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1、ANSYSANSYS 学习心得学习心得学院：学院： 班级：班级： 学号：学号： 姓名：姓名：时间：2012 年 7 月 2 日7 月 6 日第 1 页 共 11 页曲柄滑块机构基于 ANSYS 的运动特性分析摘要：摘要：随着工业的发展，不同规格的曲柄滑块机构被应用到了更多的机械设备中去，在机械制造工业以及其他工业的生产中作用越来越显著，例如在汽车、电子、农业、医疗等部门都用广泛的应用。因而提高机械的自动化程度，降低工人的劳动强度，改善劳动条件都离不开对曲柄滑块机构的研究。本文使用有限元法对曲柄滑块机构进行运动特性分析。首先利用解析法对问题进行求解，但是求解过程较为复杂，计算量大，鉴于 ANSY
2、S 中有一类分析类型是结构动力学分析，符合本题得要求，可以加以应用，简化计算。本文选择三维铰链单元 COMBIN7 建立模型进行分析求解。对有限元与解析解进行分析与对比，可以看出有限元解的最优解的。关键词：有限元法，运动特性，ANSYS，瞬态动力学Crank - slider mechanism motion characteristics analysis based on ANSYSAbstract :With development of industry, more and more different specifications of the Crank - slider mech
3、anism is applied to the mechanical equipment. It pays an increasingly significant role in the machinery manufacturing industry and other industrial production with a wide range of applications .For example,in the auto industry ,Electronics, Agriculture, Medical and other departments . Therefor, the
4、Crank - slider mechanism increases mechanical automation ,reducing labor intensity and improving working conditions.This paper using finite element method investigate the Crank - slider mechanism analysis of movement characteristics. Firstly, by using analytical method to solve problems，but solving
5、process is relatively complex and large amount of calculation. There is a certain type of ANSYS which is a type of structure dynamics analysis, in accordance with the required analysis which can be used. The topic choices three dimensional hinge unit COMBIN7 on the analysis solution. In the end, the
6、 analytical solution and ANSYS finite element solution is compared, we can get the optimal solution from the finite element .第 2 页 共 11 页Key Words：Finite element method; Movement characteristics；ANSYS; Transient dynamic第一章 引 言1.1 本文的主要研究内容ANSYS 是大型的通用有限元软件，其功能强大，可靠性好，具有强大的结构分析能力和优化设计模块，因而被国内外大多数机械行业
7、所采用。本文将基于 ANSYS 建立曲柄滑块机构的有限元模型，对曲柄滑块机构进行动力学分析。首先，对 ANSYS 进行了简要的介绍，为曲柄滑块机构的有限元分析做好准备工作；然后，利用 ANSYS 建立了曲柄摇杆机构实体单元模型，然后利用ANSYS 对结构的动态特性进行研究，并给出分析步骤。最后将利用解析法计算出的结果与 ANSYS 运算出的结果进行比较，从而对曲柄滑块机构的位移、速度、加速度进行分析。第二章 曲柄滑块机构的求解与分析2.1 问题描述分析如图所示曲柄滑块机构的位移、速度、加速度随时间变化的情况。已知：=120mm,=300mm,e=50mm,曲柄 AB 转速 =100rad/s.
8、abLbcL第 3 页 共 11 页2.2 有限元解2.2.1 定义参量分析前要将分析过程中所需的参量进行定义，需要定义 PI 的值以及铰链A、B、C、D 的坐标，OMGA1 (曲柄转速)，T (曲柄转动一周所需时间，单位为 s)，具体定义值如下。参数参数值或表达式PI3.1415926OMGA1100/(2*PI)T1/OMGA1abL0.12bcL0.3FI0ASIN(E/(R+L)E0.05(AX,AY)(0,0)(BX,BY)(R*COS(FI0),-R*SIN(FI0)(CX,CY)(R+L)*COS(FI0),-E)2.2.2 创建单元类型本次课题中的俯仰结构是三维弹性材料，既承受
