ANSYS连杆机构运动分析实例-曲柄摇杆机构

一，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，在此进行简单介绍。三维铰链单元COMBIN7三维铰链COMBIT7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，如图。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:轴。三维铰链COMBIN7单元的进一步内容请参阅ANSYS帮助文档。另外，分析时必须将大变形选项打开。二，问题描述及解析解图为一曲柄摇杆机构，各杆长度分别为lab=120mm,lbc=293mm,lcd=420mm,lad=500mm，曲柄为原动件，转速为0.5rlmin，求摇杆角位移,角速度,角加速度随时间变化情况。根据机械原理的知识，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，由于过程比较烦琐，而且只是为了验证有限元解的正确性，所以，关于摇杆角位移、角速度、角加速度随时间1变化情况的图形没有必要给出。在这里只求解了以下数据:摇杆的摆角=33.206°曲柄角度为115.443°时，摇杆角位移138.311°,角速度1.508*10﹣²rad/s三，分析步骤3.1改变工作名拾取菜单UtilityMenu-File---ChangeJflbnameo弹出如图所示的对话框，在[IFILNAM]”文本框中输入EXAMPLE12，单击“OK”按钮。改变工作名对话框3.2定义参量拾取菜单UtilityMenu-Parameters-ScalarParameterso弹出如图所示的对话框，在“Selection”文本框中输入PI=3.1415926，单击“Accept,依次输入AX=0,AY=0(铰链A坐标),BX=0.07094,BY=0.09678(曲柄转速),CX=0.24417,CY=0.33309(铰链C坐标),DX=0.5,DY=0(铰链D坐标),OMGA1=0.5,T=601OMGA1(曲柄转动一周所需时间，单位:s)，同时单击“Accept”按钮:最后，单击如图所示的对话框的“Close”按钮。参量对话框12.3.3创建单元类型拾取菜单MainMenu--Preprocessor--Element勿pe--Add,IEditlDeleteo弹出如图所示的对话框，单击“Add”按钮;弹出如图所示的对话框，在左侧列表中选择Combination，在右侧列表中选择Revolutejoint7，单击“Apply”按钮;再在左侧列表中选择“StructuralBeam”在右侧列表中选择“3Delastic4，单击“OK按钮;单击如图所示的对话框的“Close”按钮。单元类型对话框单元类型库对话框3.4定义材料特性拾取菜单MainMenu--Preprocessor--MaterialProps-MaterialModels。弹出如图所示的对话框，在右侧列表中依次双击“Structural,Linear,Elastic,Isotropic，弹出如图所示的对话框，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”下的“Density,弹出如图所示的对话框，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。然后关闭如图所示的对话框。材料模型对话框材料特性对话框定义密度对话框3.5定义实常数拾取菜单MainMenu--Preprocessor--RealConstants-Add/Edit/Delete.弹出如图所示的对话框，单击“Add”按钮，弹出如图所示的对话框，在列表中选择“TypeICOMBIN7，单击“OK按钮，弹出如图所示的对话框(注:图中对该对话框做了删节)，在“Kl,“K2,“K3,“K4,文本框中分别输入1E9,1E3,1E3,0，单击OK按钮;返回到如图所示的对话框，再次单击“Add按钮，弹出如图所示的对话框，在列表中选择“Type2BEAM4，单击“OK按钮，弹出如图所示的对话框(注:图中对该对话框做了删节)，在AREA,IZ2;,IYY,TKZ,KY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;返回到如图所示的对话框，单击“Close”按钮。定义实常数对话框选择单元类型对话框3.6创建节点拾取菜单MainMenu-Preprocessor-Modeling-Create--Nodes-InActiveC&弹出如图对话框，在“NODE'，文本框中输入I，在“X,Y,Z”文本框中分别输入AX,AY,O，单击“Apply”按钮:在“NODE”文本框中输入2，在“X.Y,2”文本框中分别输入BX,BY,O.单击“Apply0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,O，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,O，单击“Apply”按钮:在“NODE”文本框中输入5，在“X,Y.zyn文本框中分别输入CX,CY,(1，单击“Apply”按钮:在“NODE”文本框中输入6，在“X,Y,2;文本框中分别输入DX,DY,fl，单击Apply”按钮:在“NODE”文本框中输入7，在“X,Y,2r}文本框中分别输入BX,BY,-1，单击“Apply”按钮;在“NODE”文本框中输入8，在“XIY,ZPf文本框中分别输入CX,CY,-I，单击“OK'，按钮。