万向节刚体动力分析实例与应用

1.问题描述

某一万向节结构，材料为结构钢，以3rad/s的速度转动，其他相关参数在分析过程中体现。试用刚体动力学模拟万向节运动。

2.有限元分析过程

（1）启动Workbench 18.0 在“开始”菜单中执行ANSYS 18.0→Workbench 18.0命令。

（2）创建刚体动力分析项目

①在工具箱【Toolbox】的【Analysis Systems】中双击或拖动刚体动力分析项目【Rigid Dynam-ics】到项目分析流程图，如图9-11所示。

②在Workbench的工具栏中单击【Save】，保存项目工程名为Universal joint.wbpj。有限元分析文件保存在D：\AWB\Chapter09文件夹中。

（3）确定材料参数 万向关节体的材料为结构钢，采用默认数据。

（4）导入几何模型 在刚体动力分析项目上，右键单击【Geometry】→【Import Geometry】→【Browse】→找到模型文件Universal joint.agdb，打开导入几何模型。模型文件在D：\AWB\Chap-ter09文件夹中。

图9-11 创建刚体动力分析项目

（5）进入Mechanical分析环境

①在刚体动力分析项目上，右键单击【Model】→【Edit…】进入Mechanical分析环境。

②在Mechanical的主菜单【Units】中设置单位为Metric（mm，kg，N，s，mV，mA）。

（6）为几何模型分配材料属性 连杆体材料为结构钢，自动分配。

（7）创建关节连接

①在导航树里单击【Connections】并展开，删除【Contacts】，打开【Body Views】。

②创建shaft1与Central pin连接，在标准工具栏上单击，单击【Connections】，在连接工具栏单击【Body Body】→【Revolute】，参考体选择Central pin销轴一侧外表面，运动体选择shaft1一侧孔内表面，如图9-12所示；同样，单击【Connections】→【Joints】→【BodyBody】→【Revolute】，参考体选择Central pin销轴另一侧外表面，运动体选择shaft1另一侧孔内表面，如图9-13所示，其他默认。

图9-12 创建shaft1与Central pin连接

图9-13 创建shaft1与Central pin连接

③创建shaft2与Central pin连接，在标准工具栏上单击，单击【Connections】→【Joints】→【Body Body】→【Revolute】，参考体选择Central pin销轴一侧外表面，运动体选择Shaft2一侧孔内表面，如图9-14所示；同样，单击【Connections】→【Joints】→【Body Body】→【Revolute】，参考体选择Central pin销轴另一侧外表面，运动体选择shaft2另一侧孔内表面，如图9-15所示，其他默认。

图9-14 创建shaft2与Central pin连接

图9-15 创建shaft2与Central pin连接(www.xing528.com)

④创建shaft1接地连接，在标准工具栏上单击，单击【Connections】→【Joints】→【Body Ground】→【Revolute】，参考体默认，运动体选择shaft1轴外表面，如图9-16所示；同样，单击【Connections】→【Joints】→【Body Ground】→【Revolute】，参考体默认，运动体选择shaft2轴外表面，如图9-17所示，其他默认。

（8）划分网格 由于各部件为刚体，不会产生网格，直接右键单击【Mesh】→【Generate Mesh】，即可。

图9-16 创建shaft1接地连接

图9-17 创建shaft2接地连接

（9）施加边界条件

①设置时间步，单击【Transient（A5）】→【Analysis Settings】→【Details of“Analysis Set-tings”】→【Step Controls】→【Step End Time】=4.2s，【Auto Time Stepping】=Off，其他默认。

②施加转动速度，单击【Connections】→【Joints】→【Revolute Ground To shaft1】，按着不放直接拖动到【Transient（A5）】下，【Joints】→【Details of“Joint Load”】→【Definition】→【Type】=Rotational Velocity，【Magnitude】=3rad/s，其他默认，如图9-18所示。

（10）设置需要结果

①在导航树上单击【Solution（A6）】。

②在求解工具栏上单击【Deformation】→【Total】。

（11）求解与结果显示

①在Mechanical标准工具栏上单击进行求解运算。

②求解结束后，单击【Total Deformation】，可以看到相应结果，如图9-19、图9-20所示。也可进行动画设置，显示运动。

图9-18 施加边界

图9-19 位移

（12）保存与退出

①退出Mechanical分析环境，单击Mechanical主界面的菜单【File】→【Close Mechani-cal】退出环境，返回到Workbench主界面，此时主界面的项目管理区中显示的分析项目均已完成。

②单击Workbench主界面上的【Save】按钮，保存所有分析结果文件。

③退出Workbench环境，单击Workbench主界面的菜单【File】→【Exit】退出主界面，完成项目分析。

点评：本例是万向节刚体动力分析，关键点是运动关节选择创建、边界设置。由于可把相关关节连接直接拖动到边界设置，模型不产生网格，并采用了无需迭代计算和收敛检查的显式积分求解技术方法，使得可以快速完成计算，也显现出该方法的高效性。

图9-20 运动轨迹及数据