基于ansys的連桿機(jī)構(gòu)的有限元分析設(shè)計(jì)【含CAD圖紙全套+畢業(yè)答辯論文】

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湘潭大學(xué)興湘學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 題 目： 連桿機(jī)構(gòu)的有限元分析 專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 學(xué) 號(hào)： 2010963028 姓 名： 譚磁安 指導(dǎo)教師： 周里群 完成日期： 2014 年 5 月 25 日 湘潭大學(xué)興湘學(xué)院 畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）任務(wù)書 論文（設(shè)計(jì)）題目： 連桿機(jī)構(gòu)的 有限元分析 學(xué)號(hào)： 2010963028 姓名： 譚磁安 專業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 指導(dǎo)教師： 周里群 系主任： 劉柏希 一、主要內(nèi)容及基本要求 1、 總結(jié)連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方法研究和連桿機(jī)構(gòu)研究的發(fā)展?fàn)顩r和發(fā)展趨勢(shì)，在總結(jié)前人研究成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合當(dāng)前的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，采用有限元方法來進(jìn)行開展研究。 2、闡述學(xué)習(xí)理論基礎(chǔ)，即 瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析 ,簡(jiǎn)要論述瞬態(tài) 參數(shù) ,識(shí)別原理。 3、簡(jiǎn)要論述 有限元方法和動(dòng)力學(xué)分析的基本求解過程，建立連桿機(jī)構(gòu)中的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的有限 元模型，合理的確定曲柄長(zhǎng)度及轉(zhuǎn)速、連桿長(zhǎng)度和轉(zhuǎn)速，偏距，選定和創(chuàng)建 單元類型 ，指點(diǎn)單元屬性，創(chuàng)建鉸鏈單元， 采用瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析 瞬態(tài)分析類型 對(duì)其進(jìn)行 瞬態(tài)分 析， 與圖解法進(jìn)行比較，驗(yàn)證有限元瞬態(tài)求解功能。 4、 聯(lián)系工程實(shí)際，對(duì)受力連桿進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力學(xué)學(xué)習(xí)。 二、重點(diǎn)研究的問題 1、 2 、 構(gòu)建幾何模型 3、 在三維鉸鏈單元 4、 單元類型選擇 和網(wǎng)絡(luò)劃分 5、 靜力學(xué)分析 三、進(jìn)度安排 序號(hào) 各階段完成的內(nèi)容 完成時(shí)間 1 查閱資料 2014 年 2月 下 旬 2 開題報(bào)告 2014 年 3月 上 旬 3 設(shè)計(jì) 2014 年 3月 中旬 4 分析、驗(yàn)證 2014 年 3月 下 旬 5 寫出初稿 2014年 4月 上、 中旬 6 寫出正式稿 2014年 5月 上中旬 7 答辯 2014 年 5月 下旬 四、應(yīng)收集的資料及主要參考文獻(xiàn) [1]高耀東，劉學(xué)杰 0例（第三版） 京：電子工業(yè)出版社， 2011. [2]孫波 安電子科技大學(xué)出版社， 2008. [3]溫正，張文電 有限元分析權(quán)威指南 械工業(yè)出版社， 2013. [4]歐陽周，汪振華，劉道德 南工業(yè)大學(xué)出版社， 1996. [5]華大年，華志宏 械工業(yè)出版社， 2008. [6]胡仁喜，康士廷 械工業(yè)出版社， 2012. [7]李紅云，趙社戌，孫雁 基礎(chǔ)及工程應(yīng)用 械工業(yè)出版社， 2008. [8]唐家瑋，馬喜川 爾濱工業(yè)大學(xué)出版社， 1995. [9]潘存云，唐進(jìn)元 南大學(xué)出版社， 2011. [10]李 皓月 ， 周田朋 ， 劉相新 中國(guó)鐵道出版社， 2003 湘潭大學(xué) 興湘學(xué)院 畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）評(píng)閱表 學(xué)號(hào) 2010963028 姓名 譚 磁 安 專 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）題目： 連桿機(jī)構(gòu)的有限元分析 評(píng)價(jià)項(xiàng)目 評(píng) 價(jià) 內(nèi) 容 選題 現(xiàn)學(xué)科、專業(yè)特點(diǎn)和教學(xué)計(jì)劃的基本要求，達(dá)到綜合訓(xùn)練的目的； 量是否適當(dāng)； 生產(chǎn)、科研、 社會(huì) 等實(shí)際 相 結(jié)合 。 能力 合歸納資料的能力； 究方法和手段的運(yùn)用能力； 論文 （設(shè)計(jì)）質(zhì)量 述是否充分，結(jié)構(gòu)是否嚴(yán)謹(jǐn)合理；實(shí)驗(yàn)是否正確，設(shè)計(jì)、計(jì)算、分析處理是否科學(xué)；技術(shù)用語是否準(zhǔn)確，符號(hào)是否統(tǒng)一，圖表圖紙是否完備、整潔、正確，引文是否規(guī)范； 無觀點(diǎn)提煉，綜合概括能力如何； 無創(chuàng)新之處。 