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
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