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1、江苏师范大学专业名称：机械设计制造机其及自动化机构运动分析作者:彭辉 班级：09机41 学号：09294040指导教师：蒋洪旗计算机辅助机械设计课程设计 ANSYS机构运动分析 彭辉 （江苏师范大学机电学院机械设计制造及其自动化设计方向） 摘要：多连杆机构是拉延类机械压力机采用的主传动机构，通过参数优化能够实现拉延过程中滑块速度低而平稳，快速回程的功能，提高拉延件的质量和工作效率。针对压力机传动结构中最常用的八连杆机构，应用ANSYS/APDL 开发多连杆机构参数化建模分析和优化程序，优化前拉延过程中的速度波动很大，优化后速度非常平稳，滑块行程及拉延速度皆满足了设计预先提出的要求。 关键词：参
2、数化；优化； Multi-linkage mechanism is the main driving mode used in drawing machinery press,through 。parameter optimization it enables the slider low and stable rate in drawing process, quick backhaul in the phaseof does not work，improve the quality and efficiency of drawing parts. According to the eigh
3、t bar linkage；mechanism which is most commonly used in the press transmission structure, develop multiparametricmodeling of linkage analysis and optimization program based on ANSYS/APDL, the process drawing speedchange greatly before optimization, after optimization speed very smoothly , the slider
4、itinerary and pull out allthe speed to satisfy the design in advance of the request .Keyword: Parametric; Optimization; 一问题分析求解 1、图15-2所示为一曲柄滑块机构，曲柄长度AB=120mm、连杆长度BC=300 mm、偏距e=50 mm，曲柄为原动件，转速为w=100 r/min，E=2E11,P=0.3求滑块3的位移s3、速度v3、加速度a3随时间变化情况。图 15-2 曲柄滑块机构 二操作过程 2.1 定义参量拾取菜单Utility MenuParametersS
5、calar Parameters。在“Selection” 文本框中输入PI=3.1415926， 单击“Accept” 按钮；再在“Selection” 文本框中输入R=0.12、L=0.3、E=0.05、OMGA1=100、T=60/OMGA1、FI0=ASIN(E/(R+L)、AX=0、AY=0、BX=R*COS(FI0)、BY=-R*SIN(FI0) 、CX=(R+L)*COS(FI0)、CY=-E，单击“Accept”；最后，对话框的“Close”按钮。 2.2创建单元类型 Main MenuPreprocessorElement TypeAdd/Edit/Delete。单击“Add
6、”按钮；选“Combination”，选“Revolute joint 7”， 单击“Apply” 按钮；选“Structural Beam”，选“3D elastic 4”, 单击“Ok” 按钮；单击对话框的“Close”按钮。 2.3定义材料特定义材料特性性 拾取菜单Main MenuPreprocessorMaterial PropsMaterial Models。在右侧列表中依次双击“Structural”、“Linear”、“Elastic”、“Isotropic”，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0.3（泊松比），单击“Ok”
7、按钮；再双击右侧列表中“Structural”下“Density”，弹出图对话框，在“DENS”文本框中入1e-14（密度。近似为0，即不考虑各杆的惯性力），单击“Ok” 按钮。 2.4定义实常数 Main MenuPreprocessorReal ConstantsAdd/Edit/Delete。弹出的对话框，单击“Add”按钮，选择“Type 1 COMBIN7”，单击“Ok” 按钮，弹出的对话框，在“K1”、“K2”、“K3”、“K4”文本框中分别输入1E9、1E3、1E3、0，单击“Ok” 按钮；返回到所示的对话框， 再次单击“Add”按钮，弹出图2-7所示的对话框，选择“Type 2
8、 BEAM4”，单击“Ok”按钮，弹出所示的对话框，在“AREA”、“IZZ”、“IYY”、“TKZ”、“TKY”文本框中分别输入4E-4、1.3333E-8、1.3333E-8、0.02、0.02，单击“Ok” 按钮；返回到所示的对话框，单击“Close”按钮。2.5创建节点 Main MenuPreprocessorModelingCreateNodesIn Active CS。弹出所示的对话框，在“NODE”文本框中输入1，在“X,Y,Z”中分别输入AX,AY,0，单击“Apply” 按钮；在“NODE”文本框中输入2，在“X,Y,Z”中分别输入BX,BY,0，单击“Apply” 按钮；