綜 合 評(píng) 價(jià) 論文選題綜合性較強(qiáng)，基本符合機(jī)械專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)和要求；題目難度適中，與工業(yè)生產(chǎn)實(shí)際結(jié)合較為緊密。論文作者具有較 強(qiáng)的查閱文獻(xiàn)和綜合歸納資料的能力，綜合應(yīng)用本科所學(xué)知識(shí)能力較強(qiáng) 。 論文 理論 基本 正確，論述比 較充分，整體結(jié)構(gòu)尚可；設(shè)計(jì)計(jì)算比較科學(xué)，技術(shù)用語比較準(zhǔn)確，引文比較規(guī)范。文字通順，綜合概括能力較強(qiáng)；論文具有一定的參考價(jià)值。 同意進(jìn)行答辯。 評(píng)閱人： 2014 年 5 月 日 湘潭大學(xué)興湘學(xué)院 畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）鑒定意見 學(xué)號(hào) 2010963028 姓名 譚 磁 安 專業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 畢業(yè)論文 77 頁 圖 表 30 張 論文（設(shè)計(jì)）題目： 連桿機(jī)構(gòu)的有限元分析 內(nèi)容提要： 有限元分析是一個(gè)功能強(qiáng)大的通用分析軟件，廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。可用 來求解機(jī)構(gòu)、流體、電力、電磁場(chǎng)及碰撞等問題。此款軟件包括三個(gè)部分，即前處理模 塊、分析計(jì)算模塊、后處理模塊。其分析流程分為三個(gè)階段：建立有限元模型，加載與 與求解，查看與處理結(jié)果。 本課題是基于 件對(duì)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)進(jìn)行的瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析，與傳統(tǒng)的計(jì)算 相比，借助于計(jì)算機(jī)有限元分析方法能更加快并且精確地得到結(jié)果，設(shè)置正確的參數(shù)， 創(chuàng)建合理的單元類型，設(shè)置合理的求解過程，能夠準(zhǔn)確的分析出模型的正確求解值，對(duì) 機(jī)構(gòu)的優(yōu)化有著很大的幫助。本人在研究曲柄滑塊的發(fā)展現(xiàn)狀以及國(guó)內(nèi)研究的成果的基 礎(chǔ)上，結(jié)合傳統(tǒng)的計(jì)算，對(duì)結(jié)果進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆治?，取得較好的分析結(jié)果， 析結(jié) 果與理論分析結(jié)果較好的符合。同時(shí)還根據(jù)實(shí)際工程例子對(duì)受力連桿進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分 析，為連桿在工程的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供有效依據(jù)。 當(dāng)然在分析的過程中也會(huì)存在結(jié)果誤差， 析值與理論值的差異原因可能 對(duì)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)進(jìn)行 分析時(shí)輸入的彈性模量，泊松比的相關(guān)參數(shù)等對(duì)分析結(jié)果會(huì)有一定 的影響 。 指導(dǎo)教師評(píng)語 該生論文對(duì)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，并建立了有限元模型，對(duì)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)進(jìn)行有限元瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析， 同時(shí)還對(duì)單獨(dú)受力連桿進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析， 計(jì)算可靠、模型合理、分析清晰準(zhǔn)確。同意進(jìn)行答辯，并建議成績(jī)?cè)u(píng)為 。 指導(dǎo)教師： 年 月 日 答辯簡(jiǎn)要情況及評(píng)語 答辯小組組長(zhǎng)： 年 月 日 答辯委員會(huì)意見 答辯委員會(huì)主任： 年 月 日 目錄 摘要 .............................................................................................. 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 ................................................................................................................... 2 第一章 分析方法和研究對(duì)象 ............................................. 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 限單元法的概述 ........................................................ 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 限單元法的歷史 ............................................................................. 4 限單元法的基本概念 ..................................................................... 4 ............................................................................................. 