曲柄滑块机构基于ANSYS的运动特性分析

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时间：2012年7月2日——7月6日
曲柄滑块机构基于ANSYS的运动特性分析
摘要：随着工业的发展，不同规格的曲柄滑块机构被应用到了更多的机械设备中去，在机械制造工业以及其他工业的生产中作用越来越显著，例如在汽车、电子、农业、医疗等部门都用广泛的应用。

因而提高机械的自动化程度，降低工人的劳动强度，改善劳动条件都离不开对曲柄滑块机构的研究。

本文使用有限元法对曲柄滑块机构进行运动特性分析。

首先利用解析法对问题进行求解，但是求解过程较为复杂，计算量大，鉴于ANSYS中有一类分析类型是结构动力学分析，符合本题得要求，可以加以应用，简化计算。

本文选择三维铰链单元COMBIN7建立模型进行分析求解。

对有限元与解析解进行分析与对比，可以看出有限元解的最优解的。

关键词：有限元法，运动特性，ANSYS，瞬态动力学
Crank - slider mechanism motion characteristics analysis based on ANSYS Abstract :With development of industry, more and more different specifications of the Crank - slider mechanism is applied to the mechanical equipment. It pays an increasingly significant role in the machinery manufacturing industry and other industrial production with a wide range of applications .For example,in the auto industry ,Electronics, Agriculture, Medical and other departments . Therefor, the Crank - slider mechanism increases mechanical automation ,reducing labor intensity and improving working conditions.
This paper using finite element method investigate the Crank - slider mechanism analysis of movement characteristics. Firstly, by using analytical method to solve problems，but solving process is relatively complex and large amount of calculation. There is a certain type of ANSYS which is a type of structure dynamics analysis, in accordance with the required analysis which can be used. The topic choices three dimensional hinge unit COMBIN7 on the analysis solution. In the end, the analytical solution and ANSYS finite element solution is compared, we can get the optimal
solution from the finite element .
Key Words ：Finite element method; Movement characteristics ；ANSYS; Transient
dynamic
第一章 引 言
1.1 本文的主要研究内容
ANSYS 是大型的通用有限元软件，其功能强大，可靠性好，具有强大的结构分析能力和优化设计模块，因而被国内外大多数机械行业所采用。

本文将基于ANSYS 建立曲柄滑块机构的有限元模型，对曲柄滑块机构进行动力学分析。

首先，对ANSYS 进行了简要的介绍，为曲柄滑块机构的有限元分析做好准备工作；然后，利用ANSYS 建立了曲柄摇杆机构实体单元模型，然后利用ANSYS 对结构的动态特性进行研究，并给出分析步骤。

最后将利用解析法计算出的结果与ANSYS 运算出的结果进行比较，从而对曲柄滑块机构的位移、速度、加速度进行分析。

第二章 曲柄滑块机构的求解与分析
2.1 问题描述
分析如图所示曲柄滑块机构的位移、速度、加速度随时间变化的情况。

已知：ab L =120mm,bc L =300mm,e=50mm,曲柄AB 转速ω=100rad/s.
2.2 有限元解
2.2.1定义参量
分析前要将分析过程中所需的参量进行定义，需要定义PI的值以及铰链A、B、C、D的坐标，OMGA1 (曲柄转速)，T (曲柄转动一周所需时间，单位为s)，具体定义值如下。

参数参数值或表达式
PI 3.1415926
OMGA1 100/(2*PI)
T 1/OMGA1
L0.12
ab
L0.3
bc
FI0 ASIN(E/(R+L))
E 0.05
(AX,AY) (0,0)
(BX,BY) (R*COS(FI0),-R*SIN(FI0))
(CX,CY) ((R+L)*COS(FI0),-E)
2.2.2 创建单元类型
本次课题中的俯仰结构是三维弹性材料，既承受拉压力也有弯矩存在，因此
可以选用BEAM4单元和COMBIN7单元。

COMBIN7是个三维铰接连接单元, 是三维销钉（或旋转）铰链单元，可用于在公共点上连接模型的两个或多个部分，适用于运动学静力分析和运动学动力分析。

BEAM4是一种可用于承受拉、压、弯、扭的单轴受力单元。

这种单元在每个节点上有六个自由度：x、y、z三个方向的线位移和绕x,y,z三个轴的角位移。

可用于计算应力硬化及大变形的问题。

通过一个相容切线刚度矩阵的选项用来考虑大变形（有限旋转）的分析。

在Main menu 中选择单元类型命令，选择Combination 中的Revolute joint 7（COMBIN7），选择Structural Beam中的3D elastic 4（BEAM4），这样就完成了BEAM4单元和COMBIN7单元的创建。

