ANSYS压缩机曲轴刚体及柔体瞬态动力学分析课件.ppt
15-压缩机曲轴刚体及柔体瞬态动力学分析,摘要,本例题对曲轴运动零件做瞬态动力学特性分析，在实际工作中，曲轴所受的载荷随时间变化，对曲轴仅作静力分析与实际偏差较多，通过导入Unigraphics NX软件的往复式压缩机的曲轴三维几何模型，在ANSYS WORKBENCH软件中进行有限元网格划分、载荷约束施加，对其进行瞬态特性分析，将其定义为刚体，分析得到质心的位移、速度和加速度曲线；将其定义为柔性体，分析得到曲轴个点处的位移、速度、加速度曲线和应力分布。一般情况下，零件之间或者使用共节点方式，或者使用运动副或接触连接关系，才能完成位移和力的传递。本例中使用运动副（Joint）关系来施加约束。,2.算例描述,零件为普通钢材制成的曲轴，主轴颈为45mm，全长190mm，详见下图。曲轴中心连接连杆，曲轴和轴瓦接触部位定义运动副关系，曲轴转速n=11r/s，通过瞬态动力学分析曲轴的应力分布和动力学特性（位移、速度、加速度曲线）。,3.1.打开 ANSYS Workbench，导入零件几何模型,（1）首先启动ANSYS Workbench环境。（2）创建瞬态动力学分析项目：在Workbench的起始界面中，从左侧的【Toolbox】中找到【Transient Structural】并双击，即可在在视窗中创建一个瞬态动力学分析的项目及流程，如下图。,3.1.打开 ANSYS Workbench，导入零件几何模型,（3）导入曲轴几何模型：在新创建的瞬态动力学项目中，找到【Geometry】栏，并使用鼠标右键菜单，选择【Import Geometry】指定曲轴几何模型crankshaft01.prt的路径。（4）完成并检查导入几何模型：在同样的位置，再次使用鼠标右键菜单，选择【Edit Geometry in Spaceclaim】，即打开Spaceclaim几何建模模块，此时，系统才会自动完成将模型导入的过程。在新打开的Spaceclaim几何建模模块中，检查导入的模型是否合理。本例题中，模型不需要做简化或清理，检查后直接关闭Spaceclaim几何建模模块，返回Workbnech环境。,3.2.打开Mechanical，确认材料及设置零件为刚体,（1）打开ANSYS Mechanical模块：在Workbench主页面中，找到【Project Schematic】视窗下的瞬态分析项目流程，并在【Model】栏双击即可打开ANSYS Mechanical模块的界面。在Mechanical的界面下，将完成除几何建模和清理之外的网格划分、赋予材料、施加荷载和约束、求解控制、后处理等工作。,3.2.打开Mechanical，确认材料及设置零件为刚体,单位设置：在Mechanical界面的顶部菜单点击【Units】，确认单位制设置为“Metric(kg,mm,s,C,mA,N,mV)，选择“Display Values in Project Units”。提示：可以在任意时刻修改单位制，所有已经定义的参数都将由系统自动转为新的单位制，不用担心单位制发生冲突。检查曲轴零件对象的材料：在Mechanical的左侧目录树【Outline】-【Project】-【Model】-【Geometry】，选中“SYS实体1”零件，此时可在左下方的【Detail】细节设置面板中，检查确认系统默认赋予了Structure Steel钢材，无需任何修改。,3.2.打开Mechanical，确认材料及设置零件为刚体,（4）修改曲轴零件为刚体：与上一步同样位置，在细节设置面板中，务必将【Stiffness Behavior】改为“rigid”，即将曲轴定义为“刚形体”，没有形变没有应力，仅考虑“理论力学”的运动行为。此时，刚体零件“曲轴”将显示出其质心及坐标系。,3.3.创建零件的运动副及运动副载荷,本例题介绍了“joint”运动副连接多个零部件的方式。注意，“joint”运动副本身是来自多体动力学仿真的概念，主要用在相互运动零件之间的连接，也用于设置运动零件和固定地面的约束连接。（1）创建目录树中的连接关系栏目：选中左侧目录树中的【Model】栏，右键点击，弹出菜单中选择【Connection】，即在目录树中添加【Connections】连接关系管理的栏目。提示：本题目因为只有一个零件，系统默认不需要定义连接关系，因此需要手动添加【Connection】。如果有多个零件时，系统会自动添加【Connection】栏目，并且自动搜索和创建接触对。,3.3.创建零件的运动副及运动副载荷（续）,（2）定义连接组：选中左侧目录树中的【Connections】栏，右键点击，弹出菜单中选择 Insert Connection Group，即可在目录树中添加一个“连接关系的组”。然后在 connection group对应的细节设置面板中，设置connection 类型为“Joint”。,3.3.创建零件的运动副及运动副载荷（续）,（3）创建曲轴-地面的运动副：在左侧目录树中新创建的Joint运动副中，系统自动创建了一个Fixed运动副。我们需要选中该运动副，并在相应的细节设置面板中，设置【Connection Type】=Body-Ground，【Type】=Revolute，如下图的第1/2步。这里，实际上是定义了一个曲轴与地面（轴瓦）的转动运动关系。,3.3.创建零件的运动副及运动副载荷（续）,（4）详细设置曲轴-轴瓦运动副：在上一步的细节设置面板中，继续进行定义，如上图第3步，按住Ctrl键同时选中图中蓝色的两个曲轴圆柱面，作为运动副的作用对象。