1、基于ADAMS的單自由度六桿復(fù)合式組合機(jī)構(gòu)動力學(xué)分析及仿真一、題目在下圖所示的六桿復(fù)合式組合機(jī)構(gòu)，已知lAB=150mm，lBC=500mm，lDC=260mm，lBE=250mm，lAF=600mm，lAD=410mm，桿2和桿2'固結(jié)，BE垂直于BC，AF垂直于AD，曲柄1的驅(qū)動力矩為2000NM,構(gòu)件質(zhì)量m1=20kg，m2=40kg，m2=20kg，m3=30kg，m4=70kg，滑塊5質(zhì)量忽略不計(jì)，構(gòu)件6為機(jī)架；質(zhì)心位置lCS1=75mm，lCS3=130mm，質(zhì)心S5在點(diǎn)E，構(gòu)件1、3繞質(zhì)心的轉(zhuǎn)動慣量JS1=0.0375kg·m2，JS3=0.176kg·

2、;m2；曲柄1的驅(qū)動力矩M1=2000N·m，方向?yàn)槟鏁r(shí)針，作用在A點(diǎn)；該機(jī)構(gòu)在工作行程時(shí)滑塊受到摩擦力作用，靜摩擦系數(shù)0.5，動摩擦系數(shù)0.3，試分析曲柄回轉(zhuǎn)一周過程中：（1）曲柄1與X軸正方向夾角1隨時(shí)間變化的關(guān)系，曲柄1轉(zhuǎn)動的角速度1以及角加速度a1隨時(shí)間變化的關(guān)系；（2）桿3與Y軸反方向夾角2隨時(shí)間變化的關(guān)系，桿3轉(zhuǎn)動的角速度3以及角加速度a3隨時(shí)間變化的關(guān)系；（3）滑塊5與桿4的相對速度V5與加速度a5隨時(shí)間變化的關(guān)系。二、建立模型：運(yùn)用Link命令創(chuàng)建桿1、2、2'、3、4構(gòu)件。運(yùn)用Box命令創(chuàng)建滑塊5構(gòu)件和機(jī)架6。根據(jù)各桿長度，運(yùn)用輔助Marker點(diǎn)、Move

3、、Rotate 等命令調(diào)整各構(gòu)件的相對位置，并在各構(gòu)件上單擊右鍵，在修改命令中添加構(gòu)件的質(zhì)量信息，以及桿1、3繞質(zhì)心的轉(zhuǎn)動慣量，其中滑塊5的質(zhì)量為0，創(chuàng)建完成后的機(jī)構(gòu)模型如圖下所示。三、添加約束與驅(qū)動：運(yùn)用Joint中的Revolute命令在A、B、C、D、E、F點(diǎn)處添加鉸接約束，其中桿1、桿3和滑塊5均和機(jī)架6鉸接，桿2和桿2'用Joint中的Fixed命令固結(jié)在一起，形成“L”型桿。運(yùn)用Joint中的Translational命令在滑塊5添加移動約束，使桿4在滑塊5上來回滑動，并右擊移動副，在修改命令中的運(yùn)用Joint Friction命令添加移動副的摩擦力：靜摩擦系數(shù)為0.5，動

4、摩擦系數(shù)為0.3。運(yùn)用Creat Forces命令中的Torque命令為曲柄1添加驅(qū)動力矩，大小為2000N·m，方向?yàn)槟鏁r(shí)針，作用在A點(diǎn)上。添加約束與驅(qū)動后的模型如下圖所示。四、進(jìn)行仿真：在Interactive Simulation Controls命令 中輸入End Time=2s，Step=500，檢測有無錯誤，完成仿真，觀察機(jī)構(gòu)運(yùn)動情況。五、測量構(gòu)件運(yùn)動參數(shù)：運(yùn)用BuildMeasureAngle命令測量曲柄1與X軸正方向的夾角1隨時(shí)間變化的關(guān)系，以及桿3與Y軸反方向夾角2隨時(shí)間變化的關(guān)系。運(yùn)用BuildMeasureSelected Object命令測量曲柄1轉(zhuǎn)動的角速度

