（上）ANSYS经典界面的曲柄滑块机构的仿真

2016-10-13 by:CAE仿真在线来源:互联网

在Adams里面,这是一个超级简单的入门话题。只需要快速拖出曲柄,连杆和滑块,然后施加转动副,移动副,并施加旋转驱动,不需要2分钟的时间,就可以做出一个曲柄滑块机构(如下图所示),并可以仿真后得到滑块的位移曲线,速度曲线和加速度曲线。

但是如何使用Ansys对该机构进行仿真呢?

使用Ansys,至少存在两种方式:(1)基于Workbench的方式(2)基于经典界面的方式。

若使用基于Workbench的方式,又至少有三种方法可以使用:(1.1)基于多体动力学模块的方式(1.2)基于瞬态动力学分析的模式(1.3)基于LS-DYNA的瞬态动力学分析模式。其中(1.1)最容易,其实就是多刚体动力学分析,其功能与Adams十分相似,操作过程也极为类似。(1.2)这种方式允许刚柔耦合分析,应该是在Ansys中进行刚柔耦合分析的主打方式(1.3)该方式需要调用LS-DYNA求解器。不过对于这种小儿科的问题,去调用LS-DYNA类似用高射炮打蚊子,毫无必要。本文不准备使用基于Workbench的方法。

实际上,只要我们想了解有限元的机理,使用经典界面仍旧属于相对合适的选择。使用经典界面,我们就可以非常清晰地确定杆件用什么单元来模拟,而运动副用什么单元来模拟,从而可以清晰的知道有限元的操作内幕,这对于我们熟练掌握理论和技术都是必要的。所以本文准备使用这种方式,并讨论其中的机理问题。

由于该问题求解起来还较长,本文准备分上、中、下三篇来完整地阐述该问题的求解过程。

一问题描述

曲柄滑块机构如上图所示,已知曲柄长250mm,连杆长620mm,曲柄的转轴到滑块的导路的距离(偏距)是200mm,曲柄为转动件,转速是30转每分。求滑块的位移,速度和加速度随时间变化曲线。

注:该问题来着于《ANSYS机械工程应用精华50例》,本文大致会采用该书中的思路,但是因为ANSYS版本的改变,原书中的两种单元均已经不存在,所以本文会使用其他单元来取代。

二建模分析

首先要确定,我们准备如何建模?

要建模,有两个问题是需要高度关注的:第一,这里面的杆件,滑块准备用什么单元来模拟?第二,这些杆件,滑块之间的联接准备用什么单元来模拟?

首先,我们要意识到,我们仅仅准备做运动学分析。因此,这里滑块是可以忽略的,我们只需要保证,连杆与滑块连接的端点,其位移发生在水平线上,即:从有限元的角度来说,就是该端点所对应的节点,其UY始终为零,那么连杆下端点的运动就被确定发生在水平线上,从而滑块可以直接拿掉。一旦滑块拿掉以后,该处的转动副也就不再需要建模。

这样,剩下的物体只有曲柄和连杆,那么,对于他们,使用什么单元建模呢?他们都是杆状物体,所以应该使用杆单元或者梁单元来建模。显然,曲柄会变弯,而连杆会被拉长。所以,曲柄应该用梁单元,而连杆可以只用杆单元。这里为了简单起见,统一用梁单元。因为梁单元包含了杆单元的功能。鉴于ANYS的单元发展趋势,我们对于连杆和曲柄均采用BEAM188.

BAEM188是ANSYS中用于模拟梁结构的主打单元,它基于铁摩辛柯理论,主要用于分析细长梁和中长梁。该梁单元有3个节点:两个端节点和一个方向节点;每个节点有6-7个自由度,用于模拟空间梁的拉伸压缩,弯曲,扭转以及其组合变形。其几何结构如下图

所以对于该问题,我们可以只用一个梁单元模拟曲柄,另外一个梁单元模拟连杆。

那么如何建模运动副呢?

