（上）ANSYS經(jīng)典界面的曲柄滑塊機構的仿真

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,然后施加轉動副,移動副,并施加旋轉驅動,不需要2分鐘的時間,就可以做出一個曲柄滑塊機構(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對該機構進行仿真呢?

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)基于多體動力學模塊的方式(1.2)基于瞬態(tài)動力學分析的模式(1.3)基于LS-DYNA的瞬態(tài)動力學分析模式。其中(1.1)最容易,其實就是多剛體動力學分析,其功能與Adams十分相似,操作過程也極為類似。(1.2)這種方式允許剛柔耦合分析,應該是在Ansys中進行剛柔耦合分析的主打方式(1.3)該方式需要調用LS-DYNA求解器。不過對于這種小兒科的問題,去調用LS-DYNA類似用高射炮打蚊子,毫無必要。本文不準備使用基于Workbench的方法。

實際上,只要我們想了解有限元的機理,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,而運動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都是必要的。所以本文準備使用這種方式,并討論其中的機理問題。

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

一問題描述

曲柄滑塊機構如上圖所示,已知曲柄長250mm,連桿長620mm,曲柄的轉軸到滑塊的導路的距離(偏距)是200mm,曲柄為轉動件,轉速是30轉每分。求滑塊的位移,速度和加速度隨時間變化曲線。

注:該問題來著于《ANSYS機械工程應用精華50例》,本文大致會采用該書中的思路,但是因為ANSYS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,我們準備如何建模?

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

首先,我們要意識到,我們僅僅準備做運動學分析。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,其位移發(fā)生在水平線上,即:從有限元的角度來說,就是該端點所對應的節(jié)點,其UY始終為零,那么連桿下端點的運動就被確定發(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,該處的轉動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。因為梁單元包含了桿單元的功能。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中用于模擬梁結構的主打單元,它基于鐵摩辛柯理論,主要用于分析細長梁和中長梁。該梁單元有3個節(jié)點:兩個端節(jié)點和一個方向節(jié)點;每個節(jié)點有6-7個自由度,用于模擬空間梁的拉伸壓縮,彎曲,扭轉以及其組合變形。其幾何結構如下圖

所以對于該問題,我們可以只用一個梁單元模擬曲柄,另外一個梁單元模擬連桿。

那么如何建模運動副呢?

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

對于連桿與曲柄之間的轉動副,需要使用ANSYS所提供的MPC184即多點約束單元。MPC184是ANSYS所提供的專門用于模擬運動副的單元,基于關鍵字的選擇不同,它可以用于模擬各種各樣的運動副。實際上,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機械工程應用精華50例》相對保持一致,而不要脫離太遙遠,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構的運動學問題,這是后話了,以后再說。

接著談論MPC184單元。它實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軸的轉動副單元

7. 萬向鉸單元

8. 槽銷單元

9. 點在面內(nèi)單元

10. 移動副單元

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所提供的運動副非常類似。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)部機理如何?每一種單元是如何構成的呢?我們看看它所提供的轉動副單元來了解一個大概。

下面是轉動副單元的幾何體

其中,左圖中,兩個節(jié)點圍繞X軸而轉動,在右圖中,兩個節(jié)點圍繞Z軸而轉動。

ANSYS對于轉動副是這樣操作的:

首先,它會分別在兩個物體的連接處創(chuàng)建兩個節(jié)點,一個節(jié)點屬于物體1,另外一個節(jié)點屬于物體2,在物體1上的節(jié)點稱為I節(jié)點,而在物體2上的節(jié)點稱為J節(jié)點。這兩個節(jié)點都有節(jié)點坐標系,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,請仔細觀察左邊的圖。該圖中有兩個坐標系,這就是兩個節(jié)點坐標系。左邊的節(jié)點坐標系有三個軸,每個軸上都有符號標志,例如e(2I),其中的I代表的是I節(jié)點,而2指該節(jié)點的第二個坐標軸,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)點的X軸與J節(jié)點的X軸是一樣的。換一句話說,這兩個節(jié)點在運動過程中,他們的X軸會始終報紙一致,這就是說,這兩個節(jié)點只能圍繞其X軸發(fā)生轉動。

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)點和J節(jié)點的Z軸同方向,也就是說,這兩個節(jié)點只能圍繞其Z軸而相對轉動。

好了,已經(jīng)說了很多了?？傊?為了表達運動副,ANSYS會在兩個物體的連接處各創(chuàng)建一個節(jié)點,然后基于這兩個節(jié)點的相對運動來表達運動副。這種方式與ADAMS是一樣的。ADAMS也是在連接處分別創(chuàng)建兩個坐標點,然后對這兩個坐標點的坐標之間施加運動約束關系,從而來建模約束的。

具體到本問題而言,本文準備使用MPC184中的6號-轉動副來建模該曲柄和連桿之間的轉動副。

那么對于曲柄-地面之間的轉動副如何模擬呢?

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

總之,對于桿件和運動副的建模,其關鍵點如下:

(1)忽略滑塊

(2)限制連桿下端點節(jié)點的Y方向自由度為零,以表達該移動副。

(3)對曲柄和連桿用BEAM188來模擬

(4)對于曲柄和連桿之間的轉動副用MPC184來模擬

(5)對于曲柄和地面之間的轉動副,限制曲柄轉軸處節(jié)點的其他自由度,而只保留ROTZ。

上述幾個要點是最重要的地方。此外,我們還準備

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

(2)通過給曲柄轉軸節(jié)點一個ROTZ的強制位移來施加一個運動驅動。

(3)進行瞬態(tài)動力學分析,打開大變形開關。

(4)使用POST26進行基于時間歷程的后處理。