（上）ANSYS經(jīng)典界面的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的仿真

2016-10-13 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

在Adams里面,這是一個(gè)超級簡單的入門話題。只需要快速拖出曲柄,連桿和滑塊,然后施加轉(zhuǎn)動(dòng)副,移動(dòng)副,并施加旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng),不需要2分鐘的時(shí)間,就可以做出一個(gè)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)(如下圖所示),并可以仿真后得到滑塊的位移曲線,速度曲線和加速度曲線。

但是如何使用Ansys對該機(jī)構(gòu)進(jìn)行仿真呢?

使用Ansys,至少存在兩種方式:(1)基于Workbench的方式(2)基于經(jīng)典界面的方式。

若使用基于Workbench的方式,又至少有三種方法可以使用:(1.1)基于多體動(dòng)力學(xué)模塊的方式(1.2)基于瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析的模式(1.3)基于LS-DYNA的瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析模式。其中(1.1)最容易,其實(shí)就是多剛體動(dòng)力學(xué)分析,其功能與Adams十分相似,操作過程也極為類似。(1.2)這種方式允許剛?cè)狁詈戏治?應(yīng)該是在Ansys中進(jìn)行剛?cè)狁詈戏治龅闹鞔蚍绞?1.3)該方式需要調(diào)用LS-DYNA求解器。不過對于這種小兒科的問題,去調(diào)用LS-DYNA類似用高射炮打蚊子,毫無必要。本文不準(zhǔn)備使用基于Workbench的方法。

實(shí)際上,只要我們想了解有限元的機(jī)理,使用經(jīng)典界面仍舊屬于相對合適的選擇。使用經(jīng)典界面,我們就可以非常清晰地確定桿件用什么單元來模擬,而運(yùn)動(dòng)副用什么單元來模擬,從而可以清晰的知道有限元的操作內(nèi)幕,這對于我們熟練掌握理論和技術(shù)都是必要的。所以本文準(zhǔn)備使用這種方式,并討論其中的機(jī)理問題。

由于該問題求解起來還較長,本文準(zhǔn)備分上、中、下三篇來完整地闡述該問題的求解過程。

一問題描述

曲柄滑塊機(jī)構(gòu)如上圖所示,已知曲柄長250mm,連桿長620mm,曲柄的轉(zhuǎn)軸到滑塊的導(dǎo)路的距離(偏距)是200mm,曲柄為轉(zhuǎn)動(dòng)件,轉(zhuǎn)速是30轉(zhuǎn)每分。求滑塊的位移,速度和加速度隨時(shí)間變化曲線。

注:該問題來著于《ANSYS機(jī)械工程應(yīng)用精華50例》,本文大致會采用該書中的思路,但是因?yàn)锳NSYS版本的改變,原書中的兩種單元均已經(jīng)不存在,所以本文會使用其他單元來取代。

二建模分析

首先要確定,我們準(zhǔn)備如何建模?

要建模,有兩個(gè)問題是需要高度關(guān)注的:第一,這里面的桿件,滑塊準(zhǔn)備用什么單元來模擬?第二,這些桿件,滑塊之間的聯(lián)接準(zhǔn)備用什么單元來模擬?

首先,我們要意識到,我們僅僅準(zhǔn)備做運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。因此,這里滑塊是可以忽略的,我們只需要保證,連桿與滑塊連接的端點(diǎn),其位移發(fā)生在水平線上,即:從有限元的角度來說,就是該端點(diǎn)所對應(yīng)的節(jié)點(diǎn),其UY始終為零,那么連桿下端點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)就被確定發(fā)生在水平線上,從而滑塊可以直接拿掉。一旦滑塊拿掉以后,該處的轉(zhuǎn)動(dòng)副也就不再需要建模。

這樣,剩下的物體只有曲柄和連桿,那么,對于他們,使用什么單元建模呢?他們都是桿狀物體,所以應(yīng)該使用桿單元或者梁單元來建模。顯然,曲柄會變彎,而連桿會被拉長。所以,曲柄應(yīng)該用梁單元,而連桿可以只用桿單元。這里為了簡單起見,統(tǒng)一用梁單元。因?yàn)榱簡卧藯U單元的功能。鑒于ANYS的單元發(fā)展趨勢,我們對于連桿和曲柄均采用BEAM188.