5、1和角加速度a1隨時(shí)間變化的關(guān)系，以及桿3轉(zhuǎn)動的角速度3和角加速度a3隨時(shí)間變化的關(guān)系。運(yùn)用BuildMeasurePoint to Point測量滑塊5與桿4的相對速度V5與加速度a5隨時(shí)間變化的關(guān)系。六、查看運(yùn)動曲線：運(yùn)用后處理命令查看第六步操作中所測量的各物理量隨時(shí)間變化的規(guī)律。1.曲柄1與X軸正方向夾角1隨時(shí)間變化的關(guān)系圖（1）圖（2）分析： 圖1的左邊是單自由度六桿復(fù)合式組合機(jī)構(gòu)的模型，圖2是從初始位置開始的1隨時(shí)間變化的曲線放大圖，從圖中可看出初始1為60度，隨逆時(shí)針轉(zhuǎn)矩驅(qū)動轉(zhuǎn)角越來越大，從00.4秒曲線增長的很慢而且不穩(wěn)定，這說明曲柄的角速度一直在變化，0.4秒以后曲線近似于直線

6、，說明曲柄角速度趨于恒定。2.曲柄1轉(zhuǎn)動的角速度1以及角加速度a1隨時(shí)間變化的關(guān)系分析： 圖中紅色線條為曲柄1轉(zhuǎn)動的角速度1隨時(shí)間變化的關(guān)系，藍(lán)色線條為角加速度a1隨時(shí)間變化的關(guān)系，角速度曲線從0開始，0.4秒后趨于穩(wěn)定，這與上圖的情況吻合。由圖可知，在每個(gè)循環(huán)中，角速度1最大時(shí)角加速度a1最小，用adams仿真分析可知，當(dāng)曲柄1轉(zhuǎn)動到與桿2近似為一條直線時(shí)，角加速度a1最大（如下圖），同理用軟件分析出角速度1最大時(shí)的位置（如下圖）。角加速度a1最大時(shí)的位置角速度1最大時(shí)的位置3.桿3與Y軸反方向夾角2隨時(shí)間變化的關(guān)系分析： 桿3為從動桿，其無法整周轉(zhuǎn)動，只能隨曲柄1的轉(zhuǎn)動而往復(fù)擺動，有軟件分

7、析可知，初始狀態(tài)下2=81.58度，其擺角范圍58.15158.3度。4.桿3轉(zhuǎn)動的角速度3以及角加速度a3隨時(shí)間變化的關(guān)系分析： 圖中紅色線條為桿3轉(zhuǎn)動的角速度3隨時(shí)間變化的關(guān)系，藍(lán)色線條為角加速度a3隨時(shí)間變化的關(guān)系，用adams仿真分析可知，當(dāng)曲柄1轉(zhuǎn)動到與桿2近似為一條直線時(shí)，角加速度a3最大，這與曲柄角加速度分析圖的情況一致。5.滑塊5與桿4的相對速度V5與加速度a5分析： 以初始狀態(tài)滑塊5與桿4的重合點(diǎn)為原點(diǎn)，紅色線條表示兩點(diǎn)的相對速度V5，藍(lán)色線條表示兩點(diǎn)的相對加速度a5，從圖中可以看出，當(dāng)相對速度V5為0時(shí)，加速度a5達(dá)到最大值。用軟件分析可知，當(dāng)曲柄1轉(zhuǎn)動到與桿2近似為一條直