4 要應(yīng)用領(lǐng)域 .......................................................................... 4 作界面 .................................................................................. 5 主要功能 .............................................................................. 6 要特點(diǎn) .................................................................................. 7 柄滑塊機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)介 ........................................................................................ 7 柄滑塊定義 ..................................................................................... 8 柄滑塊機(jī)構(gòu)特性應(yīng)用以及分類 ..................................................... 8 第二章 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的求解 ........................................................................... 10 柄滑塊機(jī)構(gòu)的問題描述 .......................................................................... 10 柄滑塊機(jī)構(gòu)問題的圖解法 ...................................................................... 10 解法準(zhǔn)備工作 ............................................................................... 11 解法操作步驟 ............................................................................... 11 第三章 有限元瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)概述 ...................................................................... 14 限元瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)定義 .............................................................................. 14 態(tài)動(dòng)力學(xué)問題求解方法 ............................................ 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 全法 ............................................................................................... 14 態(tài)分析法 ....................................................................................... 14 減法 ............................................................................................... 15 限元結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析基本概念 .............................................................. 15 限元結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析步驟 ...................................................................... 16 第四章 曲柄滑塊 的有限元 瞬態(tài)動(dòng)力學(xué) 分析 ....................................... 17 柄滑塊機(jī)構(gòu)瞬態(tài)簡(jiǎn)要概述 ...................................................................... 17 ....................................................... 18 義工作名和參量 ........................................................................... 18 建單元類型和屬性 ....................................................................... 18 立模型 ........................................................................................... 20 ................................................................................ 