Workbench平台下曲柄摇杆摆镜机构的动力学仿真

铰链四杆机构是机械行业经典传动机构，其设计拥有较为成熟的计算理论。随着计算力学的发展，利用计算机仿真计算（CAE）成为机械机构设计验算的关键步骤，不仅可以提高设计效率，还能更加直观地指导修改设计。

下面就以一个曲柄摇杆驱动摆镜的典型四杆机构仿真分析为例，介绍如何利用ANSYS Workbench进行机构的动力学仿真分析。已知机构曲轴转速为300RPM。

1. 利用建模软件CREO建立三维结构模型，在workbench中创建Transient Structural分析模块，导入结构模型，如图1所示。

图1 曲柄摇杆摆镜机构模型

2. 右键单击Engineering Data选项，进入材料编辑界面。这里添加一种铝合金材料Aluminum Alloy即可，其余默认为结构钢Structural Steel，如图2所示。

图2 增加Aluminum Alloy材料

3. 双击Model选项进入分析设置界面，这里可以设置材料分配、网格划分、载荷边界条件以及后处理查询的求解内容。

首先进行材料分配，点击Geometry模型树下拉选项，将名称为转接板（zjb）、摆镜（bj）、摇杆（yg）和连杆（lg）的实体材料调整设置为Aluminum Alloy，其余保持默认结构钢。如图3所示。

图3 材料分配

4. 网格划分。点选模型树中Mesh选项，在Sizing选项内设置网格划分属性。这里以自适应方法做网格划分处理。在网格划分方法Size Function内选择Aadptive；单元尺寸Element Size设置为1.5mm；其余保持默认设置。如图4所示。

网格处理完成后，可在Quality选项内查询网格质量，点选Mesh Metric，选择Element Quality，可以看到自适应网格划分平均值Average为0.8597，如图5所示。一般均值大于0.75即表示在可接受范围内，可以进行计算。

图4 网格划分设置

图5 网格质量查询

5. 载荷边界设置。传动约束以转动副的形式施加在运动连接处，在模型树Connections内插入连接副设置Joints，分别以旋转副设置曲轴（qz）与轴承座（zcz-1）、曲轴（qz）与连杆（lg）、摇杆（yg）与连杆（lg）、转接轴（zjz）与轴承座（zcz）之间为传动关系。设置轴承座底面为固定副约束。

以曲轴与轴承座旋转副设置为例，在连接类型Connection Type选项内设置Body-Body；在Reference菜单下的Scope内选择轴承座与曲轴的相对旋转面；在Mobile菜单下的Scope内选择曲轴对应旋转面，其他的以此类推。如图6所示。

图6 传动副设置

6. 设置旋转载荷与重力载荷。在Transient模型树下插入Standard Earth Gravity和Rotational Velocity。

在Standard Earth Gravity选项内的Definition菜单下，设置重力方向。结合模型实际位置，在Direction选项内设置重力方向为Y轴负方向。如图7所示。

在Rotational Velocity选项内设置旋转载荷。在Geometry菜单栏内选择曲轴作为动力输入模型；在Definition选项内，将Define By设置为Vector；将Magnitude设置为300RPM；可根据Axis设置旋转方向。如图8所示。

图7 重力设置

图8 旋转载荷设置

7. 载荷步设置。在Transient模型树内的Analysis Settings栏设置载荷步。在Step Controls选项内做具体设置。

a) 将载荷步总数（Number Of Steps）设置为10；

b) 将初始时间（Step End Time）设置为0.01s，每一步时间间隔0.03s；

c) 打开自动时间步，将Auto Time Stepping设置为On；

d) 迭代计算方式定义为载荷子步，将Define By设置为Substeps；

e) 将初始载荷步、最小载荷步和最大载荷步分别设置为5、5、40；最大载荷步在计算条件允许时建议设置较大值，方便迭代计算成功；

f) 打开大变形选项，将Large Deflection设置为On，其余保持默认设置。

共10步，每步均需进行同等设置，详见图9所示。

图9 载荷步分析设置

8. 结果查询。在Solution模型树内插入Total Deformation和Equivalent Stress，运行Solve求解计算，计算结果如图10所示。

图10 仿真计算结果