8、線時(shí)，兩點(diǎn)的相對速度V5最大（如下圖所示）。用有限元分析靶板性能對破片極限穿透速度的影響鎢柱侵徹靶板仿真與分析一、軟件介紹 LS-DYNA作為世界上最著名的通用動力顯式分析程序，能夠模擬真實(shí)世界的復(fù)雜問題，特別適合求解各種二維、三維非線性結(jié)構(gòu)的高速碰撞、爆炸和金屬成型等非線性動力沖擊問題，同時(shí)可以求解傳熱、流體及耦合問題。LS-DYNA源程序曾在北約的局域網(wǎng)公開發(fā)行，因此廣泛傳播到世界各地的研究機(jī)構(gòu)和大學(xué)。從理論和算法而言，LS-DYNA是目前所有的顯式求解程序的鼻祖和理論基礎(chǔ)，在工程應(yīng)用和汽車安全性設(shè)計(jì)、武器系統(tǒng)設(shè)計(jì)、金屬成型、跌落仿真等領(lǐng)域被廣泛認(rèn)可為最佳的分析軟件包。LS - DYNA

9、是一個(gè)由DYNA 程序發(fā)展而來的以顯式為主、隱式為輔的通用非線性動力分析有限元程序,用以求解各種二維、三維非線性結(jié)構(gòu)的高速碰撞、爆炸和金屬成型等非線性問題. 該程序的單元眾多,各種單元又有多種理論算法可供用戶選擇,同時(shí)擁有上百種金屬和非金屬材料模型,并可考慮材料失效、損傷、各向異性、粘性、蠕變、溫度相關(guān)性及應(yīng)變率相關(guān)性,故其全自動接觸分析功能強(qiáng)大,可對彈體以高速碰撞目標(biāo)結(jié)構(gòu)組件的動力響應(yīng)、彈體的侵徹深度等進(jìn)行深入的模擬分析,其中,材料失效和侵蝕接觸使得該程序能夠較為成功地求解高速彈丸對鋼體的穿甲或侵徹的數(shù)值模擬計(jì)算.該程序的算法主要有:拉格朗日算法、歐拉算法和任意拉格朗日- 歐拉算法3 種.拉

10、格朗日算法多用以分析固體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變. 其主要的優(yōu)點(diǎn)是能非常精確的描述結(jié)構(gòu)邊界的運(yùn)動. 但當(dāng)處理大變形問題時(shí),則將固其自身特點(diǎn)的限制而出現(xiàn)嚴(yán)重的網(wǎng)格畸變現(xiàn)象,不利于計(jì)算的進(jìn)行,甚至程序終止運(yùn)算,或者因?yàn)閱卧骋贿呴L變得很小而使由穩(wěn)定性要求所決定的時(shí)間步長變小,導(dǎo)致整個(gè)計(jì)算過程變長,步數(shù)太多導(dǎo)致累計(jì)誤差增大. 這就是誤差災(zāi)變和負(fù)體積問題. 所以,在進(jìn)行計(jì)算網(wǎng)格剖分前,應(yīng)先預(yù)估結(jié)構(gòu)的變形趨勢,從而相應(yīng)地劃分網(wǎng)格.歐拉算法以空間坐標(biāo)為基礎(chǔ),使用這種方法劃分的網(wǎng)格和所分析的物質(zhì)結(jié)構(gòu)是相互獨(dú)立的,網(wǎng)格在整個(gè)分析過程中始終保持最初的空間位置不動,有限元節(jié)點(diǎn)即為空間點(diǎn),其所在空間的位置在整個(gè)分析過程始終是

11、不變的.任意拉格朗日- 歐拉算法兼具拉格朗日算法和歐拉算法的特長。二、求解步驟ANSYSLS-DYNA程序系統(tǒng)是將非線性動力分析程序LS-DYNA顯式積分部分與ANSYS程序的前處理PREP7和后處理POSTl、POST26連結(jié)成一體。這樣既能充分運(yùn)用LS-DYNA程序強(qiáng)大的非線性動力分析功能，又能很好地利用ANSYS程序完善的前后處理功能來建立有限元模型與觀察結(jié)果，他們之間的關(guān)系如下：ANSYSLS-DYNA程序系統(tǒng)的求解步驟為：(一)前處理Preprocessor建模(用PREP7前處理解算器)1設(shè)置Preference選項(xiàng)置Structure LS-DYNA explicit。這樣，以后

