基于ANSYS的四杆机构分析详细

问题描述
有限元分析
本文采用ANSYS 编程语言APDL ，编制参数化程序。

简介方便，便于重复 分析，节省大量的工作量。

1.定义材料、单元 fin ish /clear
!定义接触单元conta173 ！定义目标单元targe170 !设置接触单元选项
ANSYS 作业
et,1,solid185 mp,ex,1,2.08e5 mp,prxy,1,0.277 mp,de ns,1,7.86e-6 !定义8节点实体单元solid185
!弹性模量 !泊松比 !密度
/prep7 ！进入前处理器
et,2,co nta173
et,3,targe170 keyopt,2,5,3 keyopt,2,7,1 keyopt,2,9,0 keyopt,2,12,0
图1所示平行四边形机构，曲柄长
200mm ，连杆长I 根据各自学号后 2位乘以10,各
杆截面为40x5,其中宽度为40,厚度为5。

现在连杆上表面加1MPa 的三角分布的压力（铰 接结构自习设计，加载面去除
2端铰接结构），求各杆的强度和变形。

要求按报告格式写，
写出主要步骤、注意事项、关键程序、结果及其评价（材料按 Q235A ），铰接处结构是否合
理。

2. 四杆机构建模参数
p0=1 ！载荷
a=40 ！连杆截面宽度b=5 ！连杆截面厚度l1=200 ！曲柄长度
l2=90 ！连杆长度
3. 四杆机构参数化建模
block,0,b,8,l1-8,0,a block,0,b,0,8,0,10 block,0,b,0,8,a-10,a block,0,b,l1-8,l1,0,10 block,0,b,l1-8,l1,a-10,a vadd,all ！生成长方体块
！将以上长方体布尔相加得到曲柄
block,8,l2-8,0,b,0,a block,0,8,0,b,10,30 block,l2-8,l2,0,b,10,30 vadd,1,2,3 vgen,2,6,6,0,l2-5
vgen,2,4,4,0,,l1-5 ！生成长方体块
！将以上长方体布尔相加得到机架！复制曲柄得到第四杆
！复制机架得到连杆
wpoffs,2.5,2.5,0 cylind,0,2,0,40,0,360 vsbv,6,3,sepo cylind,0,2,0,40,0,360 vsbv,4,3,sepo cylind,0,2,0,40,0,360
！工作平面沿x、y 正向各平移2.5mm
!在铰接处画圆柱半径2mm、长度40mm
！布尔运算、曲柄减去圆柱生成曲柄铰链孔！
生成曲柄铰链的销
！布尔运算、机架减去圆柱生成机架铰链孔
vgen,2,3,3,0,l2-5 vsbv,6,4,sepo vgen,2,3,3,0,l2-5 vsbv,1,4,sepo vgen,2,3,3,0,l2-5 ！将圆柱销复制得到另外三个铰接出圆柱！布尔运算得到铰链孔
！生成圆柱
！布尔运算得到铰链孔
！生成销
vgen,2,3,3,0,,l1-5 vsbv,5,4,sepo vgen,2,3,3,0,,l1-5 vsbv,2,4,sepo vgen,2,3,3,0,,l1-5 ！布尔运算得到铰链孔！生成圆柱
！布尔运算得到铰链孔！生成销
vgen ,2,3,3,0,12-5,11-5 vsbv,5,4,sepo
vgen ,2,3,3,0,12-5,11-5 vsbv,6,4,sepo
vgen ,2,3,3,0,12-5,11-5
四杆机构实体模型如图
!布尔运算得到铰链孔 !生成圆柱
!布尔运算得到铰链孔 生成销
4.
有限元网格划分 wpoffs,-2.5,-2.5,0 !工作平面移动到总体坐标系原点处 wpoffs,8,195,0 !移动工作平面
wprota,,,90 !工作平面绕y 轴旋转90°
vsbw,all
!用工作平面切割连杆与机架一端 wpoffs,,,l2-16 !移动工作平面
vsbw,all
!用工作平面切割连杆与机架另一端 wpoffs,,,-(l2-16) !移动工作平面
wpoffs,,-3,0 !移动工作平面
wprota,,90 !工作平面绕x 轴旋转90° vsbw,all !用工作平面切割体 wpoffs,,,184 !移动工作平面 vsbw,all !用工作平面切割体 esize,1,0, !设置网格大小 mshape,1,3D !设置单元形状 mshkey,0 !网格划分方式 vsweep,all
!扫略生成网格
四杆机构有限元模型如图2所示:
图 2
（ a ） 图 2（ b ）
1所示：
图 1 （ a ）
图 1 （ b ）
图1.四杆机构、铰链处销实体模型
图 1( c )
■
■
■
5.添加接触对
asel,s,area,,3,4,1 nsla,s,1
cm,jiechu1,node
allsel,all
asel,s,area,,69,70,1 asel,a,area,,135,136,1 asel,a,area,,21,23,2 nsla,s,1
cm,mubiao1,node
allsel,all
asel,s,area,,11,12,1 nsla,s,1
cm,jiechu2,node
allsel,all
asel,s,area,,18,26,8 asel,a,area,,51,52,1 asel,a,area,,77,78,1 nsla,s,1
cm,mubiao2,node
allsel,all
asel,s,area,,20,22,2
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图 2 （c）
图2.四杆机构有限元网格模型
!选择第一个铰接处接触面（凸面）
!选择接触面上所有节点
!做成名为jiechul的节点集合
!选择所有
