關(guān)系為 F=G/COS( + 1)-(1+2b/L)SIN( + 1)tan 2 （ 2）凸輪機構(gòu)的壓力角 凸輪所受正壓力的方向（沿凸輪輪廓線 在接觸點的法線方向）與推桿上作用點的速度方向間的夾的銳角，稱為凸輪機構(gòu)的壓力角用表示，在凸輪機構(gòu)中，壓力角是影響凸輪機構(gòu)受力情況的一個重要參數(shù)在其他條件相同的情況下，壓力角越大，則作用力 F越大；如果壓力角大到使作用力增至無限大時機構(gòu)將發(fā)生自鎖，而此時的壓力角稱為臨界壓力角 c，即 c=arctan1/(1+2b/L)tan 2- 1 為保證凸輪機構(gòu)的正常運行，應(yīng)使其最大壓力角 max小于臨界壓力角c。在生產(chǎn)實際中，為了提高機構(gòu)效率、改善其受力情況，通常規(guī)定凸輪機構(gòu)的最大壓力角 max 應(yīng)小于某一許用壓力角 其值一般對直動推桿取 =30o. 二。凸輪基圓半徑的確定 對于一定型的凸輪機構(gòu)，在推桿的運動規(guī)律選定后，該凸輪機構(gòu)的壓力角與凸輪基圓半徑大小直接相關(guān)。即 tan =(ds/d )-e/(r02-e2)1/2+s 由此可知，在偏距一定，推桿的運動規(guī)律已知的條件下，加大基圓半徑 r0,可減小壓力角，從而改善機構(gòu)的傳力特性。 但此時機構(gòu)尺寸將會增大。故凸輪基圓半徑的確定原則為：在滿足 max 限制，還要 考慮到凸輪的結(jié)構(gòu)及強度的要求等。因此在實際設(shè)計工作中，凸輪的基圓半徑常是根據(jù)具體結(jié)構(gòu)條件來選擇的。必要時再檢查所設(shè)計的凸輪是否滿足 max 的要求。本文選取基圓半徑 R45。 3.1.2 凸輪輪廓曲線設(shè)計 的基本原理 根據(jù)工作要求選定了凸輪機構(gòu)的類型、設(shè)計好從動件的運動規(guī)律和凸輪機構(gòu)的基本尺寸后，即可進行凸輪輪廓曲線的設(shè)計。 12 凸輪輪廓曲線設(shè)計的基本原理是反轉(zhuǎn)法。所謂反轉(zhuǎn)法，是建立在相對運動不變形原理上的一種方法。如圖 1所示 圖 1 反轉(zhuǎn)法原理 在工作情況下，我們看到的是以機架作為靜參考系，凸輪和從動件相對機架的運動情況；凸輪以等角速度 W按逆時針方向繞軸 O相對機架轉(zhuǎn)動，推動從動件按照工作中所要求的運動規(guī)律相對機架移動，在設(shè)計凸輪輪廓時選擇凸輪作為靜參考系而保持各構(gòu)件在工作情況的相對運動不變，而凸輪靜止不動，機架以等角速度 W 按順時針方向繞轉(zhuǎn)軸 O 相對凸輪轉(zhuǎn)動（反轉(zhuǎn)），從動件相對凸輪則做一復(fù)合運動：隨同機架導(dǎo)路一起以等角速度 W按順時針方向繞轉(zhuǎn)軸 O相對凸輪轉(zhuǎn)動（反轉(zhuǎn)），同時又在機架導(dǎo)路中按照工作 所要求的運動規(guī)律相對機架移動，此時從動件尖頂沿凸輪輪廓曲線運動，因此設(shè)計凸輪輪廓時，只要讓從動件上訴復(fù)合運動，則其頂尖的軌跡便是凸輪輪廓曲線，這就是凸輪輪廓曲線設(shè)計的反轉(zhuǎn)原理。 3.1.3 用作圖法設(shè)計凸輪輪廓曲線 尖頂 從動件： 如圖所示為一尖頂從動件盤型凸輪機構(gòu)，由時間位移曲線可得，角度位移曲線，從動件位移曲線如下圖 2所示。依據(jù)反轉(zhuǎn)法原理設(shè)計凸輪輪廓曲線可按下面步驟進行。 （ 1） 選取適當(dāng)?shù)谋壤?，作出從動件位移曲線如下圖所示。將位移線圖的橫坐標(biāo)分成若干等角度分，得分點 轉(zhuǎn)角度 40， 80,120， ， 360。 （ 2） 選取同樣比例尺，以 O為圓心， R45 為半徑做基圓； （ 3） 自 B0 點開始，沿著（ -W）方向?qū)A分成圖 b 所示橫坐標(biāo)相同等分，得圓上分點 0,2， ,9。 （ 4） 從基圓起向外截取線段，使其長度分別等于圖 b中所相應(yīng)的縱坐標(biāo)高度，即 1B1=（ 1） ,2B2=（ 2），得點 B1， B2， ，這些點代表從動件依據(jù)反轉(zhuǎn)法原理在復(fù)合運動中尖頂依次占據(jù)的位置。 13 圖 2 尖頂移動從動件盤型凸輪輪廓曲線的設(shè)計 14 3.2凸輪的有限元分析 靜力學(xué)分析 3.2.1 靜力學(xué)分析概述 1.靜力學(xué)分析定義 靜力學(xué)分析 計算在固定不變的載荷作用下結(jié)構(gòu)的效應(yīng)，它不考慮慣性和阻尼的影響，如結(jié)構(gòu)隨時間變化的載荷情況?？墒?，靜力分析可以計算那些固定不變的慣性載荷對結(jié)構(gòu)的影響（如重力和離心力），以及那些可以近似為等價靜力作用的隨時間變化的載荷（如通常在許多建筑規(guī)范中所定義的等價靜力風(fēng)載和地震載荷）。線性分析是指在分析過程中結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)和載荷參數(shù)只發(fā)生微小的變化，以致可以把這種變化忽略，而把分析中所有非線性項去掉。 2靜力分析基本步驟 （ 1）建模 建立結(jié)構(gòu)的有限元模型，使用 ANSYS 軟件進行靜力分析，有限元模型的建立是否正確、合 理，直接影響到分析結(jié)果的準(zhǔn)確可靠程度。