ANSYS 连杆机构运动分析实例—曲柄滑块机构

第15例 连杆机构运动分析实例—曲柄滑块机构

[本例提示] 介绍了利用ANSYS 对连杆机构进行运动学分析的方法、步骤和过程，并使用解析解对有限元分析结果进行了验证。着重介绍了曲柄滑块机构模型的创建以及约束的施加方法，介绍了三维铰链单元COMBIN7的使用方法。

15.1 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，现在此简单介绍。

三维铰链

COMBIN7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 （图15-1）。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z 轴。

三维铰链COMBIN7单元的进一步内容请参阅ANSYS 帮助文档。

另外，本分析必须将大变形选项打开。

15.2 问题描述及解析解

图15-2所示为一曲柄滑块机构，曲柄长度R =250

mm 、连杆长度L =620 mm 、偏距e =200 mm ，曲柄为

原动件，转速为n 1=30 r/min ，求滑块3的位移s 3、速

度v 3、加速度a 3随时间变化情况。

根据机械原理的知识[5][6]，该问题的解析解十分复图 15-1 三维铰链单元COMBIN7

图 15-2 曲柄滑块机构

杂，使用不太方便。本例用图解法解决问题，由于过程比较繁琐，而且只是为了验证有限元解的正确性，所以，关于滑块3的位移s 3、速度v 3、加速度a 3随时间t 变化情况的图形没有必要给出。在这里只求解了以下数据：

滑块的行程H =535.41 mm 。

机构的极位夹角为θ=19.43°，于是机构的行程速比系数242.1

180180=-︒+

︒=θ

θK 。由于机构一个工作循环周期为2601

==n T s ，所以机构工作行程经历的时间108.111=+=T K K T s ，空回行程经历的时间892.012=-=T T T s 。

15.3 分析步骤

15.3.1 改变工作名

拾取菜单Utility Menu →File →Change Jobname 。弹出图15-3所示的对话框，在“[/FILNAM]” 文本框中输入EXAMPLE15，单击“Ok ” 按钮。

15.3.2 定义参量

拾取菜单Utility Menu →Parameters →Scalar Parameters 。弹出图15-4所示的对话框，在“Selection ” 文本框中输入PI=3.1415926， 单击“Accept ” 按钮；再在“Selection ” 文本

图 15-3 改变工作名对话框

图 15-3 改变工作名对话框

图 15-4 参量对话框 图 15-5 单元类型对话框

框中依次输入R=0.25（曲柄长度）、L=0.62（连杆长度）、E=0.2（偏距）、OMGA1=30（曲柄转速）、T=60/OMGA1（曲柄转动一周所需时间，单位：s ）、FI0=ASIN(E/(R+L))、AX=0、AY=0（铰链A 坐标）、BX=R*COS(FI0)、BY=-R*SIN(FI0) （铰链B 坐标）、CX=(R+L)*COS(FI0)、CY=-E （铰链C 坐标），同时单击“Accept ” 按钮；最后，单击图15-4所示的对话框的“Close ”按钮。

15.3.3 创建单元类型

拾取菜单Main Menu →Preprocessor →Element Type →Add/Edit/Delete 。弹出图15-5所示的对话框，单击“Add ”按钮；弹出图15-6所示的对话框，在左侧列表中选“Combination ”，在右侧列表中选“Revolute joint 7”， 单击“Apply ” 按钮；再在左侧列表中选“Structural Beam ”在右侧列表中选“3D elastic 4”, 单击“Ok ” 按钮；单击图15-5所示的对话框的“Close ”按

钮。

15.3.4 定义材料特性

拾取菜单Main Menu →Preprocessor →Material Props →Material Models 。弹出的图15-7

所示图

15-6 单元类型库对话框

图 15-7 材料模型对话框

的对话框，在右侧列表中依次双击“Structural ”、“Linear ”、“Elastic ”、“Isotropic ”，弹出图15-8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“Density ”，弹出图15-9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。然后关闭图15-7所示的对话框。

15.3.5 定义实常数

拾取菜单Main Menu →Preprocessor →Real Constants →Add/Edit/Delete 。弹出图15-10所示的对话框，单击“Add ”按钮，弹出图15-11所示的对话框，在列表中选择“Type 1 COMBIN7”，单击“Ok ” 按钮，弹出图15-12所示的对话框（注：图中对该对话框作了删节），在“K1”、“K2”、“K3”、“K4”文本框中分别输入1E9、1E3、1E3、0，单击“Ok ” 按钮；返回到图

图 15-8

材料特性对话框 图 15-9 定义密度对话框

图 15-10 定义实常数对话 图 15-11 选择单元类型对话