22 義約束 ........................................................................................... 23 解 ................................................................................................... 24 處理 ............................................................................................... 24 看、分析結(jié)果得出結(jié)論 ............................................................... 25 第 五 章 連桿的結(jié)構(gòu)靜力學(xué)有限元 分析 ............................................... 27 ........................................................................... 27 處理 ............................................................................................... 27 加約束和載荷并求解 ................................................................... 33 處理 ............................................................................................... 33 總結(jié)與展望 .............................................................................................................. 36 參考文獻(xiàn) .................................................................................................................. 37 致謝 ............................................................................................................................ 38 附錄 1 ......................................................................................................................... 39 附錄 2 ......................................................................................................................... 55 1 連桿機(jī)構(gòu)的有限元分析 摘要 ： 基于 有限元分析是一個(gè)功能強(qiáng)大的通用有限元分析軟件，目前廣泛的用于船舶，汽車，航天航空，土木工程，機(jī)械制造及其科學(xué)研究領(lǐng)域。這款軟件從最初的 只能在大型機(jī)上使用、僅僅提供熱分析的和線性結(jié)構(gòu)分析功能的批處理程序，發(fā)展成一個(gè)融結(jié)構(gòu)、流體、電場(chǎng)、磁場(chǎng)、聲場(chǎng)分析于一體的可在大多數(shù)計(jì)算機(jī)及操作系統(tǒng)中運(yùn)行的大型通用有限元分析軟件。 連桿機(jī)構(gòu)是是工程中常見的一種機(jī)構(gòu)，其中曲柄滑塊機(jī)構(gòu)是連桿機(jī)構(gòu)的一種，應(yīng)用十分廣泛， 比如在柴油機(jī)上的應(yīng)用。隨著工程科技的發(fā)展，對(duì)其精度也有很搞得要求。 本課題是基于 態(tài)動(dòng)力學(xué) 分析，與傳統(tǒng)的計(jì)算相比，借助于計(jì)算機(jī)有限元分析方法能更加快并且精確地得到結(jié)果，設(shè)置正確的參數(shù)，創(chuàng)建合理的單元類型，設(shè)置合理的求解過程，能夠準(zhǔn)確的得出 分析模型的正確求解值，對(duì)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化有很大的幫助。 當(dāng)然在分析過程中也會(huì)存在結(jié)果誤差， 析值與理論值有差異的原因可能是對(duì)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析時(shí)輸入的彈性模量，泊松比的相關(guān)參數(shù)等對(duì)分析結(jié)果有一定的影響。 關(guān)鍵詞：連桿機(jī)構(gòu)；曲柄滑塊機(jī)構(gòu)；有限元法； 態(tài)動(dòng)力學(xué)分析 2 of is a it is in it be on It a in on in is a is an of a of in a of is is on on of is of a Of in is a be to of of s of a on 第一章 分析方法和研究對(duì)象 1． 1 有限單元法 概述 有限單元法（ 的基本理念是用較簡(jiǎn)單的問題代替復(fù)雜問題后再求解。它將求解域看成由許多稱為有限元的小的互連子域組成，對(duì)每一個(gè)單元假定一個(gè)合適的近似解，然后推導(dǎo)求解這個(gè)域總的滿足條件，從而得到問題的解。這個(gè)解不是準(zhǔn)確解，而是近似解，因?yàn)閷?shí)際問題被比較簡(jiǎn)單的問題所代替。由于大多數(shù)實(shí)際問題難以得到準(zhǔn)確解，而有限元不僅精度高，而且能適應(yīng)各種復(fù)雜形狀，因而成為行之有效的工程分析手段。 