2.2.3 定义材料特性
在系统的材料属性设置对话框中依次选取Structural（结构）、Linear（线性）、Elastic（弹性）、Isotropic（各向同性），弹性模量（EX）为2E11和泊松比（PRXY）为0.3；再依次选取Structural（结构）、Density（密度），不考虑各杆的惯性力，密度近似为0，将密度（DENS）定义为1e-143
Kg m，完成材料特性的定义。

/
2.2.4 定义实常数
由于本课题使用了两种单元类型，需将两个单元分别加以定义。

Type 1 COMBIN7单元的实常量定义，需要定义X-Y 平动刚度、Z 方向刚度、X-Y旋转刚度、扭转刚度4个实常数，分别为1E9、1E3、1E3、0。

Type 2 BEAM4单元的实常量定义，需定义横截面积、Z轴惯性矩、y轴惯性矩、沿Z轴单元厚度、沿Y 轴单元厚度5个实常数，分别为4E-4、1.3333E-8、1.3333E-8、0.02、0.02。

2.2.5 创建节点
创建1~5号节点，1~5号节点的坐标值如表3.1所示。

表 3.1 关键点的坐标值
节点号活动坐标系的坐标值
1 （AX，AY，0）
2 （BX，BY，0）
3 （BX，BY，0）
4 （CX，CY，0）
5 （BX, BY, -1）
2.2.6 指定单元属性
拾取菜单Main Menu Elem→Preprocessor→modeling→create→elements→elem Attributes选项，确定“COMBIN7”单元的单元属性，表示选定使用的“COMBIN7”单元，其材料属性编号为1，实常数编号为1。

2.2.7 创建铰链单元
拾取节点2,3,5，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）。

2.2.8 指定单元属性
确定“BEAM4”单元的单元属性，表示选定使用的“BEAM4”单元，其材料属性编号为1，实常数编号为2。

2.2.9 创建梁单元
分别拾取节点1,2，点击apply，再在拾取窗口的文本框中输入3,4，创建2个梁单元。

2.2.10 指定分析类型
打开Solution 中的New Analysis命令。

指定分析类型为“Transient”，即指定分析类型为瞬态动力学分析。

2.2.11 打开大变形选项
本课题属于非线性稳定问题，因此需打开大变形选项。

打开Solution 中的Analysis Options选项。

将“NLGEOM”打开，打开大变形选项。

2.2.12 确定第一个载荷步时间和时间步长
打开Solution 中的Time-Time Step选项，弹出对话框，将第一个载荷步时间定义为T即曲柄转动一周所需的时间；将时间步长定义为T/25，选择“KBC”为“Ramped”，指定载荷为坡度载荷。

2.2.13 确定数据库和结果文件中包含的内容
在对话框中，选择下拉表框“Item”为“All Items”，选中“Every substep”。

表明在结果中记录所有项目的各个分步。

2.2.14 设定非线性分析的收敛值
在对话框中，分别选择“Structural ”和“Force F ”，将受力的收敛值的参考值定义为1，将收敛参考值定义为0.1，再分别选择“Structural ”和“Moment M ”，将力矩的收敛值定义为1，将力矩收敛参考值定义为0.1，完成非线性分析收敛值的设定。

2.2.15 施加约束
在建好的模型中选择所有节点，在对话框中，约束“UZ ”“ROTX ”、“ROTY ”方向的自由度；拾取节点1，在“ROTZ ”方向上施加值为2*PI 的约束；再次拾取节点1，在 “UX ”、“UY ”方向上施加值为0的约束；再次拾取节点4，在“UY ”方向上施加值为0的约束，完成约束定义。

2.2.16 求解
选择Solve 下的Current LS 命令，进行问题的求解，出现“Solution is done ！”提示时，求解结束，进行结果的查看。

2.2.17 定义变量
在对话框中，将“Type of Variable ”定义为“Nodal DOF result ”，即变量类型为节点的自由度。

拾取节点4，在对话框中，在右侧列表中选择“Translation UX ”，完成变量2的定义，表示滑块的位移
s 。

2.2.18 对变量进行数学操作
把变量2对时间t 微分，得到滑块的速度3V ；速度3V 对时间t 微分，得到滑块的角加速度3a 。

在对话框中，在“IR ”文本框中输入3，在“IY ”文本框中输入2，在“IX ”文本框中输入1，点击apply ，弹出对话框，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，完成对变量的数学操作。

