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LINK A和B, LINK A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=120 mm, lbc=293 mm, lcd=420mm, lad=500mm，曲柄为原动件，转速为0.5 rlmin，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Utility Menu-File---Change Jflbnameo弹出如图所示的对话框，在" [IFILNAM]”文本框中输入EXAMPLE 12，单击“OK”按钮。

改变工作名对话框
3.2定义参量
拾取菜单Utility Menu-Parameters-Scalar Parameterso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=601OMGA 1(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Main Menu--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"Revolute joint 7"，单击“Apply”按钮;再在左侧列表中选择“Structural Beam”在右侧列表中选择“3D elastic 4"，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Main Menu--Preprocessor--Material Props-Material Models。

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Main Menu--Preprocessor--Real Constants-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“Type ICOMBIN7"，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“Type 2 BEAM4"，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Main Menu-Preprocessor-Modeling-Create--Nodes-In Active C&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“Apply 0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,2 r}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Main Menu--Preprocessor-Modeling--Create-Elements-Elem Attributes.弹出对话框，选择下拉列表框“TYPE”为“1 COMBIN7 ",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Main Menu-preprocessor-Modeling-Create-Elements--(Auto Numbered-Thru Nodes.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Main Menu-Preprocessor-Modeling-Create-Elements-Elem Attributes.弹出对话框，选择下拉列表框“TYPE'，为“2 BEAM"，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Main
Menu-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Main Menu-;-Solution--AnalysisType - New Analysis。

在弹出的“Newanalysis”对话框中，选择“Type of Analysis”为“Transient"，单击“OK”按钮，在随后弹出的“Transient Analysis”对话框中，单击“OK'，按钮。

3.12打开大变形选项
拾取菜单Main Menu- Solution-Analysis勿pe-Analysis Options。

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Main Menu-Solution--Define
Loads-Apply-Structural-Displacement-OnNodes.弹出拾取窗a，单击“Pick All"按钮，弹出如图12-21所示的对话框，在“Lab2 0'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Main Menu-Solution-Solve--Current LS,对话框的“OK"按钮。

出现"Solution is done!"提示时，求解结束单击“Solve Current Load Step"，从下一步开始，进行结果的查看。

3.17定义变量
拾取菜单Main Menu-TimeHist Postpro-Define Variables。

弹出话框，单击“Add”按钮，弹出的对话框，选择“升pe of Variable"为“Nodal DOF result"，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Main Menu--TimeHist Postpro--Math Operations -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Main Menu-TimeHist Postpta-Graph Variables.弹出如图所示的对话框，在“NVAR 1 "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Main Menu-TimeHist Postprv-YList Variables。

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=20.735s,从列表中查得，t=21s时，W3=1.51848*10-2 rad/s。

对比由机械原理图解法得到的结果，可以看出有限元解是正确的，而且具有相当高的精度。

四，命令流
/CLEAR
/FILNAME, EXAMPLE12
/PREP7
PI=3.1415926
AX=0
AY=0
BX-0.07094
BY=0.09678
CX=1.24417
CY=0.33309
DX动.5
DYE
OMGAI=0.5
T=fi0/OMGA 1
ET,1,COMBIN7
ET,2,BEAM4
M只EX, 1,ZEI1
M只PRX丫1,0.3
MP,DENS,1,1 E- 14
R,1,IE9,lE3,1F3,0
R,2,4E-4,1.3333E-8,1.33331-8,0.02,0.02
N,1,AX,AY
N,2,BX,BY
N,3,BX,BY
N,4,CX,CY
N,5,CX,CY
N,6,DX,DY
N,7,BX,BY,-1
N,8,CX,CY,-1
TYPE, 1
REAL, I
E,2,3,7
E,4,5,8
TYPE,2
REAL,2
E,1,2
E,3,4
E,5,6
FINISH
/SOLU
ANTYPE,TRANS NLGEOM,ON DELTIM,0.5,0.5,0.5 KBC,O
TIME,T
OUTRES,ALL,ALL CNVTOL,E1,0.1 CNVTOL,M,1,0.1
D,ALL,UZ
D,ALL,ROTX
D,ALL,ROTY
D,I,ROTZ,2*PI
D,1,UX
D,l,UY
D,6,UX
D,6,UY
SOLVE
SAVE
FINISH
/POST26
NSOL,2,6,ROT,Z DERIV,3,2,1 DERIV,4,3,1 PLVAR,2
PLVAR,3
PLVAR,4
FINISH。