9、在“NODE”文本框中输入3，在“X,Y,Z”中分别输入BX,BY,0，单击“Apply” 按钮；在“NODE”文本框中输入4，在“X,Y,Z”中分别输入CX,CY,0，单击“Apply” 按钮；在“NODE”文本框中输入5，在“X,Y,Z”中分别输入BX,BY,-1，单击“Ok” 按钮。 2.6 指定单元属性Main MenuPreprocessorModelingCreateElementsElem Attributes。弹出图所示的对话框，选择 “TYPE”为“1 COMBIN7”，选择 “MAT”为“1”，选择 “REAL”为“1”，单击“Ok”。 2.7创建铰链单元 拾取菜单Main
10、 MenuPreprocessorModelingCreateElementsAuto NumberedThru Nodes。弹出拾取窗口，在拾取窗口的文本框中输入2,3,5，单击“Ok” 按钮，于是在节点2和3处（即B点）创建了一个铰链单元。 2.8指定单元属性 拾取菜单Main MenuPreprocessorModelingCreateElementsElem Attributes。弹出所示的对话框，选择下拉列表框“TYPE”为“2 BEAM 4”，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。 2.9创建梁单元用来模拟各个杆，拾取菜单Main
11、MenuPreprocessorModelingCreateElementsAuto NumberedThru Nodes。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“Ok” 按钮。于是创建了2个梁单元，2个梁单元由B点处铰链单元连接。 2.10 指定分析类型拾取菜单Main MenuSolutionAnalysis TypeNew Analysis 。在弹出的“New analysis”对话框中，选择“Type of Analysis”为“Transient”，单击“Ok” 按钮，在随后弹出的“Transient Analy
12、sis”对话框中，单击“Ok” 按钮。 2.11打开大变形选项拾取菜单Main MenuSolutionAnalysis TypeAnalysis Options。弹出所示的对话框，将“NLGEOM”打开，单击“Ok” 按钮。 2.12确定载荷步时间和时间步长 拾取菜单Main MenuSolutionLoad Step OptsTime/FrequencTime - Time Step。弹出图1所示的对话框，在 “TIME”文本框中输入T，在“DELTIM Time Step size”文本框中输入T/70，选择“KBC”为“Ramped”，单击“Ok” 按钮。 2.13 确定数据库和结果文
13、件中包含的内容拾取菜单Main MenuSolutionLoad Step OptsOutput CtrlsDB/Results File。弹出所示的对话框，选择下拉列表框“Item”为“All Items”，选中“Every substep”, 单击“Ok” 按钮。 2.14设定非线性分析的收敛值 拾取菜单Main MenuSolutionLoad Step OptsNonlinearConvergence Crit。弹出所示的对话框，单击“Replace”按钮，弹出所示的对话框，在“Lab”右侧两个列表中分别选择“Structural”和“Force F”，在“VALUE”文本框中输入1，
14、在“TOLER”文本框中输入0.1，单击“Ok” 按钮。返回所示的对话框，单击“Add” 按钮，再次弹出的对话框，在“Lab”右侧两个列表中分别选择“Structural”和“Moment M”，在“VALUE”文本框中输入1，在“TOLER”文本框中输入0.1，单击“Ok” 按钮。最后单击所示的对话框的“Close” 按钮。 2.15 施加约束拾取菜单Main MenuSolutionDefine LoadsApplyStructuralDisplacementOn Nodes。弹出拾取窗口，单击“Pick All” 按钮，弹出图所示的对话框，在“Lab2”列表中选择“UZ”、“ROTX”
15、、“ROTY”，单击“Apply” 按钮；再次弹出拾取窗口，拾取节点1，单击“Ok” 按钮，再次弹出图所示的对话框，在“Lab2”列表中选择“ROTZ”，在“VALUE”文本框中输入2*PI，单击“Apply” 按钮；再次弹出拾取窗口，拾取节点1，单击“Ok” 按钮，再次弹出所示的对话框，在“Lab2”列表中选择“UX” 、“UY”，在“VALUE”文本框中输入0，单击“Apply” 按钮；再次弹出拾取窗口，拾取节点4，单击“Ok” 按钮，再次弹出图所示的对话框，在“Lab2”列表中选择 “UY”，在“VALUE”文本框中输入0，单击“Ok” 按钮。2.16求解拾取菜单Main MenuSol
16、utionSolveCurrent LS。单击“Solve Current Load Step”对话框的“Ok”按钮。出现“Solution is done!”提示时，求解结束，从下一步开始，进行结果的查看。 L O A D S T E P O P T I O N S LOAD STEP NUMBER. . . . . . . . . . . . . . . . 2 TIME AT END OF THE LOAD STEP. . . . . . . . . . 1.6000 TIME STEP SIZE. . . . . . . . . . . . . . . . . 0.85714E-02
