曲轴连杆机构的的有限元模型毕业设计说明书(编辑修改稿)

曲轴连杆机构的的有限元模型毕业设计说明书(编辑修改稿)内容摘要：

”命令添加连杆体与连杆衬套，选择“装配约束”中的“中 心”命令，完成两者的装配。 用同样方法将活塞销、活塞和连杆盖、连杆轴瓦添加并装配，形成活塞连杆组。 如下图 220： 图 220 活塞连杆组 （ 2）重新打开一个 .assembly2 文件，进行曲轴飞轮组的装配。 添加曲轴和飞轮后，选择 “装配约束“中的“距离”及“同心”命令，完成装配 图 221。 图 221 曲轴飞轮组 第二章 曲轴连杆机构三维几何模型的建立 12 （ 3）然后在 .assembly2 文件中添加 .assembly1 中的活塞连杆组件，选择“装配约束”中的“中心”命令，在四个曲柄销上分别进行活塞连 杆组与曲轴飞轮组的装配，最后形成了曲轴连杆机构的三维实体模型 如图222。 图 222 曲轴连杆机构 本章小结 本章简单的介绍了 UG 软件的特点及功能，并且利用 UG 建立了曲轴连杆机构各构件图，之后利用 UG 的装配 功能进行零件装配，形成曲轴连杆机构的三维几何模型。 第三章 有限元动力学分析理论 13 第三章 有限元动力学分析理论 有限元的理论基础 有限元的概念：把一个原来是连续的物体划分为有限个单元，这些单元通过有限个节点相互连接，承受与实际载荷等效的节点载荷，并根据力的平衡条件进行分析，然后根据变形协调条件把这些单元重新组合成能够整体进行综合求解。 有限元法：是指用有限单元将结构弹性域或空气域离散化，根据力学方程或声学波动方程，得到联立代数方程式，通过求解代数方程式得到振动或声学特性的方法。 有限元法的基本思想 — 离散化。 有限元法实质上是 把具有无限自由度的连续系统，近似等效为只有有限自由度的离散系统，使问题转化为适合于数值求解的数学问题。 首先，把连续系统离散为数目有限的单元，单元之间仅在数目有限地指定点（称为节点）处相互连接，构成一个单元集合体以代替原来连续系统。 把实际作用于结构上的载荷或边界条件向节点上移植，以和原载荷或边界条件等效。 然后，对每个单元采用分块近似的思想，选择一个插值函数建立待求节点位置与单元内部的关系，引入几何方程、物理方程等对每个单元的特性进行分析。 把所有单元的这种特性关系按一定的条件（连续条件、变分原理或 能量原 理）集合起来，引入边界条件，构成一组以节点变量（位移、温度、电压等）为未知量的代数方程组，求解方程组即可得到有限个节点处的待求变量。 有限元的基本求解步骤：（ 1）结构的离散化。 （ 2）选择插值函数。 （ 3）建立控制方程。 （ 4）求解节点变量。 （ 5）计算单元中的其他导出量 由于有限元法在解决工程技术问题时的灵活、快速及有效性，再加上第三章 有限元动力学分析理论 14 它有成熟的大型软件系统支持，所以发展非常迅速。 最初有限元法被用来研究飞机结构中的应力问题，目前，其解题范围己经包括了各个领域 (固体力学、生物力学、流体场、电磁场、温度场、声场 )的数 理方程；已经成为解数理方程的一种非常受欢迎的，应用极广的数值计算方法。 模态分析的理论基础 模态：模态是结构的固有振动特性，每一个模态具有特定的固有频率、阻尼比和模态振型。 模态分析：将线性定常系统振动微分方程组中的物理坐标变换为模态坐标，使方程组解耦，成为一组以模态坐标及模态参数描述的独立方程，以便求出系统的模态参数。 坐标变换的变换矩阵为模态矩阵，其每列为模态振型。 模态分析用于确定设计结构或机器部件的振动特性，即结构的固有频率和振型 ， 它们是承受动态载荷结构设计中的重要参数。 模态分析是其它振动分 析的基础， 例如瞬态动力学分析、 谐响应分析和谱分析，也是进行谱分析或模态叠加法谐响应分析或瞬态动力学分析所必需的前期分 析 过程。 模态分析的作用：识别出系统的模态参数，为结构系统的振动特性分析、振动故障诊断和预报以及结构动力特性的优化设计提供依据。 通过结构的模态分析可以有效地选择合理的设计方案，对结构进行有效的验证。 模态分析是结构动态设计的核心，是进行振动和噪声预测的基础。 根据振动理论，多自由度系统以某个固有频率振动时所呈现出的振动形态为模态 ,此时系统各点位移存在一定的比例关系 ,称固有振型。 