12、顯示的菜單完全被過濾成ANSYSLS-DYNA的輸入選項(xiàng)。再定義一種顯式單元類型，即可激活LS-DYNA求解。2定義單元類型Element Type和Option(算法)和實(shí)常數(shù)Real Constant。3定義材料性質(zhì)Material Properties。4建立結(jié)構(gòu)實(shí)體模型Modeling。5進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分Meshing。6定義接觸界面Contact。(二)加載和求解Solution1約束、加載和給定初速度。2設(shè)置求解過程的控制參數(shù)。3選擇輸出文件和輸出時(shí)間間隔。4求解Solve(調(diào)用LS-DYNA)。創(chuàng)建模型步驟：第1步：設(shè)置工作目錄和工作文件1 假設(shè)工作盤為E盤，在E盤上新建文件夾

13、penetration3d-concrete；2 啟動ANSYS11.0,彈出Launcher窗口，在Simulation Environment下拉框中選擇ANSYS，在License下拉框中選擇ANSYS LS-DYNA；3 單擊File Management選項(xiàng)卡，彈出工作目錄和工作文件設(shè)置窗口，單擊Browse按鈕，在Working Directory框中選擇E:/penetration3d-concrete，在Job Name框中輸入penetration3d-concrete，單擊Run按鈕，進(jìn)入ANSYS操作界面。第2步：選擇單元類型1 選擇Main>Preprocesso

14、r>Element Type>Add/Edit/Delete命令，彈出Element Types對話框；2 單擊Add按鈕，彈出Library of Element Types對話框；3 在Library of Element Types 選擇欄中選擇LS-DYNA Explicit 3D Solid 164，單擊OK按鈕，關(guān)閉對話框；4 在Element Types對話框中單擊Options按鈕，彈出SOLID164 element type options對話框，5 在Solid Element Formulation 欄中激活Const.Strss（def）選項(xiàng)，在Mater

15、ial Continuum欄中激活Lagrangian選項(xiàng)，單擊OK按鈕，關(guān)閉對話框；6 在Element Types對話框中單擊Close按鈕，關(guān)閉對話框。第3步：定義材料屬性1 選擇Main Menu>Preprocessor>Material Props>Material Models命令，彈出Define Material Model Behavior對話框；2 在Material Models Available欄中選擇LS-DYNA>Equation of State>Gruneisen>Johnson-Cook命令，彈出Johnson-Cook

16、 Gruneisen Material Properties for Material Number 1對話框；3 在DENS設(shè)置框中輸入破片材料，單擊OK按鈕，確認(rèn)輸入，關(guān)閉對話框；4 在Define Material Model Behavior窗口中選擇Material>New Model命令，彈出Define Material ID對話框，采用默認(rèn)設(shè)置，單擊OK按鈕，關(guān)閉Define Material ID對話框；5 在Material Models Available欄中選擇LS-DYNA>Rigid Material命令，彈出Rigid Material Propert

17、ies for Material Number 2對話框；6 在DENS設(shè)置框中輸入靶板材料，單擊OK按鈕，確認(rèn)輸入，關(guān)閉對話框；7 選擇Material>Exit命令，退出Define Material Model Behavior窗口，此時(shí)共定義兩種材料。第4步：構(gòu)建彈丸和靶板實(shí)體模型1 選擇Main Menu>Preprocessor>Modeling>Create>Volumes>cylinder>By Dimensions命令，彈出Create cylinder by Dimensions對話框；2 在RAD1設(shè)置框中輸入0.55，在Z1，Z