限單元法的歷史 有限單元法早在 40年代初期就已有人提出，但當(dāng)時(shí)由于沒有計(jì)算工具而擱置，一直到 50年代中期，高速數(shù)字電子計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)和發(fā)展為有限單元法的應(yīng)用提供了重要的物質(zhì)條件，才使有限單元法得以迅速發(fā)展。 有限單元法在西方起源于飛機(jī)和導(dǎo)彈的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，發(fā)表這方面文章最早而且最有影響的是西德的 1954– 1955年間，他在《 發(fā)表了許多有關(guān)這方面的論文，并在此基礎(chǔ)上寫成了《能量原理與結(jié)構(gòu)分析》，此書成為有限單元法的理論基礎(chǔ)。美國(guó)的 人于 1956年發(fā)表了一篇題為《復(fù)雜結(jié)構(gòu)的剛度和撓度分析》一文，此文提出了計(jì)算復(fù)雜結(jié)構(gòu)剛度影響系數(shù)的方法，說明了如何利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析。美國(guó)教授 960年在一篇介紹平面應(yīng)力分析的論文中，首次提出了有限單元法的名字。 1965 年英國(guó)的 授及其合作者解決了將有限元應(yīng)用于所有場(chǎng)的問題，使有限單元法的應(yīng)用范圍更加廣泛。 有限單元法的優(yōu)點(diǎn)很多，其中最突出的優(yōu)點(diǎn)是應(yīng)用范圍廣。發(fā)展至今，不僅能解決靜態(tài)的、平面的、最簡(jiǎn)單的桿系結(jié) 構(gòu)，而且還可以解決空間問題、板殼問題、結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性問題、動(dòng)力學(xué)問題、彈塑性問題和粘彈性問題、疲勞和脆性斷4 裂問題以及結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)問題 ， 而且不論物體的結(jié)構(gòu)形式和邊界條件如何復(fù)雜，也不論材料的性質(zhì)和外載荷的情況如何，原則上都能應(yīng)用 。 限單元法的 基本概念 有限單元法的基本思想，是在力學(xué)模型上將一個(gè)原來連續(xù)的物體離散成為有限個(gè)具有一定大小的的單元，這些單元僅在有限個(gè)節(jié)點(diǎn)上相連接，并在節(jié)點(diǎn)上引進(jìn)等效力以代替實(shí)際作用于單元上的外力。對(duì)于每個(gè)單元，根據(jù)分塊近似的思想，選擇一種簡(jiǎn)單的函數(shù)來表示單元內(nèi)位移的分布規(guī)律，并 按彈性理論中的能量原理（或用變分原理）建立單元節(jié)點(diǎn)力和節(jié)點(diǎn)位移之間的關(guān)系。最后，把所有的單元的這種關(guān)系式集合起來，就得到一組以節(jié)點(diǎn)位移為未知量的代數(shù)方程組，解這些方程組就可以求出物體上有限個(gè)離散節(jié)點(diǎn)上的位移。 結(jié)構(gòu)離散（有限元建模）的內(nèi)容有網(wǎng)格劃分，把結(jié)構(gòu)按一定規(guī)則分割成有限單元和邊界條件處理。其中要求離散結(jié)構(gòu)必須與原始結(jié)構(gòu)保形 —— 單元的幾何特性，一個(gè)單元內(nèi)的物理特性必須相同 —— 單元的物理特性。 單元與節(jié)點(diǎn)中單元（即原始結(jié)構(gòu)）離散后滿足一定幾何特性的最小結(jié)構(gòu)域。節(jié)點(diǎn)即單元與單元間的連接點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)力即單元與單元間通過節(jié)點(diǎn)的相互作用力。節(jié)點(diǎn)載荷即作用于節(jié)點(diǎn)上的外載。 選擇位移函數(shù)的一般原則：位移函數(shù)在單元節(jié)點(diǎn)的值應(yīng)等于節(jié)點(diǎn)位移，即單元內(nèi)部是連續(xù)的；所選位移函數(shù)必須保證有限元的解收斂于真實(shí)解。要注意的是，為了便于微積分運(yùn)算，位移函數(shù)一般采用多項(xiàng)式形式，在單元內(nèi)選取適當(dāng)階次的多項(xiàng)式可得到與真實(shí)解接近的近似解。 1． 2 本 軟件簡(jiǎn)介 體、電場(chǎng)、磁場(chǎng)及聲場(chǎng)分析于一體的大型通用有限元分析軟件，由作為世界 上最大的有限元分析軟件公司之一的美國(guó) 它能與多數(shù) 現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換，是現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)中應(yīng)用的高級(jí) 主要應(yīng)用領(lǐng)域 以用來求解結(jié)構(gòu)，流體，電磁場(chǎng)及碰撞等問題。因此它可應(yīng)用于以下工業(yè)領(lǐng)域：航天航空、汽車工業(yè)、生物醫(yī)學(xué)、橋梁、建筑、電子產(chǎn)品、重型機(jī)械、微機(jī)電系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)器械等 。 作界面 圖 1與操作界面同時(shí)打開的還有圖 1口 6 圖 1定 口 人所選擇的是 為本人所需要分析的課題中涉及到三維鉸鏈單元的運(yùn)用，而 命令。 （ 1） 結(jié)構(gòu)靜力分析 結(jié)構(gòu)靜力分析用于載荷不隨時(shí)間變化的場(chǎng)合，是機(jī)械專業(yè)應(yīng)用最多的一種分析類型。 靜力分析不僅可以進(jìn)行線性分析，還支持非線性分析，例如接觸、塑性變形、蠕變、大變形、大應(yīng)變問題的分析。 （ 2）結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析 動(dòng)力學(xué)分析包括模態(tài)分析、諧響應(yīng)分析、瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析。