在第4步，对于运动副的参考坐标系，选中曲轴的端面作为参考，并点击Apply确认，系统将使用该端面的轴线作为运动副的参考转动轴，完成所有4步设置后的运动副示意图，如上图。,3.3.创建零件的运动副及运动副载荷（续）,（5）添加曲轴转动的载荷：在左侧目录树中的【Transient】栏上点右键，可在弹出菜单中选择添加各类载荷和边界条件，本例题应选择【Joint Load】。并在相应的细节设置面板中，设置【Scope】-【Joint】为刚才创建的Revolute Ground to crankshaft01。然后设置运动副转动条件为转速为11r/s，即【Definition】-【Type】=Rotational Velocity=11rad/s。图形区显示转速及方向。,3.4.求解设置及求解过程,本例题为曲轴运动的瞬态动力学模拟，因此，与静力学不同的是，这里需要做瞬态分析相关的求解步长、收敛参数等设置。（1）设置瞬态求解步长：点击目录树中的【Transient】栏目下的【Analysis Settings】，【Analysis Settings】相对应的细节设置面板，将控制该瞬态动力学的分析工况所有求解参数。在细节设置面板中，做出如下设置：【Step Controls】-【Step End Time】=1s，【Define By】=Substeps，InitialSubsteps=100，Minimum Substeps=100，Maximum Substeps=1000。以上的设置，含义是：曲轴瞬态运动的时长为1秒。求解这一秒的运动过程，初步让系统使用100个子步完成。但系统可以根据收敛情况进行步长加大和缩小，最少需要求解100个子步以保证一定精度，但最大不超过1000个子步。,3.4.求解设置及求解过程,（2）进行求解：在左边目录树【Outlines】中找到需要求解的瞬态工况【Transient】，或在其下的【Solution】栏上，鼠标右键，弹出菜单选Solve，进行求解。,3.5.分析结果查看,添加曲轴质心的总位移结果：在左侧目录树的【Solution】栏，鼠标右键，弹出菜单选择【Insert】-【Deformation】-【Total】。然后再次鼠标右键，弹出菜单选择Evaluate All Results，即可查看到计算结果的显示。读者自行点击动画播放按钮，并查看表格的输出数值。,3.5.分析结果查看（续）,（4）添加曲轴质心的加速度结果：在左侧目录树的【Solution】栏，鼠标右键，弹出菜单选择【Insert】-【Deformation】-【Total Acceleration】。然后再次鼠标右键，弹出菜单选择Evaluate All Results，即可查看到计算结果的显示。读者自行点击动画播放按钮，并查看表格的输出数值。,3.5.分析结果查看（续）,（5）添加曲轴-轴瓦运动副的支反力结果：在左侧目录树的【Solution】栏，鼠标右键，弹出菜单选择【Insert】-【probe】-【Joint】。并在相应的细节设置面板中，设置【Definition】-【Boundary Condition】为之前创建的运动副“Revolute”。此时，系统默认查看结果为该运动副约束的“Total Force”，也可在细节设置面板中修改为其他结果。,3.6.改为柔性体瞬态分析,将曲轴作为刚体的瞬态动力学分析，不考虑材料的形变和应力，不需要有限元网格，因此计算速度快。但在一些工程问题中，由于运动产生的结构变形和应力较大，需要计算变形和应力，也可能是由于结构变形导致其运动状态发生变化，这就需要进行“柔性体”的瞬态动力学分析。在本例题中，将把“刚体”改为“柔性体”，将曲轴划分网格，并计算其在瞬态过程中的应力。（1）将曲轴零件改为柔性体：回到左侧的目录树，点击【Geometry】下的曲轴零件，并在细节设置面板中，将【Stiffness Behavior】改为“Flexible”，即柔性体。,3.6.改为柔性体瞬态分析,（2）设置网格尺寸并划分网格：本例题中，柔性体计算为示意性的，因此，采用系统默认的网格尺寸，并让系统在求解时自动划分网格。因此，该步骤不需要任何操作（3）进行求解：在左边目录树【Outlines】中找到需要求解的瞬态工况【Transient】，或在其下的【Solution】栏上，鼠标右键，弹出菜单选Solve，进行求解。注意，瞬态分析的求解用时，一般远超静力学分析。,3.7.分析结果查看,（1）添加整体Von Mises应力结果：计算完成后，继续在左侧目录树【outline】下的【Solution】栏，用鼠标右键弹出菜单，选择-【insert】-【stress】-【Equivalent stress/Von-mises】，即可在Solution栏下插入一个Von-mises应力的结果。,（2）查看Von Mises应力结果：在目录树中新插入的Equivalent Stress项上用鼠标右键，在弹出菜单中选择“Evaluate All Results”进行结果运算和显示，即可看到应力云图的显示。对于瞬态问题，系统默认的应力结果是最终时间的结果。在本例题中，曲轴运转为匀速且较慢，因此应力很小。,（3）查看瞬态过程中的应力峰值时刻的结果：从上一步的应力结果输出表格中，可以看到应力的峰值出现在3e-2秒左右。直接用鼠标点击结果输出表格的3e-2附近，然后用鼠标右键，在弹出菜单选择“retrieve this Results”，即显示该时刻的应力结果。,分析小结,本例题对曲轴运动零件做瞬态动力学特性分析，在实际工作中，曲轴所受的载荷随时间变化，因此对其进行瞬态特性分析，先将其定义为刚体，分析得到曲轴整体质心的位移、速度和加速度曲线。再将其定义为柔性体，分析得到曲轴各部位的位移、速度、加速度曲线和应力分布。,恭祝马到成功,