因此，在開始建立有限元模型時就應(yīng)當(dāng)考慮要分析問題的特點，對需要劃分的有限元網(wǎng)絡(luò)的粗細(xì)和分布情況有一個大概的計劃。 （ 2）施加載荷和邊界條件，求解 在上一步建立的有限元模型上施加載荷和邊界條件并求解，這部分要完成的工作包括：指定分析類型和分析選型，根據(jù)分析對象的工作和環(huán)境施加邊界條件和載荷，對結(jié)果輸出內(nèi)容進行控制，最后根據(jù)設(shè)定的情況進行有限元求解。 3.2.2 分析問題 為了考察凸輪在運轉(zhuǎn)時，發(fā)生多大的徑向位移，從而判斷 受力及 變形情況，以及凸輪受到的壓力作用。 取 凸輪基圓半 徑 45mm 厚度 10mm，軸孔直徑 22mm， 如下圖 3 圖 3 凸輪模型 15 3.2.3 分析步驟 1.導(dǎo)入凸輪實體模型 根據(jù)直動尖頂行程設(shè)計 凸輪輪廓曲線并用 solidwork 建好三維模型后導(dǎo)入ANSYS 建立靜力學(xué)分析。 拾取菜單 Utility Menu File Import Parasolid 選取導(dǎo)入文件夾下的凸輪模型 2導(dǎo)入模型變?yōu)閷嶓w形式 Utility Menu PlotCtrls style solid model facets 改為 normal faceting. Utility Menu Plot Volumes 3. 選擇單元類型 拾取單元 Main Menu Preprocessor Element Type ADD/Edit/Delete.彈出對話框，單機“ Add”按鈕；彈出對話框 圖 4 所示 ，在左側(cè)列表選“ Structural Solid”，在右側(cè)列表中選“ Quad 4node 42”,單機“ Apply”按鈕；再在右側(cè)列表中選“ Brick 8node 45”,單機“ OK”按鈕；單機對話框“ Close”按鈕。 圖 4 改變?nèi)蝿?wù)名對話框 4 定義材料模型 拾取菜單 Main Menu Preprocessor Material Props Material Models.彈出對話框，在右側(cè)列表中依次拾取“ Structural” 、“ Linear” 、“ Elastic” 、“ Isotropic” ,彈出對話框，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），單機“ OK”按鈕；再拾取右側(cè)列表中“ Structural”下“ Density” ,彈出對話框，在“ DENS”文本框中輸入 7800（密度），單機“ OK”按鈕。然后關(guān)閉對話框。 5.劃分網(wǎng)格 拾取菜單 Main Menu Preprocessor Meshing Mesh Tool。彈出對話框，單機 底下 “ mesh” 按鈕， 選取實體， 單機“ OK”按鈕 。 如下圖 5 16 圖 5 凸輪網(wǎng)格的劃分 7.施加載荷 拾取菜單 Main Menu Solution Define Loads Apply StructuralForce/Moment On Nodes。彈出拾取窗口，任意選取凸輪輪廓表面 離基圓最近位置 一點 ，單擊“ OK”按鈕，彈出對 話框，選擇“ Lab” 為“ FY”，在“ VALUE”文本框中輸入 -1000，單擊“ OK” 見下圖 6 圖 6 凸輪施加載荷圖 6施加約束 施加約束 拾取菜單 Main Menu Solution Define Loads Apply StructuralDisplacement area。彈出拾取窗口，拾取 鍵槽內(nèi)表面 按鈕，在列表中選擇“ All DOF” ,單擊“ OK”按鈕。 17 8.求解完成 拾取菜單 Main Menu Solution Solve Current LS.單擊“ Solve Current Load step” 對話框的 “ OK”按鈕。出現(xiàn)“ Solution done!” 提示時，求解結(jié)束，即可查看結(jié)果了。 9在主菜單中選擇 Main Menu: General Postproc Plot Result Controur Plot Nodal Solu 命令，打開“ Contour Nodal Solution Date(等值線顯示節(jié)點解數(shù)據(jù) )”對話框，如圖 7所示。 圖 7等值線顯示節(jié)點解數(shù)據(jù)對話框 在“ Item to be contoured（等值線顯示結(jié)果選項）” 域中選擇“ DOF solution(自由度解 )”選項。 在列表框中選擇“ Y-Component of displacement(Y 向位移 )”選項，此時， Y向位移即為徑向位移。 選擇“ Deformed shape with underformed edge(變形后和未變形輪廓線 )”單選按鈕。 單擊“ OK”按鈕，在圖形顯示出變形圖，包含變形前的輪廓線，如圖 8所示。圖中下方色譜表明不同的顏色對應(yīng)的數(shù)值（帶符號）。 18 圖 8 凸輪 應(yīng)力 云圖 (N/M2) 由圖可知節(jié)點 計算，步數(shù) 1，迭代次數(shù) 1，時間 1（載荷步時間，常用于非線性分析與諧響應(yīng)與其他動力分析。