模態(tài)分析，用于計(jì)算結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型。諧響應(yīng)分析，用于計(jì)算結(jié)構(gòu)對(duì)正弦載荷的響應(yīng)。瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析，用于計(jì)算結(jié)構(gòu)對(duì)隨時(shí)間任意規(guī)律變化的載荷的響應(yīng)，而且可7 以包含非線性特性。 動(dòng)力學(xué)分析包括質(zhì)量和阻尼效應(yīng)。 （ 3）結(jié)構(gòu)非線性分析 括材料非線性、幾何非線性和單元非線性三種。結(jié)構(gòu)非線性導(dǎo)致結(jié)構(gòu)或部件的響應(yīng)隨外載荷不成比例變化 。 （ 4）熱分析 熱分析通過模擬熱傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射三種熱傳遞方式，以確定物體中的溫度分布?？梢赃M(jìn)行穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)熱分析，可以進(jìn)行線性和非線性分析，可以模擬材料的凝固和溶解過程。 （ 5）電磁場(chǎng)分析 電感、電容、磁通量密度、渦流、電場(chǎng)分布、磁力線、力、運(yùn)動(dòng)效應(yīng)、電路和能量損失等。分析的磁場(chǎng)可以是二維的或三維的，可以是靜態(tài)的、瞬態(tài)的或諧波的，可以是低頻的或高頻的。還可以解決靜電學(xué)、電流傳導(dǎo)、電路耦合等電磁場(chǎng)相關(guān)問題。 （ 6）電磁場(chǎng)分析 析類型可以為瞬態(tài)或穩(wěn)態(tài)。分析結(jié)果可以是每個(gè)節(jié)點(diǎn)的壓力和通過每個(gè)單元的流率。并且可以利用后處理功能產(chǎn)生壓力、流率和溫度分布的圖形顯示。另外，還可以使用三維表面效應(yīng)單元和熱－流管單元模擬結(jié)構(gòu)的流體繞流并 包括對(duì)流換熱效應(yīng)。 特點(diǎn) （ 1） 不但可以進(jìn)行對(duì)結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁場(chǎng)等物理現(xiàn)象的單獨(dú)研究，還可以進(jìn)行這些物理現(xiàn)象的相互影響研究。 （ 2） 集合前后處理、求解及多場(chǎng)分析等功能于一體。 8 （ 3） 具有強(qiáng)大的非線性分析功能。 （ 4） 良好的用戶界面，且在所有硬件平臺(tái)上具有同一界面，使用方便。 （ 5） 強(qiáng)大的二次開發(fā)功能，應(yīng)用宏、參數(shù)設(shè)計(jì)語言、用戶可編程特性、用戶自定義語言、外部命令等功能，可以開發(fā)出適合用戶自己特點(diǎn)的應(yīng)用程序，對(duì) （ 6） 提供多種自動(dòng)網(wǎng)格劃分工具，可以進(jìn)行智能網(wǎng)格劃分。 （ 7） 提供了常用 精確地將在 ，并對(duì)其進(jìn)行操作。 （ 8） 在有限元分析煩人基礎(chǔ)上，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，這是 一無二的功能。 1． 3 研究對(duì)象之曲柄滑塊 機(jī)構(gòu) 簡(jiǎn)介 在機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)中，曲柄滑塊機(jī)構(gòu)是一種常用的機(jī)構(gòu)，它將曲柄的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為滑塊在直線上的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，是壓氣機(jī)、沖床、活塞式水泵等機(jī)械的主機(jī)構(gòu)。 比如 活 塞式發(fā)動(dòng)機(jī)以滑塊為主動(dòng)件，把往復(fù)移動(dòng)轉(zhuǎn)換為不整周或整周的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；壓縮機(jī)、沖床以曲柄為主動(dòng)件，把整周轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為往復(fù)移動(dòng)。 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)定義 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)是鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的演化形式。由若干剛性構(gòu)件用低副（回轉(zhuǎn)副、移動(dòng)副）聯(lián)接而成的一種機(jī)構(gòu)。是由曲柄（或者曲軸、偏心輪）、連桿、滑塊通過移動(dòng)副和轉(zhuǎn)動(dòng)副組成的機(jī)構(gòu)。 2 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的特性應(yīng)用及分類 9 常用于將曲柄的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變換為滑塊的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)；或者將滑塊的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為曲柄的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、對(duì)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)特性分析是當(dāng)已知各機(jī)構(gòu)件尺寸參數(shù)、位置參數(shù)和原動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律時(shí)，研究機(jī)構(gòu)其余構(gòu)件上各點(diǎn)的軌跡、位移、速度、加速度等，從而評(píng)價(jià)機(jī)構(gòu)是否滿足工作性能要求，機(jī)構(gòu)是否發(fā)生運(yùn)動(dòng)干涉等。