18、2設(shè)置中輸入0，1.1，在THETA1設(shè)置框中輸入0，在THETA2設(shè)置框中輸入90，單擊OK按鈕；3 選擇Main Menu>Preprocessor>Modeling>Create>Volumes>Block>By Dimensions命令，彈出Create Block by Dimensions對話框；在X1，X2設(shè)置框中輸入0，4，在Y1，Y2設(shè)置框中輸入0，4，在Z1，Z2設(shè)置框中輸入0，-0.5（5種靶板厚度），單擊OK按鈕，關(guān)閉對話框。4 選擇WorkPlane>Offset Wp by Dimensions命令，彈出Offset Wp面

19、板；5 在X，Y，Z Offset設(shè)置框中輸入（1，0，0），單擊OK按鈕；6 選擇WorkPlane>Offset Wp by Increments命令，在Offset Wp面板中將Degrees滑動條數(shù)值設(shè)置為90；7 單擊按鈕，工作平面將旋轉(zhuǎn)90度，單擊OK按鈕，關(guān)閉 Offset Wp面板；8.選擇Main Menu>Preprocessor>Modeling>Operate>Booleans>Divide>Volumes by WrokPlane命令，彈出Divide Volumes by Wrokplane面板；9.單擊Pick All按鈕

20、，分割靶板；10繼續(xù)移動和旋轉(zhuǎn)工作平面對靶體進(jìn)行劃分，第5步：劃分網(wǎng)格1 選擇Main Menu>Preprocessor>Meshing>MeshTool命令，彈出MeshTool面板；2 單擊MeshTool面板中Lines右側(cè)的Set按鈕，彈出Element Size on Picked Lines面板；3 選擇彈丸體中共3條線段，單擊OK按鈕，彈出Element Size on Picked Lines對話框；4 在NDIV設(shè)置框中輸入22，取消KYNDIV SIZE，NDIV can be changde選項(xiàng)，單擊Apply按鈕；5 同理拾取彈丸體中其他線段進(jìn)行等分

21、；6 在MeshTool面板中單擊Element Attributes選擇欄下側(cè)的SET按鈕，彈出Meshing Attributes對話框；7 在TYPE下拉框中選擇1 SOLID164，在MAT下拉框中選擇1，單擊OK按鈕，確認(rèn)選擇，關(guān)閉對話框；8 在MeshTool面板中激活Hex和Mapped單選鈕，在Mesh下拉框中選擇Volumes；9 單擊Mesh按鈕，彈出Mesh Volumes面板；10 拾取彈丸體，單擊OK按鈕，進(jìn)行映射網(wǎng)格劃分；按照相同的方法，使用單元類型1和材料類型2對靶體網(wǎng)格進(jìn)行劃分，彈丸體和靶體網(wǎng)格劃分。第6步：創(chuàng)建PART1選擇Main Menu>Prepr

22、ocessor>LS-DYNA Options>Parts Options命令，彈出Parts Data Written for LS-DYNS對話框；2在Option選擇欄中激活Create all parts單選鈕，單擊OK按鈕，關(guān)閉對話框，彈出EDPART Command窗口，返回所創(chuàng)建的PART和單元信息。第7步：定義侵蝕接觸算法1 選擇Main Menu>Preprocessor>LS-DYNA Options>Contact>Define Contact命令，彈出Contact Parameter Definitions對話框；2 在Contac

23、t Type設(shè)置框中分別選中Surface to Surface、Eroding（ESTS）,單擊OK按鈕，彈出Contact Options對話框；3 在Contact Component or Part no.下拉框中選擇1（彈丸PART），Taget Component or Part no.下拉框中選擇2（混凝土靶PART），單擊OK按鈕，完成彈丸和混凝土靶之間的接觸定義。第8步：定義對稱面約束和邊界約束1 選擇Main Menu>Solution>Constrains>Apply>On Areas命令。彈出Apply U，ROT On Areas面板；2 選擇