前面说过,滑块已经被拿掉,因此,在滑块处的转动副和移动副同时消失。我们只需要模拟连杆与曲柄之间的转动副,以及曲柄与地面之间的转动副就好。

对于连杆与曲柄之间的转动副,需要使用ANSYS所提供的MPC184即多点约束单元。MPC184是ANSYS所提供的专门用于模拟运动副的单元,基于关键字的选择不同,它可以用于模拟各种各样的运动副。实际上,这里的曲柄和连杆也可以用MPC184单元簇来模拟。不过本文为了与《ANSYS机械工程应用精华50例》相对保持一致,而不要脱离太遥远,所以对于曲柄和连杆就使用了老式方法,如果可能的话,笔者也有兴趣专门写一篇,说明,仅仅使用MPC184单元,如何模拟曲柄滑块机构的运动学问题,这是后话了,以后再说。

接着谈论MPC184单元。它实际上是一族单元的集合体,它可以模拟哪些约束呢?下面的约束是可以被模拟的:

可见,基于单元关键字的不同,它可以模拟的约束包括:

0. 刚性连杆

1. 刚性梁

3. 滑块单元

6. X轴或者Z轴的转动副单元

7. 万向铰单元

8. 槽销单元

9. 点在面内单元

10. 移动副单元

11.X轴或者Z轴圆柱副单元

12. X轴或者Z轴平面副单元

13. 焊接铰链单元

14. 方向铰链单元

15.球铰单元

16. 通用铰链单元

17.螺旋副单元

我们可以发现,这些单元与ADAMS所提供的运动副非常类似。如果说有不同的话,那么,ADAMS没有所谓的刚性连杆,刚性梁,滑块单元,焊接铰链单元这些约束形式,而其它的单元ADAMS都是具备的。

那么,这些单元的内部机理如何?每一种单元是如何构成的呢?我们看看它所提供的转动副单元来了解一个大概。

下面是转动副单元的几何体

其中,左图中,两个节点围绕X轴而转动,在右图中,两个节点围绕Z轴而转动。

ANSYS对于转动副是这样操作的:

首先,它会分别在两个物体的连接处创建两个节点,一个节点属于物体1,另外一个节点属于物体2,在物体1上的节点称为I节点,而在物体2上的节点称为J节点。这两个节点都有节点坐标系,就是有X,Y,Z轴,在上图中,X,Y,Z轴分别是用1,2,3来表示的。

现在,请仔细观察左边的图。该图中有两个坐标系,这就是两个节点坐标系。左边的节点坐标系有三个轴,每个轴上都有符号标志,例如e(2I),其中的I代表的是I节点,而2指该节点的第二个坐标轴,即Y轴。我们看到,在该图中,e(I1)与e(J1)同方向,意思是说,I节点的X轴与J节点的X轴是一样的。换一句话说,这两个节点在运动过程中,他们的X轴会始终报纸一致,这就是说,这两个节点只能围绕其X轴发生转动。

同样的方式,我们观察右图,可以看到该图中,e(I3)与e(J3)同方向,意思是说,I节点和J节点的Z轴同方向,也就是说,这两个节点只能围绕其Z轴而相对转动。

好了,已经说了很多了。总之,为了表达运动副,ANSYS会在两个物体的连接处各创建一个节点,然后基于这两个节点的相对运动来表达运动副。这种方式与ADAMS是一样的。ADAMS也是在连接处分别创建两个坐标点,然后对这两个坐标点的坐标之间施加运动约束关系,从而来建模约束的。

具体到本问题而言,本文准备使用MPC184中的6号-转动副来建模该曲柄和连杆之间的转动副。

那么对于曲柄-地面之间的转动副如何模拟呢?

考察一下前面我们对于滑块的处理方式,我们就可以知道,此处只需要设定曲柄与地面连接的节点的绕Z轴转动的自由度为自由,而限制该节点的其他自由度即可。

总之,对于杆件和运动副的建模,其关键点如下:

(1)忽略滑块

(2)限制连杆下端点节点的Y方向自由度为零,以表达该移动副。

(3)对曲柄和连杆用BEAM188来模拟

(4)对于曲柄和连杆之间的转动副用MPC184来模拟

(5)对于曲柄和地面之间的转动副,限制曲柄转轴处节点的其他自由度,而只保留ROTZ。

上述几个要点是最重要的地方。此外,我们还准备

(1)先创建几个节点,然后直接由节点连接成单元。换一句话说,我们准备使用直接建模法。

(2)通过给曲柄转轴节点一个ROTZ的强制位移来施加一个运动驱动。

(3)进行瞬态动力学分析,打开大变形开关。

(4)使用POST26进行基于时间历程的后处理。