17、MAXIMUM NUMBER OF EQUILIBRIUM ITERATIONS. . . . 15 STEP CHANGE BOUNDARY CONDITIONS . . . . . . . . NO TRANSIENT (INERTIA) EFFECTS TRANSIENT INTEGRATION PARAMETERS ALPHA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0.25251 DELTA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0.50500 TERMINATE ANALYSIS IF NOT CONVE
18、RGED . . . . . .YES (EXIT) CONVERGENCE CONTROLS LABEL REFERENCE TOLERANCE NORM MINREF F 1.000 0.1000 2 -1.000 M 1.000 0.1000 2 -1.000 PRINT OUTPUT CONTROLS . . . . . . . . . . . . .NO PRINTOUT DATABASE OUTPUT CONTROLS ITEM FREQUENCY COMPONENT ALL ALL 2.17 定义变量拾取菜单Main MenuTimeHist PostproDefine Vari
19、ables。弹出图所示的对话框，单击“Add”按钮，弹出图所示的对话框，选择“Type of Variable”为“Nodal DOF result”，单击“Ok” 按钮，弹出拾取窗口，拾取节点4，单击“Ok” 按钮，弹出图所示的对话框，在右侧列表中选择“UX”，单击“Ok” 按钮，返回到图所示的对话框，单击“Close”按钮。于是定义了一个变量2，它可以表示滑块的位移s3。2.18 对变量进行数学操作把变量2对时间t微分，得到滑块的速度v3；把速度v3对时间t微分，得到滑块的加速度a3。拾取菜单Main MenuTimeHist PostproMath OperationsDerivativ
20、e。弹出图三所示的对话框，在“IR”文本框中输入3，在“IY”文本框中输入2，在“IX”文本框中输入1，单击“Apply” 按钮；再次弹出图四所示的对话框，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。图 三 定义数据类型对话框图 四 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s，变量1是时间t（系统设定），所以，变量3就是角速度v3；同样可知，变量4就是角加速度a3。15.3.20 用曲线图显示位移、速度和加速度拾取菜单Main MenuTimeHist PostproGraph
21、 Variables。弹出图五所示的对话框，在“NVAR1”文本框中输入2，单击“Ok” 按钮，结果如图六所示。再重复执行两次以上命令，在弹出对话框的“NVAR1” 文本框中分别输入3和4，单击“Ok” 按钮，结果如图七、图八所示。图 六 位移曲线图 七 速度曲线图 吧 加速度曲线图 五 选择显示变量对话框拾取菜单Main MenuTimeHist PostproList Variables。在弹出对话框的“NVAR1”和“NVAR2”文本框中分别输入2，单击“Ok” 按钮。在得到的列表中可以看到变量2即位移s3的最大值为0.535376，此值即滑块的行程H，该值对应的时间为0.88571 s
22、，此值即空回行程经历的时间。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。 小结 本次论文设计结合了工程力学、优化设计、计算机软件ANSYS10.0辅助设计等理论知识。将零散的知识结合一起，完成了一次具有现实意义的设计，从而达到了机械工程设计特点和专业基本训练的目的，积累了一定的设计理念和经验。基于有限元方法的结构分析和优化设计是一个涉及范围很广的研究课题，而本文只是对等机构运动进行分析做了一些有益的探索和研究。但是仍有许多更广泛更深度的问题需要进一步的去研究。本文主要是以计算机软件ANSYS10.0辅助设计为手段，分析出来只是理论上的结果，这还需要实验的进一
23、步来验证。如果考虑到工程上加工制造，为了达到要求并提高经济效益，那么本文的设计可作为理论上参考。如今，在企业的设计和生产中，有限元分析已得到广泛的应用。要使得有限元软件理论设计与各类工程生产中的实际情况更好更完美的结合应用， 仍需要去探索，同时这也是一个很值得去研究的方向。 参考文献参考文献(5条) 1.张胜民 基于有限元软件ANSYS7.0的结构分析 2003 2.Yuji Kozaki Electric Power Steering (EPS) 1999(9) 3.黄国明 用ANSYS运动分析 2003 4.张标标.徐志军.葛蕴珊.刘福水.孙业保 基于ANSYS平台开发曲轴振动分析软件期刊论文-车辆与动力技术 2001(4) 5.刘洁.张和平.王丽娟 ANSYS参数化设计期刊论文-机电工程技术 2003(5)