曲 柄滑塊機(jī)構(gòu)具有運(yùn)動(dòng)副為低副，各元件間為面接觸，構(gòu)成低副兩元件的幾何形狀比較簡(jiǎn)單，加工方便，易于得到較高的制造精度等優(yōu)點(diǎn)，因而在包括煤礦機(jī)械在內(nèi)的各類機(jī)械中得到了廣泛的應(yīng)用，如自動(dòng)送料機(jī)構(gòu)、沖床、內(nèi)燃機(jī)空氣壓縮機(jī)等。 根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將其分成 3大類：對(duì)心曲柄滑塊、偏置曲柄滑塊、偏心輪機(jī)構(gòu)。 10 第 二 章 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的求解 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的問題描述 圖 2柄長(zhǎng)度 R=250 桿長(zhǎng)度 L=620 e=200 柄為原動(dòng)件，轉(zhuǎn)速為 0 r/滑塊 3的位移 度 速度 2． 2 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的問題圖解法 因本人此階段正學(xué)習(xí) 版本，所以圖解法就用此軟件進(jìn)行求解，其求解過程將會(huì)一步步截圖呈現(xiàn)。 解法 準(zhǔn)備工作： 由圖 2柄滑塊機(jī)構(gòu)，聯(lián)系機(jī)械原理的有關(guān)平面四桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)的知識(shí)，可以計(jì)算出滑塊在最遠(yuǎn)處和最近處 時(shí)曲柄和連桿共線的長(zhǎng)度，按圖示字母，有： = 250 + 620 = 870 C” = 620 – 250 = 370 2曲柄滑塊機(jī)構(gòu) 11 圖解法操作步驟 1， 打開 擇“草繪”，建立中心線，確定 如圖 2 2，通過水平中心線和偏心距的 定滑塊 上， 圖 2，依據(jù)準(zhǔn)備工作中的最遠(yuǎn)畫出最遠(yuǎn)的距離，即 , = 870 2 圖 2，依據(jù)準(zhǔn)備工作中的最遠(yuǎn)畫出最遠(yuǎn)的距離，即 , = 370 2，通過標(biāo)注，可以得到滑塊位移 S=圖所示， 13 圖 2,同時(shí)還能得出極位夾角 θ = 圖 2，通過極位夾角，得到行程速比系數(shù) ?? ??? ??K，由于機(jī)構(gòu)一個(gè)工作循環(huán)周期2601?? 以機(jī)構(gòu)工作行程經(jīng)歷的時(shí)間 ?? 回行程經(jīng)歷的時(shí)間 ?? s。 14 第三章 有限元瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)和結(jié)構(gòu)機(jī)構(gòu)靜力學(xué)概述 限元瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析定義 瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析，又稱時(shí)間歷程分析，主要用于確定結(jié)構(gòu)承受隨時(shí)間按任意規(guī)律變化的載荷時(shí)的響應(yīng)。它可以確定結(jié)構(gòu)在靜載荷、和正弦載荷的任意組合作用下隨時(shí)間變化的位移、應(yīng)力和應(yīng)變。 態(tài)動(dòng)力學(xué)問題的求解方法 瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析也采用縮減法（ 模態(tài)疊加法（ ,完全法（ 種方法。 1 完全法 完全法采用完整的系統(tǒng)矩陣計(jì)算瞬態(tài)響應(yīng)。它是三種方法匯總功能最強(qiáng)的，允許包括各類非線性特性（塑性、大變形、大應(yīng)變等）。如果并不想包括任何非線性，應(yīng)當(dāng)考慮使用另外兩種方法中的一種。這是因?yàn)橥耆ㄊ?3種方法中開銷最大的一種。 完全法容易使用，不必關(guān)心選擇主自由度或振形，允許各種類型的非線性特性，采用完整矩陣，不涉及質(zhì)量矩陣近似，一次分析就能得到所有位移和應(yīng)力，允許施加所有類型的載荷，還允許通過 組參數(shù)指定表邊界條件，允許在實(shí)體模型上施加載荷。 完全法的主要缺點(diǎn)是它比其他的方法開銷大。 模態(tài)疊加法 15 模態(tài)疊加法通過對(duì)模態(tài)分析得到的振形（特征值）乘上因子并求和來計(jì)算結(jié)構(gòu)的響應(yīng)。此方法是 于許多問題，模態(tài)疊加法比縮減法或完全法更快，開銷更小。 模態(tài)疊加法整個(gè)瞬態(tài)分析過程中時(shí)間步長(zhǎng)必須保持恒定，不允許采用自動(dòng)時(shí)間步長(zhǎng)唯一允許的非線性是簡(jiǎn)單的點(diǎn)點(diǎn)接觸（間隙條件）；不能施加強(qiáng)制位移。 縮減法 縮減法通過采用主自由度及縮減矩陣壓縮問題規(guī)模。在主自由度處的位移計(jì)算出來后， 將擴(kuò)展到原有的完整自由度集上?？s減法比完全法快且開銷小，其缺點(diǎn)是初始解只計(jì)算主自由度的位移，第二步進(jìn)行擴(kuò)展，計(jì)算得到完整空間上的位移、應(yīng)力和力；不能施加單元載荷（壓力、溫度等），但允許施加加速度。所有載荷必須在用戶定義的主自由度上（限制在實(shí)體模型上施加載荷）、整個(gè)瞬態(tài)分析過程時(shí)間步長(zhǎng)必須保持恒定，不允許用自動(dòng)時(shí)間步長(zhǎng)。唯一允許的非線性是簡(jiǎn)單的點(diǎn)點(diǎn)接觸（間隙條件）。 