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3s ，变量1是时间T （系统设定），所以，变量3就是角速度3V ；同样可知，变量4就是角加速度3a 。

2.2.19 用曲线图显示角位移、角速度和角加速度
打开TimeHist Postpro 下Graph Variables显示曲线图，在“NV AR1”文本框中输入2，点击OK，结果如图2.2所示。

再重复执行两次以上命令，在对话框的“NV AR1”文本框中分别输入3和4，结果如图2.3、2.4所示。

图3.2 位移曲线
图3.3 速度曲线
图3.4 加速度曲线
3.3.20 列表显示角位移、角速度和角加速度
打开TimeHist Postpro 下的List Variables命令。

在对话框中的“NV AR1”和”“NV AR2”文本框中分别输入2、3，在得到的列表中可以看出变量2即位移
s的最大值为0.244047s，此即滑块的行程，该值对应的时间为1.8096s，即空3
回行程经历的时间，速度为0.411117E-02rad/s。

***** ANSYS POST26 VARIABLE LISTING *****
TIME 4 UX 3 DERI
UX 3
0.15080 -0.536064E-02 -0.825746E-01
0.30159 -0.211211E-01 -0.134514
0.45239 -0.459290E-01 -0.186453
0.60319 -0.773539E-01 -0.219561
0.75398 -0.112147 -0.230054
0.90478 -0.146736 -0.218103
1.0556 -0.177925 -0.188346
1.2064 -0.203540 -0.148371
1.3572 -0.222673 -0.105665
1.5080 -0.235408 -0.651425E-01
1.6588 -0.242319 -0.286455E-01
1.8096 -0.244047 0.411117E-02
1.9604 -0.241079 0.343714E-01
2.1112 -0.233681 0.635222E-01
2.2619 -0.221922 0.925966E-01
2.4127 -0.205755 0.121884
2.5635 -0.185162 0.150528
2.7143 -0.160357 0.176190
2.8651 -0.132025 0.195063
3.0159 -0.101527 0.202529
***** ANSYS POST26 VARIABLE LISTING *****
TIME 4 UX 3 DERI
UX 3
3.1667 -0.709432E-01 0.194426
3.3175 -0.428894E-01 0.168422
3.4683 -0.201483E-01 0.124856
3.6191 -0.523362E-02 0.668064E-01
3.7699 0.233469E-12 0.875674E-02
图3.6
第四章总结和展望
4.1 本文所做工作总结
基于ANSYS的曲柄滑块机构运动分析使我在机械原理以及有限元软件分析上受到了很好的训练。

对于所学知识，有了一次综合运用的机会。

学习ANSYS的时间较短，加之英文操作界面，使得在ANSYS的运用上遇到不少困难。

首先对课题进行研究，认识到这属于瞬态动力学分析。

在对问题认识清楚后，采用了梁单元BEAM4和三维铰链单元COMBIN7建立了曲柄摇杆机构模型，施加约束后对其进行了运动特性分析。

通过这次毕业设计，我熟悉了ANSYS 操作步骤，从定义单元类型到建模到结果分析，有了明确的思路和整体的认识。

了解了一般问题进行ANSYS求解的步骤方法。

而且，我还认识到不同的工程问题，ANSYS 在定义时是根据实际情况定义的，没有固定的方式、方法。

4.2 工作的展望
本次毕设是一个工程问题的实际应用型课题，在我国，机械产业还远远没有达到国际领先水平，并且与之相关的检测、质保、维护产业也没有很好的发展。

近年来，国家对于机械制造业有了大力的发展和推动，同时对于其相关产业也有大幅度的推进。

ANSYS是大型的通用有限元软件，其功能强大，可靠性好，具有强大的结构分析能力和优化设计模块，因而被国内外大多数机械行业所采用。

ANSYS作为工程问题解决的重要手段之一，也被得到重视、推广。

ANSYS可以模拟结构力学、热力学、流体力学、电磁学、声学等领域的各种复杂物理现象。

因此，ANSYS软件在我国的机械设计与制造、航空航天、交通、化工和能源、电子等行业得到了巨大的应用，将来会为各领域的科学研究和产品开出做出巨大贡献
参考文献
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