基于ANSYS/LS-DYNA凸輪機構的動態接觸分析

董龍治， 王保民

(陜西理工學院 機械工程學院， 陜西 漢中 723003)

在各種機械，特別是自動控制裝置中，廣泛采用著各種形式的凸輪機構.只要正確設計出凸輪的輪廓曲線，推桿就可以得到預期的運動規律，而且響應快速，機構簡單緊湊.根據推桿的運動規律，可以在PRO/E中對凸輪精確建模.利用ANSYS/LS-DYNA處理的等效應力分布圖，可以直觀觀察凸輪機構在不同時刻的應力分布情況，省去復雜的計算公式[1].

1 凸輪的建模

1)打開PRO/E—新建零件，插入—模型基準—曲線—從方程，以PRT_CSYS_DEF為笛卡爾坐標系，曲線方程依次為推程、遠休止、回程、近休止凸輪輪廓的變化值.以Front為草繪平面，通過邊創建圖元將4條曲線變為當前曲線，并保存sec格式，關閉PRO/E.

2)打開PRO/E—新建零件，插入—模型基準—圖形，命名為tulun，再使用草繪—數據來自文件—文件系統，選取保存的sec格式的文件，退出圖形.

3)以Front為草繪平面，草繪一個半徑比基圓小10mm的圓.插入—可變截面掃描，草繪的圓為原點軌跡—可變截面，創建掃描剖面如圖1所示，長度為10mm的線段驅動公式為sd3=10+evalgraph(′tulun′,trajpar*360)，完成后如圖2所示.

4)通過填充、加厚、拉伸等命令完成凸輪的三維模型.在PRO/E組件中，將凸輪與平底推桿進行裝配[2]，如圖3所示.

圖1 掃描剖面圖

圖2 凸輪的輪廓

圖3 對心平底推桿凸輪機構

2 凸輪的動態接觸分析

ANSYS/LS-DYNA是世界上最著名的通用顯示非線性動力分析程序，能夠模擬真實世界的各種復雜幾何非線性、材料非線性和接觸非線性問題，廣泛應用到機械、電子、能源、冶金、航天航空、土木等領域，并對這些領域產生了深遠影響.凸輪機構在ANSYS/LS-DYNA中動態接觸分析的步驟如下：

2.1 導入模型

裝配體通過PRO/E和ANSYS的無縫連接，導入到ANSYS/LS-DYNA中，PRO/E和ANSYS/LS-DYNA要統一單位(長度mm、質量kg、時間s、應力kPa、力mN).

2.2 定義單元類型

選用solid164和shell163兩種單元，solid164用于三維的顯示結構實體單元，由8節點構成，沒有實常數.Shell163是一個4節點顯示結構薄殼單元，有彎曲和膜特征，可加平面和法向載荷.設置shell163實常數：剪切因數SHRF為5/6、積分點數值NIP為3、節點處的厚度T1為0.1[3].

2.3 設置單元材料

凸輪結構的材料選用45鋼，密度7.85×10-6kg/mm3、彈性模量2.1×108kPa、泊松比0.269.設置4種材料：第1和第3種材料相同，均為Linear—Elastic—Isotropic、第2種材料為Rigid material，約束All—disps和X and Y rotate、第4種材料為Rigid material，約束Y and Z disps和All rotations.

2.4 劃分網格

設置凸輪實體的網格屬性：MAT為1、REAL為1、TYPE為solid164.凸輪內圈的網格屬性：MAT為2、REAL為1、TYPE為shell163.推桿的網格屬性：MAT為3、REAL為1、TYPE為solid164.推桿上部外圈的屬性：MAT為4、REAL為1、TYPE為shell163.設置好網格屬性后，分別對它們進行網格劃分[4].

2.5 創建PART，定義數組參數

通過Main Menu—Preprocessor—LS—DYNA Options—Part options創建所有的PART.選取推桿頂部平面的節點，創建節點組元命名為jiedian.Parameters—Array Parameters—Define/Edit----，定義數組參數：time=[0，1]、F=[100000/jiedian個數，100000/jiedian個數]、RV=[25.12，25.12].

2.6 定義接觸，施加驅動和載荷

Main Menu—Preprocessor—LS—DYNA Options—Contact—Define Contact：采用面面自動接觸，接觸面為PART3(推桿)，目標面為PART1(凸輪).Main Menu—Preprocessor—LS—DYNA Options—Loading Options—Specify Loads：PART2施加RBOZ的驅動，time values為time，data values為RV(凸輪施加旋轉驅動25.12rad/s).Jiedian施加Fx的力，time values為time，data values為F(推桿受到100 000mN的力).

2.7 求解控制與求解

Main Menu—Solution—Time Controls—Solution Time：求解時間設定為0.25s(凸輪轉1周所用時間).Main Menu—Solution—Output Controls—Output File Types：設置輸出格式為ANSYS and LS—DYNA.Main Menu—Solution—Output Controls—File Output Freq—Number of Steps：設置輸出步數都為100.設置好后進行求解.

2.8 觀察結果

POST1每次只能讀入某個載荷步的結果，POST26可以查看結果數據隨時間、載荷、頻率等其他變量的變化情況，LS—PREPOST是專門為LS—DYNA求解器開發的后處理.圖4為通過LS—PREPOST得到的對心平底推桿盤形凸輪機構在不同時刻的等效應力云圖，圖5為在不同時刻的等效應變云圖，圖6為推桿的位移變化規律.

(a) 0.075s

(b) 0.16s圖4 不同時刻的等效應力云圖

3 結束語

(a)0.025s

(b) 0.185s圖5 不同時刻的等效應變云圖

圖6 推桿的位移變化規律

詳細介紹了凸輪的建模過程和基于ANSYS/LS-DYNA凸輪機構動態接觸分析的步驟，利用LS-DYNA強大的后處理功能，得出凸輪機構應力隨時間的變化情況,通過圖形形式顯示的結果更直觀，省去了復雜的公式計算過程.在后處理中還可以得到推桿的位移變化規律，驗證設計的凸輪機構是否滿足要求.

[1]王領,包繼華,劉振，等.基于ANSYS的凸輪從動件運動分析[J].煤礦機械, 2011, 32(4):110-112.

[2]劉永霞.基于 Pro/E參數化建模技術的凸輪輪廓線精確設計[J].南華大學學報：自然科學版, 2011, 25(3):35-38.

[3]燕蕓,王建宇.基于ANSYS/ LS- DYNA的齒輪接觸應力分析[J].機械管理開發, 2011, 124(6):211-212.

[4]柴群,萬朝燕.基于ANSYS/LS-DYNA的蝸輪蝸桿動態接觸分析[J].現代制造工程, 2006(11):46-48.