BAEM188是ANSYS中用于模擬梁結(jié)構(gòu)的主打單元,它基于鐵摩辛柯理論,主要用于分析細(xì)長梁和中長梁。該梁單元有3個(gè)節(jié)點(diǎn):兩個(gè)端節(jié)點(diǎn)和一個(gè)方向節(jié)點(diǎn);每個(gè)節(jié)點(diǎn)有6-7個(gè)自由度,用于模擬空間梁的拉伸壓縮,彎曲,扭轉(zhuǎn)以及其組合變形。其幾何結(jié)構(gòu)如下圖

所以對于該問題,我們可以只用一個(gè)梁單元模擬曲柄,另外一個(gè)梁單元模擬連桿。

那么如何建模運(yùn)動(dòng)副呢?

前面說過,滑塊已經(jīng)被拿掉,因此,在滑塊處的轉(zhuǎn)動(dòng)副和移動(dòng)副同時(shí)消失。我們只需要模擬連桿與曲柄之間的轉(zhuǎn)動(dòng)副,以及曲柄與地面之間的轉(zhuǎn)動(dòng)副就好。

對于連桿與曲柄之間的轉(zhuǎn)動(dòng)副,需要使用ANSYS所提供的MPC184即多點(diǎn)約束單元。MPC184是ANSYS所提供的專門用于模擬運(yùn)動(dòng)副的單元,基于關(guān)鍵字的選擇不同,它可以用于模擬各種各樣的運(yùn)動(dòng)副。實(shí)際上,這里的曲柄和連桿也可以用MPC184單元簇來模擬。不過本文為了與《ANSYS機(jī)械工程應(yīng)用精華50例》相對保持一致,而不要脫離太遙遠(yuǎn),所以對于曲柄和連桿就使用了老式方法,如果可能的話,筆者也有興趣專門寫一篇,說明,僅僅使用MPC184單元,如何模擬曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)問題,這是后話了,以后再說。

接著談?wù)揗PC184單元。它實(shí)際上是一族單元的集合體,它可以模擬哪些約束呢?下面的約束是可以被模擬的:

可見,基于單元關(guān)鍵字的不同,它可以模擬的約束包括:

0. 剛性連桿

1. 剛性梁

3. 滑塊單元

6. X軸或者Z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)副單元

7. 萬向鉸單元

8. 槽銷單元

9. 點(diǎn)在面內(nèi)單元

10. 移動(dòng)副單元

11.X軸或者Z軸圓柱副單元

12. X軸或者Z軸平面副單元

13. 焊接鉸鏈單元

14. 方向鉸鏈單元

15.球鉸單元

16. 通用鉸鏈單元

17.螺旋副單元

我們可以發(fā)現(xiàn),這些單元與ADAMS所提供的運(yùn)動(dòng)副非常類似。如果說有不同的話,那么,ADAMS沒有所謂的剛性連桿,剛性梁,滑塊單元,焊接鉸鏈單元這些約束形式,而其它的單元ADAMS都是具備的。

那么,這些單元的內(nèi)部機(jī)理如何?每一種單元是如何構(gòu)成的呢?我們看看它所提供的轉(zhuǎn)動(dòng)副單元來了解一個(gè)大概。

下面是轉(zhuǎn)動(dòng)副單元的幾何體

其中,左圖中,兩個(gè)節(jié)點(diǎn)圍繞X軸而轉(zhuǎn)動(dòng),在右圖中,兩個(gè)節(jié)點(diǎn)圍繞Z軸而轉(zhuǎn)動(dòng)。

ANSYS對于轉(zhuǎn)動(dòng)副是這樣操作的:

