基于ADAMS与ANSYSWorkbench的递纸机构应力分析

机械设计与制造
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
No.9 Ｓｅｐｔ．２０１２
矩分别添加到连杆两端的旋转中心， 同时设定方向。 设定求解参 （Von-Minses ） ， 求解 数为 Deformation-Total 与 Stress-Equivalent 分析结果， 如图 6 所示。 最大位移量为 2.8×10-4mm， 最大等效应力 为 1.2744MPa。最大位移出现在杆身中部， 最大应力出现在杆身 与摇杆连接端的过渡区处。
3 O1 2 1 A O C ω1 O2 5 6 B ω3
0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0.45 时间 （s ）
图 4 凸轮与滚子间一个旋转周期内的接触力
3 递纸机构凸轮应力分析
4
3.1 凸轮应力分析
在 ANSYS Workbench 中对递纸机构的凸轮进行实际工况 中的最大接触应力分析。 首先需要将递纸机构的装配模型调整为 单旋转周期内 0.3975s 时的工况状态，将处于该工况位置的摇 杆、 滚子与凸轮一起导入到 ANSYS Workbench 的 Static Structure
能， 对于准确平稳地传递纸张、 保证套印精度和提高机器速度， 都 起着极为重要的作用。 滚筒旋转式递纸机构[2]是递纸机构中较为新颖的一种， 它通
1 引言
在胶印机中，把纸张从静止状态加速到压印滚筒表面线速 度的机构称之为递纸机构[1]。递纸机构的形式及其运动、 动力性
＊来稿日期： 2011-11-13 ＊基金项目： 上海大学创新基金资助项目 （B.16-0109-10-033 ）
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文章编号： 1001-3997 （2012 ） 09-0082-03
机械设计与制造 Machinery Design ＆ Manufacture
第9期 2012 年 9 月
基于 ADAMS 与 ANSYS Workbench 的 递纸机构应力分析 *
吴 宵 傅燕鸣 沈 斌 （上海大学 机电工程与自动化学院， 上海 200072 ）
6 结束语
第9期
吴 宵等： 基于 ADAMS 与 ANSYS Workbench 的递纸机构应力分析
连杆与摇杆相连处所受扭矩 （N · mm ） 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0.45 时间 （s ）
图 5 凸轮接触应力分析结果
3.2 递纸机构系列化设计中凸轮接触应力优化措施
递纸机构中凸轮高速运转， 所受载荷为交变载荷， 故容易导 致磨损失效，一旦凸轮磨损失效将导致递纸机构产生运动失真。 在对递纸机构进行系列化设计时， 随着整体尺寸的放大凸轮上的 接触应力也会增大， 因此系列化设计时尽可能的减少凸轮接触应 力可以保证同系列产品的使用寿命。 由 Hertz 的金属弹性接触理论可以得出， 该递纸机构中凸轮 和滚子的接触属于典型的 Hertz 接触。 将凸轮材料的泊松比和弹性模量代入 Hertz 公式得到凸轮 副的接触应力计算公式为： σH =189.8
Stress Analysis of the Paper-Transferring Mechanism Based on ADAMS and ANSYS Workbench
WU Xiao， FU Yan-ming， SHEN Bin （School of Mechatronic Engineering and Automation， Shanghai University， Shanghai 200072， China ） 【摘 要】介绍了一种适用于递纸机构的应力分析方法。 首先在 ADAMS 软件中建立相应的运动模 型， 对递纸机构进行动力学仿真,然后从仿真结果中找出递纸机构各部件的危险工况， 求得在 ANSYS Workbench 中进行应力分析时所需的边界条件及载荷， 使得递纸机构的应力分析结果更符合实际工况。 基于该方法以递纸机构中的凸轮与连杆为例简述了分析步骤， 并根据分析结果提出了相应的结构优化 建议与措施。 关键词： 递纸机构； 应力分析； ADAMS； ANSYS 【Abstract】 A stress analysis method of the paper -transferring mechanism is presented.Through the the results of the loads and supports of the stress anal－ dynamical simulation of the mechanism in ADAMS， ysis which is desired in ANSYS Workbench can be obtained.The stress analysis results are accord with ac－ tual condition.Based on this method, the cam and connecting rod of the paper-transferring as an example is given to describe the steps of the analysis， and according to the analysis results the structure optimization measures is raised. Key Words： Paper-Transferring; Stress Analysis; ADAMS; ANSYS 中图分类号： TH16 文献标识码： A
