文档介绍：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,BIN7的使用方法。
概述
图 15-1 BIN7
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。BIN7的创建,现在此简单介绍。
BIN7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。
BIN7单元的进一步内容请参阅ANSYS帮助文档。
图 15-2 曲柄滑块机构
另外,本分析必须将大变形选项打开。
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n1=30 r/min,求滑块3的位移s3、速度v3、加速度a3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
s3、速度v3、加速度a3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= mm。
机构的极位夹角为θ=°,于是机构的行程速比系数。由于机构一个工作循环周期为 s,所以机构工作行程经历的时间 s,空回行程经历的时间 s。
分析步骤
改变工作名
图 15-3 改变工作名对话框
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。
图 15-3 改变工作名对话框
定义参量
图 15-4 参量对话框
图 15-5 单元类型对话框
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=, 单击“Accept”按钮;再在“Selection”文本框中依次输入
R=(曲柄长度)、L=(连杆长度)、E=(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。
创建单元类型
图 15-6 单元类型库对话框
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,bination”,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。
定义材料特性
图 15-7 材料模型对话框
拾取菜单Main Menu→Preprocessor→Material Props→Material Models。弹出的图15-7所示的对话框,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”(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。
图 15-8 材料特性对话框
图 15-9 定义密度对话框
定义实常数
图 15-10 定义实常数对话
图 15-11 选择单元类型对话框
拾取菜单Main Menu→Preprocessor→Real Constants→A