模态分析的核心内容就 是确定描述结构系统动态特性的参数。 在结构模态分析中，机械结构可以看成多自由度的振动系统，具有多个固有频率，在阻抗试验中表现为多个共振区。 一个 N 自由度线性结构系统，其运动微分方程为：            . . .M q C q K q F t   （ 1） 第三章 有限元动力学分析理论 15 式中：  M — 质量矩阵； C — 阻尼矩阵； K — 刚度矩阵； ..q — 加速度向量； .q — 速度向量； q — 位移向量。 由于模态时系统结构的固有模态由结构本身的特性所决定，与外载荷无关，即 Ft=0；而结构阻尼对固有频率的影响很小，可以忽略。 因而可以将式 (1)简化为无阻尼自由振动方程：      .. 0M q K q （ 2） 由于弹性体的自由振动 总可以分解为一系列简谐振动的叠加，为了决定弹性自由振动的固有频率及相应的振型，假设简谐振动的方程为：       sinq t i wt （ 3） 因此无阻尼模态分析的运动方程为：      2 0K w i M i   （ 4） 自由振动时结构各节点的振幅不全为零，如果 i 有非零解，则有其系数行列式的值等于 0，即    2 0K wi M （ 5） 式中： i — 第 i 阶模态的振型向量； wi — 第 i 阶模态的固有频率。 式 (5 ) 是关于 w 的 n 次方程，解方程可得到结构的 n 个固有频率，每个固有频率都有一个相应的振型向量。 第三章 有限元动力学分析理论 16 将 (5) 式 求解 ， 得到 n 个 特征 值 2wi ，将 wi 按 从小 到 大顺 序 排列1 2 30 ... ... nw w w w   ，可称 nw 为第 n 阶固有频率。 此时的振动系统一般存在 n 个固有频率和 n 个主振型，每一对频率和振型代表一个单自由度系统的自由振动，这种在自由振动时结构所具有的基本振动特性称为结构的模态。 模态分析的一般步骤 ANSYS 的模态分析是一种线性分析，任何非线性特性（如塑性和接触单元）即使是定义了也将忽略。 可进行有预应力模态分析、大变形静力分析后有预应力模态分析、循环对称结构的模态分析、有预应力的循环对称结构的模态分析，无阻尼和有阻尼结构模态分析。 模态分析中模态的提取方法有七种，即分块兰索斯法、子空间迭代法、缩减法或凝聚法、 PowerDynamics 法、非对称法、阻尼法、 QR 阻尼法，缺省时采用分块兰索斯法。 模态分析的过程由四个主要步骤组成：建模、加载及求解、扩展模态、观察结果。 （ 1）建模 建模与静力分析相同，主要有：定义单元类型、单元实参数、材料性质、几何模型、有限元模型等。 这里需要注意两个问题： a、在模态分析中只有线性行为是有效的。 如果指定了非线性单元，它们将被当作是线性的。 如分析中包含了接触单元，则系统取其初始状态的刚度并且不再改变此刚度值。 b、材料性质可以是线性、各项同性或正交各项异性、恒定或温度相关。 在模态分析中必须定义弹性模量 EX（或 某种形式的刚度）和密度 DENS（或某种形式的质量）。 而非线性将被忽略。 （ 2）加载及求解 第三章 有限元动力学分析理论 17 首先定义分析类型、定义载荷和边界条件、定义加载过程和定义求解选项，然后进行固有频率的求解。 在一般的模态分析（预应力效应除外的模态分析）中，位移有效的“载荷”是零位移约束。 如果在某个自由度上指定了一个非零位移约束，程序将以零位移约束替代。 可以施加除位移约束之外的其他载荷，但在提取时将被忽略，程序会计算出与所加载荷相应的载荷向量，并将这些向量写到振型文件中以便在模态叠加法谐响应分析或瞬态分析中使用。 （ 3）模态扩展 扩展 模态是指将振型写入结果文件，如果要在后处理器中察看振型，就必须先进行扩展。 模态扩展如果在求解时已经用 MXPAND 命令定义，则不需要单独执行该步。 模态扩展的过程是在求解后完成后，再次进入求解层，用 MXPAND命令定义响应的参数，然后再次求解即可。 （ 4）观察结果 模态分析的结果被写入结果文件 中，包括：固有频率、振型、相对应力分布。 