回转臂刚柔耦合分析-有限元分析入门与应用

1.问题描述

某回转臂由滑块、连杆、连架杆组成，材料为结构钢，若连杆以2mm/s的速度移动，其他相关参数在分析过程中体现。试求连杆所受的力、回转臂变形及应力。

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 Sys-tems】中双击或拖动刚体动力分析项目【Rigid Dynamics】到项目分析流程图，如图9-21所示。

②在Workbench的工具栏中单击【Save】，保存项目工程名为Pivot arm.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 回转臂的材料为结构钢，采用默认数据。

图9-21 创建回转臂刚体动力分析项目

（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Pivot arm.agdb，打开导入几何模型。模型文件在D：\AWB\Chap-ter09文件夹中。

（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 回转臂的材料为结构钢，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cylbase与Slider slot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cylbase销轴外表面，运动体选择Sli-der slot一端孔内表面，如图9-22所示，其他默认。

③创建Slider slot与Pivot arm连接，在标准工具栏上单击，单击【Connections】→【Joints】→【Body Body】→【Revolute】，参考体选择Slider slot另一端孔内表面，运动体选择Pivot arm一端孔内表面，如图9-23所示，其他默认。

图9-22 创建cylbase与Slider slot连接

图9-23 创建Slider slot与Pivot arm连接

④创建rod与Pivot arm连接，在标准工具栏上单击，单击【Connections】→【Joints】→【Body Body】→【Revolute】，参考体选择rod销轴外表面，运动体选择Pivot arm另一端孔内表面，如图9-24所示，其他默认。

⑤创建cylbase与rod连接，在标准工具栏上单击，单击【Connections】→【Joints】→【Body Body】→【Translational】，参考体选择cylbase圆柱内圆表面，运动体选择rod圆柱外表面，如图9-25所示，其他默认。

⑥创建Slider slot接地连接，在标准工具栏上单击，单击【Connections】→【Joints】→【Body Ground】→【Fixed】，参考体默认，运动体选择Slider slot底面表面，如图9-26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9-24 创建rod与Pivot arm连接

图9-25 创建cylbase与rod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】=30s，其他默认。

②设置加速度，单击【Transient（A5）】→【Inertial】→【Acceleration】→【Details of“Accel-eration”】→【Definition】→【Define By】=Component，Y Component=9806.6mm/s²。

③设置移动速度，单击【Connections】→【Joints】→【Translational cylbase To rod】，按着不放直接拖动到【Transient（A5）】下，【Joints】→【Details of“Joint Load”】→【Definition】→【Type】=Velocity，【Magnitude】=2mm/s，其他默认，如图9-27所示。

图9-26 创建Slider slot接地连接

图9-27 施加边界(www.xing528.com)

（10）设置需要结果 在导航树上，单击【Connections】→【Joints】→【Translational cyl-base To rod】，按着不放直接拖动到【Solution（A6）】下，【Joint Probe】→【Details of“Joint Probe”】→【Options】→【Result Selection】=X Axis，其他默认。

（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【Joint Probe】，可以看到相应结果，如图9-28、图9-29所示。也可进行动画设置，显示机构运动。

（12）创建刚柔耦合分析

①创建分析项目，返回到Workbench主界面，在工具箱【Toolbox】的【Analysis Systems】中拖动多柔性系统动力分析项目【Transient Structural】到项目分析流程图，并与刚体动力分析项目连接共享【Engineering Data】、【Geometry】、【Model】三项，如图9-30所示。

图9-28 位移

图9-29 运动轨迹及数据

图9-30 创建刚柔耦合分析

②进入Mechanical分析环境，在多系统动力分析项目上，右键单击【Setup】→【Edit】进入Mechanical分析环境。

③转换回转臂刚性行为，在导航树上，单击【Geometry】并展开，单击【pivot arm】→【Details of“pivot arm”】→【Definition】→【Stiffness Behavior】=Flexible，其他默认。

④划分网格，在标准工具栏上单击，选择实体然后选择【pivot arm】，单击【Mesh】→【Insert】→【Sizing】→【Body Sizing】→【Details of“Body Sizing”Sizing】→【Sizing】→【Ele-ment Size】=2mm；右键单击【Mesh】→【Generate Mesh】，图形区域显示程序生成的六面体单元为主体网格模型，如图9-31所示。

⑤设置时间步，单击【Transient 2（B5）】→【Analysis Settings】→【Details of“Analysis Set-tings”】→【Step Controls】→【Step End Time】=30s，【Initial Time Step】=0.01s，【Minimum Time Step】=0.01s，【Maximum Time Step】=0.05s，其他默认。

⑥施加边界，单击【Transient（A5）】，选择【Acceleration】、【Joint Velocity】，然后单击鼠标右键选择【Copy】，鼠标右键单击【Transient 2（B5）】，然后选择【Paste】，结果如图9-32所示。

图9-31 网格划分

图9-32 施加边界

⑦设置所需结果，在导航树上单击【Solution（B6）】，在求解工具栏上单击【Deforma-tion】→【Total】；【Stress】→【Equivalent Stress】。

（13）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运算结束后，单击【Total Deformation】、【Equivalent Stress】，可以查看回转臂的变形和应力云图，如图9-33～图9-36所示。

图9-33 位移云图

图9-34 位移轨迹及数据

（14）保存与退出

①单击Mechanical主界面的菜单【File】→【Close Mechanical】退出环境，返回到Work-bench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。

图9-35 应力云图

图9-36 应力变化规律及数据

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：本例是回转臂刚柔耦合分析，分为两步：第一步采用刚体动力分析，充分运用独有显式的时间积分快捷求解技术；第二步采用刚体与柔体结合的刚柔耦合分析。关键点是运动关节选择创建、设置边界、设置时间步和后处理。