基于ANSSY的連桿機構動力學分析

雷 潔

(天津機電職業技術學院，中國 天津300131）

連桿機構是傳遞機械能的一種裝置，在各種機械和儀器中獲得廣泛應用，連桿機構工作時受到隨時間變化的動載荷作用，鑒于此，本文對連桿機構進行動力學分析，以優化連桿機構的質量，獲得較小的轉動慣量，減小運動過程中的沖擊和振動，達到提高連桿機構運動平穩性，提高連桿機構動力學特性的目的。

1 整體研究框架

（1）采用PRO/E 三維軟件構建了連桿機構的三維模型，為后續ANSYS有限元分析提供三維模型。

（2）采用Solid95 單元建立連桿機構的有限元模型，該單元對模型描述比較詳細，計算結果的精度也好，而且可以很直觀的看出結構各部位的應力分布狀況，單元與單元之間的連接關系也比較容易處理。

（3）對連桿機構進行結構有限元靜力分析。 這為連桿機構的優化設計提供了依據。

（4）對連桿機構結構進行結構有限元動力分析，計算出了前十階固有頻率和振型。 通過分析固有頻率和振型，了解前十階模態的振動情況，這有利于從根本上減少振動的產生，及時進行修改設計。

（5）在初始設計和分析基礎上，利用ANSYS 軟件中的優化模塊對連桿機構進行優化設計。 找出使連桿機構滿足強度、剛度要求的最優厚度值，從而減少連桿機構的總質量和轉動關聯，提高連桿機構的工作效率，降低生產成本，使連桿機構的結構更趨于合理。

（6） 利用ANSYS 分析軟件對優化的連桿機構進行整體的運動分析，通過運動學分析， 可以計算出連桿機構在各個狀態的受力情況和運動狀態，并且驗證靜力學的分析和優化結果。

本文在靜力學分析方面不做闡述，主要針對連桿機構動力學分析作以闡述。

2 ANSSY 動力學的求解過程簡述

基于顯式非線性動力分析通用有限元程序Flexible Dynamic 對機構進行計算分析，Flexible Dynamic 具有杰出的動力學計算能力，全自動接觸分析功能可以求解變形體對變形體、變形體對剛體、板殼結構的單面接觸、與剛性強接觸等接觸問題。

ANSYS 動力分析過程如錯誤！ 未找到引用源。 所示，主要分三個部分：

1）前處理

將CAD 模型倒入ANSYS，劃分網格，生成有限元模型，然后定義Part 和接觸類型，再進行邊界條件和載荷的定義。

2）求解

完成前處理后開始設置求解控制參數，比如求解時間、結果文件的存儲頻率等。 設置完求解控制參數后可以開始求解。

3）后處理

求解完畢后可以查看結果，ANSYS 的后處理分析功能十分強大，可以分別進行通用后處理和時間歷程后處理。 在通用后處理器中，可以觀看整個模型在某一時刻的結果，包括描繪模型變形圖和應力等值線、動畫顯示模型、受力變形情況等。 在時間歷程后處理器中，可以得到所有節點和單元在整個時間歷程的結果數據，包括節點位移、速度、加速度以 及節點和單元的應力、應變等等。

3 連桿機構動力學分析

基于顯式非線性動力分析通用有限元軟件ANSSY 對機構進行計算分析，ANSSY 具有杰出的動力學計算能力，全自動接觸分析功能可以求解變形體對變形體、變形體對剛體、板殼結構的單面接觸、與剛性強接觸等接觸問題。

3.1 連桿的動力學有限元分析前處理

由于實際的連桿機構相當復雜，必須進行適當簡化才能進行動力學的有限元計算。 利用三維造型軟件對連桿機構造型，導入ANSYS，建立模型如圖1 所示。 釆用四面體10 節點單元， 對模型進行網格劃分。共劃分了36548 個節點，21507 個單元。連桿機構的三維有限元網格見圖2 所示。

在連桿機構運動學中， 連桿的運動可以近似的看作是等速旋轉的， 選擇標定工況3000r/min 對連桿進行動力學校核計算。 邊界條件的加載情況為： 在旋轉桿處加1200N.mm 的扭矩； 并在連桿端加載100N 的工作阻力。

根據連桿的工作過程循環模擬結果得到連桿的應力值，如圖3 所示。 橫坐時間，單位為秒；縱坐標為應力值，單位為MPa。

3.2 連桿動力學有限元計算結果分析

在連桿機構運動過程中，由于轉速較高，連桿及驅動軸處產生擺動、連桿轉動時連桿與其載荷夾角發生變化引起應力變化等，所以出現單元應力波動的現象。 圖 所示連桿在此處出現最大應力值的原因是由于連桿勻速轉動時對連桿產生較大的拉應力。 由計算可知，連桿應力最大值約為30MPa，小于材料45 鋼的屈服極限250MPa，設計滿足要求。

動力學計算初始條件的處理表現在以下兩個方面：第一，連桿勻速運動，由程序計算連桿各個節點的往復慣性力和旋轉慣性力；第二，由于連桿作往復運動，由連桿機構運動學可得到連桿的加速度，并根據連桿質量求得滑塊往復慣性力，慣性力與工作阻力合成加載到連桿銷，這時的連桿載荷在不同連桿轉角時都與實際情況較為接近。

結果表明連桿的危險區域分別為連桿的大頭與桿身的過渡段，von-Mises 應力分布如圖3 所示。

在動力學計算中，取現應力較大點處進行分析。 連桿大頭與桿身過渡處節點，應力各個狀態的如圖5 所示。

4 總結

本文對對連桿機構進行動力學分析，由此得出連桿機構在各個角度下的應力分布圖，經驗證機構強度滿足要求。 表明動力學計算結果具有一定的優越性，為連桿機構的輕量化設計提供了依據。

本文主要對連桿機構的有限元模型進行了有益的探討。為了使本文更好的服務于實際設計開發工作，同時，也為本文的提高和完善，尚可在以下方面進行更深入的研究：

（1）當前的模態理論和方法都是建立在線性化基礎上的，即不考慮實際系統結構所具有的各種非線性行為。因此，運用ANSYS 對連桿機構進行的模態分析，所得結果及結論僅能作為定性的參考，要想獲得連桿機構更為精確的振動特性，還需要進行進一步的模態分析實驗加以對照研究。

（2）本文所研究的優化設計僅局限于截面尺寸的優化，如果能對結構進行更深一步的形狀和拓撲的優化，將取得更好的經濟效果。

（3）對運動機構進行整機分析。 本文只是對連桿機構局部進行分析優化，并不是對運動機構進行整機分析，這樣單獨對連桿機構一部分結構進行分析，不能準確考慮其它機構對它的影響，計算出來的結果與實際狀況會有一定偏差。實際應用中應該對運動機構進行整機分析，這樣效果將會更好。

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