24、3個(gè)面，單擊OK按鈕，彈出Apply U，ROT On Areas約束設(shè)置對話框；3 在DOFs to be constrained框中選取UX，單擊OK按鈕，約束X方向位移；4 按照同樣的方法，選取3個(gè)面，約束Y反方向位移；5 按照同樣的方法，選取4個(gè)面（邊界面），約束全部自由度。第9步：設(shè)定分析選項(xiàng)1 選擇Main Menu>Solution>Analysis Options>Energy Options命令，彈出Energy Options對話框，激活Stonewall Energy和Sliding Interface單選鈕；2 選擇Main Menu>Solut

25、ion>Analysis Options>Bulk Viscosity命令，彈出Bulk Viscosity對話框，在Quadratic Viscosity Coefficient輸入1.0，在Linear Viscosity Coefficient欄中輸入0.06，單擊OK按鈕，關(guān)閉對話框。第10步：設(shè)置求解時(shí)間和時(shí)間步控制1 選擇Main Menu>Solution>Time Controls>Solution Time命令，彈出Solution Time for LS-DYNA Explicit對話框；2 在Terminate at Time設(shè)置框中輸入20

26、0，單擊OK按鈕，確認(rèn)輸入；3 選擇Main Menu>Solution>Time Controls>Time Step Ctrls命令，彈出Spectify Time Step Scaling for LS-DYNA Explicit對話框；4 使用默認(rèn)值，單擊OK按鈕，關(guān)閉對話框。第11步：設(shè)置輸出類型和時(shí)間間隔1 選擇Main Menu>Solution>Output Controls>Output File Types命令，彈出Specify Output File Types for LS-DYNA Solver對話框；2 在File option

27、s 下拉框中選擇Add，在Produce output for.下拉框中選擇LS-DYNA，單擊OK按鈕，關(guān)閉對話框；3 選擇Main Menu>Solution>Output Control>File Output Freq>Time Step Size命令，彈出Specify File For Output Frequency對話框；4 在Specify Results File Output Interval：Time Step Size設(shè)置框中輸入1，在Specify Time-History Output Interval：Time Step Size設(shè)置框中

28、輸入1，單擊OK按鈕，關(guān)閉對話框。第12步：輸出K文件1 選擇Main Menu>Solution>Write Jobname.K命令，彈出Input files to be Written for LS-DYNA對話框；2 在Write results files for.下拉框中選擇LS-DYNA，單擊OK按鈕，程序?qū)⒃诠ぷ髂夸浵律蓀enetration3d-concrete.K文件。第13步：編輯修改penetration3d-concrete.K文件。第14步：求解1 啟動ANSYS11.0，彈出11.0Launcher窗口，在Simulation Environment

29、下拉框中選擇LS-DYNA Solver，在License下拉框中選擇ANSYS LS-DYNA，在Analysis Type欄中選中Typical LS-DYNA Analysis；2 單擊File Management選項(xiàng)卡，單擊Browse按鈕，在Working Directory下拉框中選擇E盤工作文件夾penetration3d-concrete，在Keyword Input File下拉框中選擇前面編輯修改完畢的penetration3d-concrete.K文件；3 單擊Run按鈕，程序?qū)⒄{(diào)用LS-DYNA970求解起開始求解。三、建立模型仿真模型的建立基于以下假設(shè)：（1）彈丸和靶板為均勻連續(xù)介質(zhì)；（2）整個(gè)侵徹沖擊過程為絕熱過程；（3）不計(jì)空氣阻力，不考慮重力作用；（4）不考慮靶版?zhèn)冗呅?yīng)；（5）忽略靶板整體運(yùn)動；（6）彈丸和靶板初始應(yīng)力為0；問題描述：破片為圓柱體，垂直侵徹靶板，靶板橫截面為正方形靶板，為減少計(jì)算量建立四分之一模型，如圖一。鎢柱材料選用鎢合金，鎢柱尺寸為1111，密度為17.5，重量約20g，抗拉強(qiáng)度為955到980，屈服應(yīng)力為682。靶