设置实常数对话框(1)设置实常数对话框(2)创建节点的对话框3.7指定单元属性拾取菜单MainMenu--Preprocessor-Modeling--Create-Elements-ElemAttributes.弹出对话框，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。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，在拾取窗口的文木框中输入2,3,7，单击“Apply”按钮，于是创建了一个铰链单元，其中心在节点2,3处〔节点2,3重合于B点)，轴线在节点2,7的连线即z轴方向，该铰链单元连接了节点2和3。再在拾取窗口的文本框中输入4,5,8,单击OK”按钮，于是在节点4和S处〔即C点)又创建了一个铰链单元。3.9指定单元属性拾取菜单MainMenu-Preprocessor-Modeling-Create-Elements-ElemAttributes.弹出对话框，选择下拉列表框“TYPE'，为“2BEAM，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。单元属性对话框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“Apply”按钮;再在拾取窗口的文本框中输入6,6，单击“OK”按钮。于是创建了3个梁单元，前2个梁单元由B点处铰链单元连接，后2个梁单元由C点处铰链单元连接。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。3.12打开大变形选项拾取菜单MainMenu-Solution-Analysis勿pe-AnalysisOptions。弹出对话框，将“NLGEOM”打开，单击“OK”按钮。瞬态分析选项对话框确定载荷步时间和时间步长3.13确定数据库和结果文件中包含的内容3.14设定非线性分析的收敛值数据库和结果文件控制对话框非线性收敛标准对话框非线性收敛标准定义对话框3.15施加约束拾取菜单MainMenu-Solution--DefineLoads-Apply-Structural-Displacement-OnNodes.弹出拾取窗a，单击“PickAll按钮，弹出如图12-21所示的对话框，在“Lab20'列表中选择“UZ,ROT'X,ROTY，单击“Apply”按钮:再次弹出拾取窗口，拾取节点I，单击OK”按钮，弹出如图12-21所示的对话框，在“Lab2”列表中选择“ROTZ,在“VALUE”文本框中输入2xPI，单击Apply”按钮;再次弹出拾取窗口，拾取节点1.单击“OK”按钮，再次弹出如图12-21所示的对话框，在“Lab2”列表中选择“UX,+UY-在“VALUE”文本框中输入。，单击=Apply”按钮;再次弹出拾取窗口，拾取节点,单击“OK”按钮，再次弹出如图12-21所示的对话框，在“Lab2列表中选择“UX,UY,在“VALUE”文本框中输入O，单击“OK”按钮。在节点上施加约束对话框3.16求解拾取菜单MainMenu-Solution-Solve--CurrentLS,对话框的“OK按钮。出现Solutionisdone!提示时，求解结束单击“SolveCurrentLoadStep，从下一步开始，进行结果的查看。3.17定义变量拾取菜单MainMenu-TimeHistPostpro-DefineVariables。弹出话框，单击“Add”按钮，弹出的对话框，选择“升peofVariable为“NodalDOFresult，单击“OK”按钮，弹出拾取窗口，拾取节点b，单击“OK按钮，弹出对话框，在右侧列表中选择“ROT-Z，单击“OK”按钮，返回到对话框，单击“Close”按钮。于是定义了一个变量2，它可以表示摇杆的角位移定义变量对话框变量类型对话框3.18对变量进行数学操作把变量2对时间t微分，得到摇杆的角速度;把角速度对时间t微分，得到摇杆的角加速度。拾取菜单MainMenu--TimeHistPostpro--MathOperations-Derivativeo弹出如图所示的对话框，在，’IR”文本框中输入3，在“IY”文本框中输入2，在“IXPI文本框中输入1，单击Apply按钮:再次弹出如图12-25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。定义数据类型对话框对变量微分对话框经过以上操作，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V3，变量1是时间t(系统设定)，所以，变量3就是角速度;同样可知，变量4就是角加速度。3.19用曲线图显示角位移、角速度和角加速度拾取菜单MainMenu-TimeHistPostpta-GraphVariables.弹出如图所示的对话框，在“NVAR1文本框中输入2，单击“OK”按钮，结果如图所示。再重复执行两次以上命令，在弹出对话框的“NVARl文本框中分别输入3和4，单击“OK”按钮，结果如图选择显示变量对话框角位移曲线角速度曲线角加速度曲线3.20列表显示角位移、角速度拾取菜单MainMenu-TimeHistPostprv-YListVariables。在弹出对话框的文本框中分别输入2和3，单击“OK”按钮。在得到的列表中可以看到变量2即角位移W3的最大值为0.579506，此值即摇杆的摆角俨，将弧度折合成角度为33.203';容易计算出t=0s时，ψ=53.239°，于是ψ=115.443°时，t=