!选择第一个铰接处目标面（凹面）
！选择目标面上所有节点
!做成名为mubiaol的节点集合
!选择第二个铰接处接触面（凸面）
!选择接触面上所有节点
!做成名为jiechu2的节点集合
!选择第二个铰接处目标面（凹面）
!选择目标面上所有节点
!做成名为mubiao2的节点集合
!选择第三个铰接处接触面（凸面）
！选择接触面上所有节点
！做成名为 jiechu3 的节点集合 ！选择第三个铰接处目标面
！选择目标面上所有节点
！做成名为 mubiao3 的节点集合
allsel,all
asel,s,area,,7,8,1 nsla,s,1
cm,jiechu4,node allsel,all
asel,s,area,,97,100,1 asel,a,area,,14,16,2 nsla,s,1
cm,mubiao4,node allsel,all r,1,,,1,0.1 r,2,,,1,0.1 r,3,,,1,0.1 r,4,,,1,0.1
type,2 mat,1 real,1
cmsel,s,jiechu1,node esurf,top type,3 mat,1 real,1
cmsel,s,mubiao1,node esurf,top
type,2 mat,1
real,2 cmsel,s,jiechu2,node esurf,top
nsla,s,1
cm,jiechu3,node allsel,all
asel,s,area,,111,112,1 asel,a,area,,121,122,1 asel,a,area,,75,76,1 nsla,s,1
cm,mubiao3,node ！选择第四个铰接处接触面
！选择接触面上所有节点 ！做成名为 jiechu4 的节点集合
！选择第四个铰接处目标面 ！选择目标面上所有节点 ！做成名为 mubiao4 的节点集合
！定义接触属性：刚度渗透量等
！生成第一个铰接处的接触对
！生成第二个铰接处的接触对
type,3
mat,1 real,2
cmsel,s,mubiao2, node esurf,top
type,2 mat,1 real,3
cmsel,s,jiechu3 ,node esurf,top type,3
mat,1 real,3
cmsel,s,mubiao3, node esurf,top
type,2 mat,1 real,4
cmsel,s,jiechu 4,node esurf,top type,3 mat,1
real,4 cmsel,s,mubiao4, node esurf,top
接触对模型如图3所示:
图3 (a )接触单元
!生成第三个铰接处的接触对
!生成第四个铰接处的接触对
图3 ( c )接触单元放大
图3 ( d )目标单元放大
图3.四个铰链处接触对
6.加载与求解 nsel,s,loc,x,5,l2-5 !选择机架上所有节点，施加全约束
nsel,r,loc,y,0,5 d,all,all
nsel,s,loc,x,8,l2/2,1
!按坐标选择连杆上表面从左端点至中间位置的所有节点(铰接处除外)
nsel,r,loc,y,199.9,200,0.1 *get, nm ax, no de,, num ,max. !提取当前激活的最大节点数目编号
nmax *get, nmin,no de,, num ,mi n. !提取当前激活的最小节点数目编号 nmin
*dim,t1,array, nm ax,1,1, !定义名为t1的数组
*do,j, nmin,nmax ! 循环，j 从 nmin 至U nmax
*if,n sel(j),eq,1,the n ! if 判断
t1(j)=p0*abs( nx(j)-8)*1/l2/2
!
连杆从左端点到中间位置的载荷位置函数 (一次函数)
*else t1(j)=0 *en dif
*enddo sffun ,pres,t1(1) sf,all,pres,0 !结束循环
!添加连杆上表面从左端点至中间位置的载荷
Iocal,12,0,l2,200,0 !定义局部坐标系编号为12,远点位于连杆右端点上表面处 csys,12 allsel,all
nsel,s,loc,x,(-1)*l2/2,-8,1 nsel,r,loc,y,-0.1,0,0.1
!按坐标选择连杆上表面从右端点至中间位置的所有节点
(铰接处除外)
*get, nm ax, no de,, num ,max, *get, nmin,no de,, num ,mi n, *dim,t2,array, nm ax,1,1, *do,i, nmin,nmax *if,n sel(i),eq,1,the n
t2(i)=p0*(abs( nx(i)+8)/l2/2)
！连杆从右端点到中间位置的载荷位置函数
(一次函数)
*else t2(i)=0 *en dif *enddo
sffun ,pres,t2(1) sf,all,pres,0 allsel,all nummrg,node
!节点融合 /solu an type,static
autots,o n neqit,200 pred
n ropt,full,,off
LNSRCH ,on NLGEOM ,on EQSLVPCG
nsubst,20,100,20 allsel,all outpr,basic,all solve !进入求解器 !静态分析
!使用自动时间步长
!最大迭代次数200 !跨越荷载步时不作预测
!完全牛顿拉夫逊法，不使用自适应下降因子
!考虑集合非线性 !采用预条件共轭梯度迭代方程求解器 !载何步的子步数为20 !输出选项 !求解
四杆机构加载以及约束如图4、5所示:
图5.连杆上表面渐变的三角形分布载荷
查看结果
1. 查看应力，应力图如图6、7所示。

