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1、2010.09.20,2010上海电气“三维设计”大奖赛 CAE分析项目,本参赛作品均采用UG NX 7.5作为运动仿真分析软件，采用ANSYS Workbench 11.0作为强度分析软件。,主 要 内 容,题目要求 运动学分析方案及结果强度分析方案及结果,题目要求 运动仿真分析方案分析结果,1.1 题目要求,边界条件： 传动轴两端轴承固定； 传动轴输入转速为2800RPM，输出扭矩为15000kNmm； 所有部件的材料均为合金钢。,输出结果： 运动学分析,0.05秒的运动模拟动画； 传动主轴的角速度。,强度分析,应力分析结果； 疲劳寿命分析结果。,对图示的传动轴结构分别进行运动和强度分析。
2、,1.2 运动学分析方案及结果,大赛提供的传动轴模型为Parasolid中性格式，且各部件之间并未定义装配关系。运动仿真的主要分析步骤如下：,模型导入,UG NX中可以直接打开Parasolid中性格式的文件。,新建运动仿真,应先观察模型中各部件之间的相对位置是否正确，否则需通过装配约束调整各部件之间的相互位置。本题中模型装配关系无误，可以直接建立新的运动仿真。具体操作如下：,在传动轴模型中Input housing和Output housing这两个组件属于轴承系统，一直处于固定状态，因此不需要定义为连杆。,Input housing,Output housing,固定状态 无需定义为连杆,
3、新建连杆,机构中每个运动零件均应定义为连杆，使其具有6个自由度。,机构中每个运动零件均应定义为连杆。,在传动轴模型中Input housing和Output housing这两个组件属于轴承系统，一直处于固定状态，因此不需要定义为连杆。,Input shaft和Output shaft这两个组件中的部件无相对运动，可以分别将其定义为两个连杆。连杆的质量属性设为自动。,新建连杆,Output shaft,Input shaft,无相对运动 分别定义成两个连杆,将Input cross和Output cross分别定义为两个连杆。,Input shaft和Output shaft这两个组件中的部件
4、无相对运动，可以分别将其定义为两个连杆。连杆的质量属性设为自动。,新建连杆,Input cross,Output cross,定义两个连杆,将Input cross和Output cross分别定义为两个连杆。,Drive shaft中的各部件之间也无相对运动，将其整体定义成一个连杆。,新建连杆,Drive shaft,Drive shaft中的各部件之间也无相对运动，将其整体定义成一个连杆。,新建连杆,最终该传动轴机构中一共含有5个连杆。,连杆创建完成后，每个连杆都具有6个自由度，需用特定的运动副将各连杆之间连接起来，从而构建一个能协调运转的机构。,添加运动副,首先在Input shaft与
5、地之间建立固定旋转副。,在Input shaft与Input cross之间建立旋转副。,连杆创建完成后，每个连杆都具有6个自由度，需用特定的运动副将各连杆之间连接起来，从而构建一个能协调运转的机构。,添加运动副,首先在Input shaft与地之间建立固定旋转副。,在Input shaft与Input cross之间建立旋转副。,在Drive shaft与Input cross之间建立旋转副。,连杆创建完成后，每个连杆都具有6个自由度，需用特定的运动副将各连杆之间连接起来，从而构建一个能协调运转的机构。,添加运动副,在Drive shaft与Input cross之间建立旋转副。,连杆创建完