在滚筒旋转副上添加驱动，设置滚筒转速为递纸机构实际 工况中的最高转速 8000r/h，仿真时长设置为一个旋转周期 0.45s。递纸机构的动力学仿真完成后， 在 ADAMS 的后处理模块 中可以得到连杆两端的扭矩随一个旋转周期内随时间变化的曲 线， 如图 3 所示。凸轮与滚子间的接触力一个旋转周期内随时间 变化的曲线， 如图 4 所示。 由仿真结果可知， 在时间为 0.3975s， 即 凸轮转角为 318°时， 连杆两端所受扭矩最大， 分别为与， 此时凸 轮与滚子间的接触力也达到最大为 107N， 因此在对递纸机构中 的凸轮与连杆进行应力分析时应以 0.3975s 时的工况作为边界 条件和载荷的依据。
模型特征， 然后通过对称平面镜像功能得到模型的另一半。此基 于对称特征进行逆向重构的方法即可快速实现模型逆向重构又 能提高建模精度， 并易于实现模型的参数化修改， 推动产品的创
（a ） 原始点云数据 （b ） 处理后的点云
新设计。
参考文献
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凸轮与滚子间的接触力 （N ）
（b ） 图 3 连杆两端一个旋转周期内所受扭矩
110 100 90 80 70 60 50 10 30 20 10 0 0.00 0.05 0.10
2 递纸机构运动特性
研究的滚筒旋转式递纸机构的运动简图， 如图 2 所示。其 中， 凸轮 4 固定在机器的墙板上， 不随主轴转动， 铰支点 O1、 O2 均 将在 UG 中建立好的递纸机构实体模 与旋转的递纸滚筒 3 相连。 型导入 ADAMS 中， 设置各部件的材料属性为结构钢， 并参照运 动简图添加各运动副， 其中凸轮为固定副， 滚子与凸轮为凸轮副， 其余均为旋转副。
图 2 滚筒旋转式递纸机构运动简图 1.压印滚筒 2.滚子 3.递纸滚筒 4.凸轮 5.递纸牙 6.输纸板
分析模块中。 材料属性均设置为碳素结构钢， 泊松比取 0.3， 弹性模量取 2.06 ×105MPa。 凸轮与滚子的接触设为无摩擦接触， 并调整为 adjust to touch。 网格尺寸定为 2mm， 选取自由网格划分方式。 定义 摇杆与凸轮的旋转中心边界条件， 设置摇杆 z 方向为 free， 其他 皆为固定。 根据 ADAMS 动力学分析中测得的相应数值在摇杆末 端旋转中心施加扭矩， 同时设定方向。 完成上述前处理后， 设定求解参数为 Stress-Equivalent （VonMinses ） ， 求解分析结果， 如图 5 所示。凸轮应力主要体现为与滚 子间的接触应力， 在递纸机构一个旋转周期工况中的最大接触应 满足设计要求。 力为 6.1232MPa，
3 2 1 6 7
（a ）
连杆与摆脚相连处所受扭矩 （N · mm ）
1500
1000
4 5
500
0 0.00 0.05 0.10
0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0.45 时间 （s ）
图 1 滚筒旋转式递纸机构 1.滚子 2.凸轮 3.滚筒 4.摆杆 5.主轴 6.曲臂 7.定位桩
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过凸轮连杆机构实现所需运动规律， 如图 1 所示。在对该递纸机 构的系列化产品进行结构优化设计时需要以应力分析作为参考 依据。 由于在递纸机构做功的每一个循环周期内机构中的每个部 件所处的位置及所受的载荷是不断变化的， 通过数学建模仅求解 确定一个工况状态下的运动特性就需要花费大量的时间， 因此很 难对该机构进行符合实际工况的应力分析。 通过在 ADAMS 软件 中建立动力学模型， 仿真求解出递纸机构一个循环周期内的运动 特性， 以此作为 ANSYS Workbench 中应力分析所需的边界条件 与载荷。基于该方法以递纸机构中的凸轮与连杆为例， 分析得出 符合实际工况的应力分析， 并提出了后续系列化设计的结构优化 措施。
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A： Static Structural Equivalent Stress 2 Equivalent （von-Misec ） Stress Type： Unit:MPa Time:1 6.1232 Max 5.68593 5.2485 4.8111 4.3738 3.9364 3.499 3.0617 2.6243 2.1869 1.7495 1.3122 0.87481 0.43744 6.7278e-5 Min 0.00 22.50 45.00 67.50 （mm ） 90.00
4.2 递纸机构系列化设计中连杆结构优化措施
为保证胶印机套印质量，要求递纸机构在高速运转下保持 运动规律的稳定， 因此在对连杆系列化设计时控制其形变位移是 非常重要的。由仿真结果可知连杆位移量主要体现在杆身中部， 故可以考虑适当增加杆身宽度和厚度， 同时在系列化设计时有必 要增大杆身与两端过渡区的圆角半径， 减小应力集中对连杆结构 强度的影响。