由图中可见，最大应力 匚max=101Mpa ，
图6.应力分布云图
图4.机架全约束
WX
最大应力发生在连杆两端铰链处
（图中为mises 应力）
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13:06 ::24 PLOT 3D.
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22.434 33.636 MM 5G.0G1 GJ 巧 7乩弭5 59.591 IDO.909
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IW. 5 2013 13:OC:35 PICT JEi. 1 I5KTA1- SCCimCM
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56.061 &7,273 78.485
83,697 100.909 图7.最大应力分布位置
2. 查看应变，应变图如图8
所示。

由图中可见，最大应
变为；max=0・6 10’，同
时可以看出，最大应变也是发生在连杆两端铰链位置处
3. 查看连杆变形图，变形如图9所示，可见，最大变形为 \ax = 0.031mm ,
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图8(a)最大应变位置
图8(a)应变分布
图8.应变云图
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ZV =1 *DET=110.286 畑=45.6SS *YF =101.718
屹F =20.003
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图9.变形图
四.问题结论
由分析结果可以得出，最大应力为二max「OIMpa ,最大应变为
；max =0.6 10 * ,最大变形为’max=0.031mm ；并且，发生最大应力应变的位置在连杆两端铰接处。

查表可得Q235A的强度极限为235Mpa，最大应力小于材料的强度极限，因此在本文所述的载荷以及约束条件下，该四杆机构是安全的；由于连杆上表面分布着呈三角形分布的向下的压力，中间位置压力最大，因此连杆连杆的最大挠度发生位置在中间位置，并且应力应变以及变形都应向两端对称分布。

同时，由于连杆受压，导致两端铰链处受拉应力，以及剪应力，因此本文考虑其mises应力及mises应变；并且由于铰链处相配合的两根杆件与铰链销轴的接触问题，这些原因使得铰接处应力应变大于其他位置，因此最大应力应变出现的位置在铰链处。