首先,它會分別在兩個(gè)物體的連接處創(chuàng)建兩個(gè)節(jié)點(diǎn),一個(gè)節(jié)點(diǎn)屬于物體1,另外一個(gè)節(jié)點(diǎn)屬于物體2,在物體1上的節(jié)點(diǎn)稱為I節(jié)點(diǎn),而在物體2上的節(jié)點(diǎn)稱為J節(jié)點(diǎn)。這兩個(gè)節(jié)點(diǎn)都有節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)系,就是有X,Y,Z軸,在上圖中,X,Y,Z軸分別是用1,2,3來表示的。

現(xiàn)在,請仔細(xì)觀察左邊的圖。該圖中有兩個(gè)坐標(biāo)系,這就是兩個(gè)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)系。左邊的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)系有三個(gè)軸,每個(gè)軸上都有符號標(biāo)志,例如e(2I),其中的I代表的是I節(jié)點(diǎn),而2指該節(jié)點(diǎn)的第二個(gè)坐標(biāo)軸,即Y軸。我們看到,在該圖中,e(I1)與e(J1)同方向,意思是說,I節(jié)點(diǎn)的X軸與J節(jié)點(diǎn)的X軸是一樣的。換一句話說,這兩個(gè)節(jié)點(diǎn)在運(yùn)動(dòng)過程中,他們的X軸會始終報(bào)紙一致,這就是說,這兩個(gè)節(jié)點(diǎn)只能圍繞其X軸發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。

同樣的方式,我們觀察右圖,可以看到該圖中,e(I3)與e(J3)同方向,意思是說,I節(jié)點(diǎn)和J節(jié)點(diǎn)的Z軸同方向,也就是說,這兩個(gè)節(jié)點(diǎn)只能圍繞其Z軸而相對轉(zhuǎn)動(dòng)。

好了,已經(jīng)說了很多了。總之,為了表達(dá)運(yùn)動(dòng)副,ANSYS會在兩個(gè)物體的連接處各創(chuàng)建一個(gè)節(jié)點(diǎn),然后基于這兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的相對運(yùn)動(dòng)來表達(dá)運(yùn)動(dòng)副。這種方式與ADAMS是一樣的。ADAMS也是在連接處分別創(chuàng)建兩個(gè)坐標(biāo)點(diǎn),然后對這兩個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)的坐標(biāo)之間施加運(yùn)動(dòng)約束關(guān)系,從而來建模約束的。

具體到本問題而言,本文準(zhǔn)備使用MPC184中的6號-轉(zhuǎn)動(dòng)副來建模該曲柄和連桿之間的轉(zhuǎn)動(dòng)副。

那么對于曲柄-地面之間的轉(zhuǎn)動(dòng)副如何模擬呢?

考察一下前面我們對于滑塊的處理方式,我們就可以知道,此處只需要設(shè)定曲柄與地面連接的節(jié)點(diǎn)的繞Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)的自由度為自由,而限制該節(jié)點(diǎn)的其他自由度即可。

總之,對于桿件和運(yùn)動(dòng)副的建模,其關(guān)鍵點(diǎn)如下:

(1)忽略滑塊

(2)限制連桿下端點(diǎn)節(jié)點(diǎn)的Y方向自由度為零,以表達(dá)該移動(dòng)副。

(3)對曲柄和連桿用BEAM188來模擬

(4)對于曲柄和連桿之間的轉(zhuǎn)動(dòng)副用MPC184來模擬

(5)對于曲柄和地面之間的轉(zhuǎn)動(dòng)副,限制曲柄轉(zhuǎn)軸處節(jié)點(diǎn)的其他自由度,而只保留ROTZ。

上述幾個(gè)要點(diǎn)是最重要的地方。此外,我們還準(zhǔn)備

(1)先創(chuàng)建幾個(gè)節(jié)點(diǎn),然后直接由節(jié)點(diǎn)連接成單元。換一句話說,我們準(zhǔn)備使用直接建模法。

(2)通過給曲柄轉(zhuǎn)軸節(jié)點(diǎn)一個(gè)ROTZ的強(qiáng)制位移來施加一個(gè)運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)。

(3)進(jìn)行瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析,打開大變形開關(guān)。

(4)使用POST26進(jìn)行基于時(shí)間歷程的后處理。