ANSYS连杆机构运动分析实例曲柄摇杆机构.docx
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ANSYS连杆机构运动分析实例曲柄摇杆机构
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LINKA和B,LINKA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=120mm,lbc=293mm,lcd=420mm,lad=500mm,曲柄为原动件,转速为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=°
曲柄角度为°时,摇杆角位移°,角速度*10﹣²rad/s
三,分析步骤
改变工作名
拾取菜单UtilityMenu-File---ChangeJflbnameo弹出如图所示的对话框,在"[IFILNAM]”文本框中输入EXAMPLE12,单击“OK”按钮。
改变工作名对话框
定义参量
拾取菜单UtilityMenu-Parameters-ScalarParameterso弹出如图所示的对话框,在“Selection”文本框中输入PI=,单击“Accept",依次输入AX=0,AY=0(铰链A坐标),BX=,BY=(曲柄转速),CX=,CY=(铰链C坐标),DX=,DY=0(铰链D坐标),OMGA1=,T=601OMGA1(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
创建单元类型
拾取菜单MainMenu--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"Revolutejoint7",单击“Apply”按钮;再在左侧列表中选择“StructuralBeam”在右侧列表中选择“3Delastic4",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
定义材料特性
拾取菜单MainMenu--Preprocessor--MaterialProps-MaterialModels。
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(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
定义实常数
拾取菜单MainMenu--Preprocessor--RealConstants-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“TypeICOMBIN7",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“Type2BEAM4",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,,,,,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
创建节点
拾取菜单MainMenu-Preprocessor-Modeling-Create--Nodes-InActiveC&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“,2”文本框中分别输入BX,BY,O.单击“Apply0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,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,2r}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
指定单元属性
拾取菜单MainMenu--Preprocessor-Modeling--Create-Elements-ElemAttributes.弹出对话框,选择下拉列表框“TYPE”为“1COMBIN7",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。
创建铰链单元
拾取菜单MainMenu-preprocessor-Modeling-Create-Elements--(AutoNumbered-ThruNodes.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。
指定单元属性
拾取菜单MainMenu-Preprocessor-Modeling-Create-Elements-ElemAttributes.弹出对话框,选择下拉列表框“TYPE',为“2BEAM",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
创建梁单元
用来模拟各个杆,拾取菜单MainMenu-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。
指定分析类型
拾取菜单MainMenu-;-Solution--AnalysisType-NewAnalysis。
在弹出的“Newanalysis”对话框中,选择“TypeofAnalysis”为“Transient",单击“OK”按钮,在随后弹出的“TransientAnalysis”对话框中,单击“OK',按钮。
打开大变形选项
拾取菜单MainMenu-Solution-Analysis勿pe-AnalysisOptions。
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
确定数据库和结果文件中包含的内容
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
施加约束
拾取菜单MainMenu-Solution--DefineLoads-Apply-Structural-Displacement-OnNodes.弹出拾取窗a,单击“PickAll"按钮,弹出如图12-21所示的对话框,在“Lab20'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
求解
拾取菜单MainMenu-Solution-Solve--CurrentLS,对话框的“OK"按钮。
出现"Solutionisdone!
"提示时,求解结束单击“SolveCurrentLoadStep",从下一步开始,进行结果的查看。
定义变量
拾取菜单MainMenu-TimeHistPostpro-DefineVariables。
弹出话框,单击“Add”按钮,弹出的对话框,选择“升peofVariable"为“NodalDOFresult",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
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MainMenu--TimeHistPostpro--MathOperations-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。
用曲线图显示角位移、角速度和角加速度
拾取菜单MainMenu-TimeHistPostpta-GraphVariables.弹出如图所示的对话框,在“NVAR1"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
列表显示角位移、角速度
拾取菜单MainMenu-TimeHistPostprv-YListVariables。
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,此值即摇杆的摆角俨,将弧度折合成角度为';容易计算出t=0s时,ψ=°,于是ψ=°时,t=,从列表中查得,t=21s时,W3=*10-2rad/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=
AX=0
AY=0
BY=
CX=
CY=
DX动.5
DYE
OMGAI=
T=fi0/OMGA1
ET,1,COMBIN7
ET,2,BEAM4
M只EX,1,ZEI1
M只PRX丫1,
MP,DENS,1,1E-14
R,1,IE9,lE3,1F3,0
R,2,4E-4,,,,
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,,,
KBC,O
TIME,T
OUTRES,ALL,ALL
CNVTOL,E1,
CNVTOL,M,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
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