可察看各载荷步（对应模态数目）的结果，可用 SET设置载荷步，用 PLDISP 观察振型，用 MLIST 列出主自由度，定义单元观察应力分布，用 PLNSOL 或 PLESOL 显示节点或单元结果等。 许多其他的后处理功能如将结果映象到一个路径上和载荷工况组合等，在 POST1中均可使用。 谐响应理论 任何持续的周期载荷将在结构系统中产生持续的周期响应，该周期响应称为谐响应。 谐响应分析是用于确定线性结构在承受随时间按正弦规律变化的载荷时的稳态响应，其目的是计算出结构在几种频率下的响应，并得到一些响应值（通常是位移）对频率的曲线，从这些曲线上可以找到“峰值”响应，并进一步观察峰值对应的应力。 谐响应分析只计算结构的稳态第三章 有限元动力学分析理论 18 受迫振动，而不考虑在激励开始时的瞬态振动。 谐响应分析能预测结构 的持续动力特性，从而克服共振、疲劳及其他受迫振动引起的不良影响。 通过谐响应分析可以计算出外界载荷激励下曲轴的响应。 可以观察感兴趣点的位移和应力，如果在外界某一频率对应处位移比较大，出现峰值，说明该点在该频率下可能发生共振，振动幅度较大；如果在外界某一频率对应处应力较大，说明该点在该激励频率下可能出现共振，应力较大，应该注意是否会发生破坏。 进行谐响应分析的结构，理想状态是没有出现幅值很大的峰值，如果出现也应该是应力与应变的峰值对应的激励频率基本相同，而该频率最好是正常工作可能激起的频率之外。 谐响应分析假 定施加的所有载荷是随时间按简谐（正弦）规律变化的。 指定一个完整的简谐载荷需要输入 3 个数据，即振幅，相位角和强制频率范围。 本章小结 本章概述了有限元分析的基本理论和方法，并详细的介绍了有限元动力学分析的理论基础和一般的分析步骤。 为下一章完成曲轴连杆机构及曲轴结构有限元模型的建立，利用有限元对曲轴连杆机构及曲轴结构进行振动分析奠定了基础。 第四章 曲轴连杆机构及曲轴的动力学分析 19 第四章 曲轴连杆机构及曲轴的动力学分析 Ansys 与 WorkBench 简介 Ansys 软件简介 Ansys 是一个通用的有限元分析软件， 它具有多种多样的分析能力，从简单的线性静态分析到复杂的非线性动态分析。 Ansys 分析过程分为前处理、求解及后处理三个阶段。 (1)前处理模块 该模块用于定义求解所需的数据，用户可选择坐标系统、单元类型、定义实常数和材料特性、建立实体模型并对其进行网格划分、控制节点和单元，以及定义藕合和约束方程等。 通过运行一个统计模块，用户还可以预测求解过程所需的文件大小及内存。 (2)求解模块 在前处理阶段完成建模后，用户在求解阶段通过求解器获得分析结果。 在该阶段用户可以定义分析类型、分析选项、载荷数据和载荷步选项，然后 开始有限元求解。 (3)后处理模块 该模块可以通过友好的用户界面获得求解过程的计算结果并对这些结果进行运算，这些结果包括位移、温度、应力、应变、速度及热流等，输出形式有图形显示和数据列表两种。 在交互式后处理过程中，图形可联机输出到显示设备上或脱机输出到绘图仪上。 与其他有限元分析软件，如 SAP 或 NASTRAN 等相比， ANSYS 有以下特点： ( 1 ) ANSYS 是完全的 Windows 程序，应用更加方便。 ( 2 ) ANSYS 产品系列由一整套可扩展的、灵活集成的各模块组成，能满足各行各业的工程需要。 ( 3 ) ANSYS 不仅可以进行线性分析，还可以进行各类非线性分析。 ( 4 ) ANSYS 是一个综合的多物理场祸合分析软件，用户不但可用其进行诸如结构、热、流体流动等的单独研究，还可以进行这些分析的相互影响研究。 第四章 曲轴连杆机构及曲轴的动力学分析 20 Ansys WorkBench 简介 ANSYS WORKBENCH 是 ANSYS 公司开发新一代的 CAE 应用及开发平台。 ANSYS Workbench Environment(简称 AWE)，与以前的经典界面 ANSYS Classical Environment(简称 ACE)相比， 不仅有着友好的 Windows 风格界面，还可以满足用户好学好用的需求，更体现了新一代软件易学易用的特征。 AWE 以其 Windows 风格的友好界面，与 CAD。