6、成后，每个连杆都具有6个自由度，需用特定的运动副将各连杆之间连接起来，从而构建一个能协调运转的机构。,添加运动副,在Drive shaft与Output cross之间建立旋转副。,在Drive shaft与Output cross之间建立旋转副。,在Output shaft与Output cross之间建立旋转副。,连杆创建完成后，每个连杆都具有6个自由度，需用特定的运动副将各连杆之间连接起来，从而构建一个能协调运转的机构。,添加运动副,在Output shaft与Output cross之间建立旋转副。,在Output shaft与地之间建立柱面副。,连杆创建完成后，每个连杆都具有6个自由
7、度，需用特定的运动副将各连杆之间连接起来，从而构建一个能协调运转的机构。,添加运动副,最终该传动轴机构一共含有5个旋转副和1个柱面副。,添加运动副,由机构Gruebler数的计算公式可以求得传动轴的Gruebler数 = 5655 4 = 1,添加驱动和输出扭矩,编辑J001旋转副（Input shaft与地之间）。设置恒定的初速度为16800 degree/sec（即2800RPM）。,在Output shaft连杆上添加矢量扭矩作为输出扭矩，大小为15000000Nmm，方向与施加的初速度相反。,设置解算方案并求解,分析类型设为运动学/动力学，运动模拟时间设为0.05s。题目要求不考虑设备
8、自重，因此重力常数设为0。勾选【通过按“确定”进行解算】选项，单击确定进行求解。,分析结果,分析结果,传动主轴的角速度,1.3 强度分析方案及结果,在工作状态下传动轴输出端将承受15kNm的扭矩。因此需要分析十字交叉杆在此载荷下的静强度和疲劳强度，以保证整个结构的安全稳定运行。,为了尽量减小有限元计算的规模，在不影响求解精度的条件下，只需对图示的局部结构进行分析即可，这样得到的十字交叉杆的应力结果应该已足够精确。,将此局部结构的几何模型导入到ANSYS中，如图所示。,模型导入,整个结构主要由主动轴叉、从动轴叉、轴承和十字轴组成。,定义材料,结构的材料全部为合金钢，材料的力学属性和疲劳S-N曲线
9、由大赛组委会提供，具体如下。,十字轴是此结构的关键部位，应细化其网格以保证应力结果的精度。其他如主动轴叉、从动轴叉和轴承等部件可以使用较大的单元尺寸，以减小计算的规模，提高分析的效率。,划分网格,结构的有限元模型如图所示。,细化网格 保证求解精度,通过建立接触关系可以在结构的各部件之间建立联系并传递载荷。,建立接触,工作时，轴承与主动轴叉及从动轴叉之间无相对运动，因此建立绑定接触。轴承与十字轴之间存在相互转动，因此建立通用接触，摩擦系数设为0.1。,绑定接触,通用接触,在主动轴叉端部圆柱面上施加圆柱约束。使得该圆柱面在其轴向和切向固定。,施加约束与载荷,圆柱约束,施加约束与载荷,在从动轴叉端部
10、圆柱面上同样施加圆柱约束。使得该圆柱面在其轴向和切向固定。,圆柱约束,施加约束与载荷,在从动轴叉端部圆柱面上施加扭矩载荷， 扭矩大小为15kNm 。,扭矩,静强度分析结果,等效应力（MPa）,静强度安全系数,十字轴的最大等效应力为579.99MPa，位于轴颈处。其安全系数大于1，说明十字轴在静载下是安全的。,疲劳强度分析结果,根据前面分析得到的应力结果，进行疲劳强度分析可以得出十字轴的寿命和疲劳安全系数。,疲劳分析的参数设置如下,疲劳修正系数设为1，即不考虑尺寸和表面加工情况等影响因素。,载荷类型设为Zero-Based，表明十字轴在静止和工作转速下循环加载。,分析类型设为Stress Lif
11、e。应力结果表明十字轴未产生塑性变形，因此采用高周疲劳分析。,平均应力修正采用高周疲劳分析中最常用的Goodman修正法。,应力分量设为Equivalent，即将等效应力用于疲劳强度的分析。,疲劳强度分析结果,十字轴的疲劳寿命高于108周，其最小的疲劳强度安全系数为1.152。,疲劳寿命（cycle）,疲劳强度安全系数,2.1 题目要求,对图示设备进行运动仿真，并使其实现自动分拣过程。,具体要求： 物品在重力作用下落入分拣区； 伺服电机根据物品的不同自动分拣。,输出结果： 输出分拣过程的运动仿真； 输出4个方块的位移和速度曲线。,2.2 运动仿真分析方案,解题思路：在方块与推杆之间创建相对位移