限元 機(jī)構(gòu)靜力學(xué)分析基本概念 靜力學(xué)分析計(jì)算是在固定不變載荷作用下結(jié)構(gòu)的響應(yīng)，它不考慮慣性和阻尼的影響?？墒?，靜力分析可以計(jì)算 那些固定不變的慣性載荷對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，以及那些可以近似俄日等價(jià)靜力作用的隨時(shí)間變化的載荷的作用。 靜力學(xué)分析用于計(jì)算由那些不包括慣性和阻尼效應(yīng)的載荷作用于結(jié)構(gòu)或部件上引起的位移、應(yīng)力、應(yīng)變和力。固定不變是的載荷和響應(yīng)是一種假設(shè)，即假定載荷和結(jié)構(gòu)響應(yīng)隨時(shí)間的變化非常緩慢。靜力學(xué)分析所施加的載荷包括外部施加的作用力和壓力、穩(wěn)態(tài)的慣性力、強(qiáng)迫位移。溫度載荷以及能流等。 16 限元 機(jī)構(gòu)靜力學(xué)分析分析步驟 靜力學(xué)分析過程呀一般分為三個(gè)步驟： 1， 建立模型，其中模型可以通過三維軟件導(dǎo)入或者由 2， 施加載荷并求解； 3， 檢查結(jié)果。 17 第四章 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的瞬態(tài)有限元分析 本分析仍然屬于瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析，分析過程與普通的瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析基本相同。其關(guān)鍵在于三維鉸鏈單元 在此簡(jiǎn)單介紹。 柄滑塊瞬態(tài) 分析 簡(jiǎn)要 概述 三維鉸鏈 元屬于三維單元，有 5個(gè)節(jié)點(diǎn)，分別是活躍節(jié)點(diǎn) 、用以定義鉸鏈軸的節(jié)點(diǎn) K、控制節(jié)點(diǎn) L 和 M（圖 15活躍節(jié)點(diǎn) I 和 J 應(yīng)該位置重合，并且分屬于 和 B， 和 B 是一個(gè)單元或單元集合。如果節(jié)點(diǎn) 鉸鏈軸為全球笛卡爾坐標(biāo)系的 另外，本分析必須將大變形選項(xiàng)打開 柄滑塊有限元瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析步驟 1 定義 工作名 和參量 圖 4三維鉸鏈單元 8 1， 定義工作名 和選擇文件存放位置 ： 在開始的菜單中 打開 的 在 選擇文件存放的位置，在 輸入 后點(diǎn)擊 進(jìn)入 2， 定義參量： 選擇 出的對(duì)話框，在“ 文本框中輸入 單擊“ 按鈕；再在“ 文本框中依次輸入 R=柄長(zhǎng)度）、 L=桿長(zhǎng)度）、 E=距）、 0（曲柄轉(zhuǎn)速）、 T=60/柄轉(zhuǎn)動(dòng)一周所需時(shí)間，單位： s）、 (R+L))、 、 （鉸鏈 *R*（鉸鏈 B 坐標(biāo)）、 R+L)* E（鉸鏈 C 坐標(biāo)），同時(shí)單擊“ 按鈕； 如圖 4最后，單擊 對(duì)話框的“ 鈕。 圖 4參量對(duì)話框 建單元類型 和屬性 1， 創(chuàng)建單元類型： 選擇 出 的對(duì)話框，單擊“ 鈕；在左側(cè)列表中選19 “ 在右側(cè)列表中選“ ”， 單擊“ 按鈕；再在左側(cè)列表中選“ 右側(cè)列表中選“ 3D ” , 單擊“ 按鈕；單擊對(duì)話框的“ 鈕。 如果 4 圖 4單元類型 2， 定義材料特性： 選擇 出的對(duì)話框，在右側(cè)列表中依次雙擊“ “ “ “ 彈出的對(duì)話框，在“ 本框中輸入 2性模量），在“ 文本框中輸入 松比），單擊“ 按鈕；再雙擊右側(cè)列表中“ “ 彈出圖 15“ 本框中輸入 1度。近似為 0，即不考慮各桿的慣性力），單擊“ 按鈕。然后關(guān)閉的對(duì)話框。 如圖 4 圖 4單元材料特性 3，定義實(shí)常數(shù)： 選擇 0 對(duì)話框， 單擊“ 鈕， 彈出對(duì)話框，在列表中選擇“ 單擊“ 按鈕，彈出對(duì)話框 ， 在“ “ “ “ 本框中分別輸入 1110，單擊“ 按鈕；返回到對(duì)話框， 再次單擊“ 鈕，彈出對(duì)話框，在列表中選擇“ 單擊“ 鈕，彈出對(duì)話框 ，在“ “ “ “ “ 本框中分別輸入 4擊“ 按鈕；返回到對(duì)話框，單擊“ 鈕。 如圖 4 圖 4單元常實(shí)數(shù) 建立模型 1， 創(chuàng)建節(jié)點(diǎn)： 選擇 n S。 在彈出的對(duì)話框中一次輸入 如表 4據(jù)，然后 單擊“ 按鈕。 節(jié)點(diǎn)號(hào) X Y Z 1 Y 0 2 Y 0 3 Y 0 4 Y 0 5 Y 4點(diǎn)列表 21 2， 指定單元 1屬性： 選擇 出對(duì)話框，選擇下拉列表框“ “ 1 選擇下拉列表框“ “ 1”，選擇下拉列表框“ “ 1”，單擊“ 鈕。 3， 創(chuàng)建鉸鏈單元： 選擇 出拾取窗口，在拾取窗口的文本框中輸入 2,3,5，單擊“ 按鈕，于是在節(jié)點(diǎn) 2和 3處（即 建了一 個(gè)鉸鏈單元。 如圖 4 圖 4創(chuàng)建鉸鏈單元 4，指定單元 2屬性： 選 出對(duì)話框，選擇下拉列表框“ “ 2 ”，選擇下拉列表框“ “ 1”，選擇下拉列表框“ “ 2”，單擊“ 鈕。 5， 創(chuàng)建梁?jiǎn)卧?用來模擬各個(gè)桿，拾取 出拾取窗口，在拾取窗口的文本框中輸入 1,2，單擊“ 按鈕；再在拾取窗口的文本框中輸入 3,4，單擊“ 按鈕。于是創(chuàng)建了 2個(gè)梁?jiǎn)卧?2個(gè)梁?jiǎn)卧?圖 4 22 圖 4創(chuàng)建梁?jiǎn)卧? 進(jìn)入求 解器設(shè)置 1， 指定分析類型： 拾取 在彈出的“ 話框中，選擇“ “ 單擊“ 按鈕，在隨后彈出的“ 話框中，單擊“ 按鈕。 圖 4選擇分析類型 2， 打開大變形選項(xiàng)： 選擇 出所示的對(duì)話框，將“ 開，單擊“ 按鈕。 23 3， 確定載荷步時(shí)間和時(shí)間步長(zhǎng)： 選擇 Main