9、拉压力也有弯矩存在，因此可以选用 BEAM4 单元和 COMBIN7 单元。COMBIN7 是个三维铰接连接单元, 是三维销钉（或旋转）铰链单元，可用于在公共点上连接模型的两个或多个部分，适用于运动学静力分析和运动学动力分析。BEAM4 是一种可用于承受拉、压、弯、扭的单轴受力单元。这种单元在每个节点上有六个自由度：x、y、z 三个方向的线位移和绕 x,y,z 三个轴的角位移。可用于计算应力硬化及大变形的问题。通过一个相容切线刚度矩阵的选项第 4 页 共 11 页用来考虑大变形（有限旋转）的分析。在 Main menu 中选择单元类型命令，选择 Combination 中的 Revolute
10、joint 7（COMBIN7） ，选择 Structural Beam 中的 3D elastic 4（BEAM4） ，这样就完成了 BEAM4 单元和 COMBIN7 单元的创建。2.2.3 定义材料特性在系统的材料属性设置对话框中依次选取 Structural（结构） 、Linear（线性）、Elastic（弹性） 、Isotropic（各向同性） ，弹性模量（EX）为 2E11 和泊松比（PRXY）为 0.3；再依次选取 Structural（结构） 、 Density（密度） ，不考虑各杆的惯性力，密度近似为 0，将密度（DENS）定义为 1e-14，完成材料3/Kg m特性的定义。
11、2.2.4 定义实常数由于本课题使用了两种单元类型，需将两个单元分别加以定义。Type 1 COMBIN7 单元的实常量定义，需要定义 X-Y 平动刚度、Z 方向刚度、X-Y 旋转刚度、扭转刚度 4 个实常数，分别为 1E9、1E3、1E3、0。Type 2 BEAM4 单元的实常量定义，需定义横截面积、Z 轴惯性矩、y 轴惯性矩、沿 Z 轴单元厚度、沿 Y 轴单元厚度 5 个实常数，分别为 4E-4、1.3333E-8、1.3333E-8、0.02、0.02。2.2.5 创建节点创建 15 号节点，15 号节点的坐标值如表 3.1 所示。表 3.1 关键点的坐标值节点号活动坐标系的坐标值1（
12、AX，AY，0）2（BX，BY，0）3（BX，BY，0）4（CX，CY，0）5（BX, BY, -1）2.2.6 指定单元属性拾取菜单 Main Menu 第 5 页 共 11 页ElemPreprocessormodelingcreateelementselem Attributes 选项，确定“COMBIN7”单元的单元属性，表示选定使用的“COMBIN7”单元，其材料属性编号为 1，实常数编号为 1。2.2.7 创建铰链单元拾取节点 2,3,5，创建了一个铰链单元，其中心在节点 2,3 处（节点 2、3 重合于 B 点） 。2.2.8 指定单元属性确定“BEAM4”单元的单元属性，表示选
13、定使用的“BEAM4”单元，其材料属性编号为 1，实常数编号为 2。2.2.9 创建梁单元分别拾取节点 1,2，点击 apply，再在拾取窗口的文本框中输入 3,4，创建2 个梁单元。2.2.10 指定分析类型打开 Solution 中的 New Analysis 命令。指定分析类型为“Transient” ，即指定分析类型为瞬态动力学分析。2.2.11 打开大变形选项本课题属于非线性稳定问题，因此需打开大变形选项。打开 Solution 中的Analysis Options 选项。将“NLGEOM”打开，打开大变形选项。2.2.12 确定第一个载荷步时间和时间步长打开 Solution 中的
14、 Time-Time Step 选项，弹出对话框，将第一个载荷步时间定义为 T 即曲柄转动一周所需的时间；将时间步长定义为 T/25，选择“KBC”为“Ramped” ，指定载荷为坡度载荷。2.2.13 确定数据库和结果文件中包含的内容在对话框中，选择下拉表框“Item”为“All Items” ，选中“Every substep” 。表明在结果中记录所有项目的各个分步。2.2.14 设定非线性分析的收敛值在对话框中，分别选择“Structural”和“Force F” ，将受力的收敛值的参考值定义为 1，将收敛参考值定义为 0.1，再分别选择“Structural”和“Moment 第 6
15、页 共 11 页M” ，将力矩的收敛值定义为 1，将力矩收敛参考值定义为 0.1，完成非线性分析收敛值的设定。2.2.15 施加约束在建好的模型中选择所有节点，在对话框中，约束“UZ” “ROTX” 、“ROTY”方向的自由度；拾取节点 1，在“ROTZ”方向上施加值为 2*PI 的约束；再次拾取节点 1，在 “UX” 、 “UY”方向上施加值为 0 的约束；再次拾取节点 4，在“UY”方向上施加值为 0 的约束，完成约束定义。2.2.16 求解选择 Solve 下的 Current LS 命令，进行问题的求解，出现“Solution is done！”提示时，求解结束，进行结果的查看。2.2
16、.17 定义变量在对话框中，将“Type of Variable”定义为“Nodal DOF result” ，即变量类型为节点的自由度。拾取节点 4，在对话框中，在右侧列表中选择“Translation UX” ，完成变量 2 的定义，表示滑块的位移。3s2.2.18 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；速度对时间 t 微分，得到3V3V滑块的角加速度。在对话框中，在“IR”文本框中输入 3，在“IY”文本框3a中输入 2，在“IX”文本框中输入 1，点击 apply，弹出对话框，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，完成对变量的数学操作。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，变量 1 是时间 T（系统设定） ，所以，变量 3 就3s是角速度；同样可知，变量 4 就是角加速度。3V3a2.2.19 用曲线图显示角位移、角速度和角加速度打开 TimeHist Postpro 下 Graph Varia