12、传感器，根据方块与推杆之间距离的变化来控制伺服电机的工作状态，从而实现自动分拣的功能。,主要步骤：,模型导入,具体操作与前面传动轴基本相同，在此不再赘述。,新建运动仿真,而其余部件都参与运动或3D接触，均应定义为活动连杆。连杆质量属性设为自动。,Holder、Bay1和Bay2一直处于固定状态，且会与其他部件发生3D接触，应定义为固定连杆。,新建连杆,机构中每个运动零件均应定义为连杆，使其具有6个自由度。,在分拣设备模型中，3个Actuator不参与运动或3D接触，因此不需要定义为连杆。,Actuator 不需要定义为连杆,新建连杆,由于UG NX中的电机只能驱动旋转副或柱面副，而推杆rod1
13、rod3使用滑动副。为了实现电机驱动推杆，在电机与推杆rod1rod3之间建立3个虚拟连杆o1o3，先在连杆o1o3上创建旋转副，再在连杆o1o3与推杆rod1rod3之间创建齿轮/齿条副，这样就可以通过电机驱动旋转副，从而间接驱动滑动副了。,添加运动副,在连杆rod1rod3上创建滑动副r1r3，使之可以沿轴向滑动。,在连杆o1o3上创建旋转副rota1rota3。,在3对旋转副和滑动副之间创建齿轮/齿条副J004J006。,建立3D接触,此分拣设备在运动中存在很多接触，在每对发生接触的连杆之间都需要建立3D接触。接触参数的设置对仿真分析的结果影响较大。本分析对部分接触参数的默认值进行了修改
14、，使得4个方块的运动尽量符合实际情况。,创建标记,为了使用位移传感器来监控各运动对象之间的相对位置，需首先创建一系列的标记点。,在4个方块的质心位置建立标记box1box4。,在3根推杆的头部中心位置建立标记rod001rod003。,在连杆Holder的3个侧面上建立标记h1h3。,创建位移传感器,定义位移传感器捕捉各标记之间的相对位置。,Schart002,创建信号图,Schart001,rod3,闭环信号图可利用前面创建的传感器和事件条件控制电机，这样电机就可以响应系统的变化，从而实现分拣的功能。,方块自由落体，当传感器探测到box1与rod1之间的Y向距离小于3时，Schart001输
15、出值为1的信号，驱动推杆rod1向前推出。,rod1推动box1，当传感器探测到box1与rod2之间的Z向距离小于4.76时，Schart001输出值为-2的信号，驱动推杆rod1后退。同时Schart002输出值为1的信号，驱动推杆rod2前推。 考虑到方块的惯性运动，将阀值设为4.76而非0。,rod2推动box1，当传感器探测到rod2与h3之间的X向距离小于0时，Schart002输出值为-4的信号，驱动推杆rod2后退。同时当传感器探测到rod1与h1之间的Z向距离大于2.4时（rod1起始位置），Schart001输出值为0的信号，推杆rod1停止运动。,rod2后退，当传感器探
16、测到rod2与h2之间的X向距离大于7.2时（rod2起始位置），Schart002输出值为0的信号，推杆rod2退回原位停止运动。,后续的信号设置与此类似，在此不再赘述。,创建电机驱动,创建3个电动机，采用默认的参数。,再创建3个“驱动”，分别使用信号图Schart001Schart003驱动旋转副rota1rota3。,建立解算方案,采用控制/动力学分析类型，求解时间8s，求解步数8000，重力方向为-Y向，其他参数采用默认值。,2.3 分析结果,运动仿真动画,X向速度绝对值,方块的位移和速度曲线,X向位移绝对值,Y向速度绝对值,方块的位移和速度曲线,Y向位移绝对值,Z向速度绝对值,方块的位移和速度曲线,Z向位移绝对值,谢 谢,Thank You,
