基于ANSYSWorkbench的牛頭刨床機(jī)構(gòu)剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)仿真分析

李 勉， 趙玉成， 頓文濤， 蔡 鑌， 谷小青， 馬斌強(qiáng)， 袁 超

(1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)，河南 鄭州 450002； 2.河南省農(nóng)業(yè)機(jī)械試驗(yàn)鑒定站，河南 鄭州 450008)

基于ANSYSWorkbench的牛頭刨床機(jī)構(gòu)剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)仿真分析

李 勉1， 趙玉成2， 頓文濤1， 蔡 鑌1， 谷小青1， 馬斌強(qiáng)1， 袁 超1

(1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)，河南 鄭州 450002； 2.河南省農(nóng)業(yè)機(jī)械試驗(yàn)鑒定站，河南 鄭州 450008)

應(yīng)用ANSYS Workbench軟件中的Transient Structural模塊對(duì)牛頭刨床機(jī)構(gòu)進(jìn)行了剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)分析，得到了將導(dǎo)桿和連桿作為柔性體的刨床機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特征曲線和切削阻力作用下的導(dǎo)桿與連桿的最大應(yīng)力隨時(shí)間變化的曲線.這種方法實(shí)現(xiàn)了在同一軟件平臺(tái)中進(jìn)行剛?cè)狁詈蠙C(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析和動(dòng)力學(xué)分析.

剛?cè)狁詈希粍?dòng)力學(xué)仿真；牛頭刨床；ANSYS Workbench

Rigid-flexiblecouplingdynamicssimulationofdrivingmechanism

機(jī)械系統(tǒng)中構(gòu)件的剛度對(duì)機(jī)械運(yùn)動(dòng)的影響是一個(gè)不可忽略的因素[1].通常情況下，把機(jī)械系統(tǒng)中的構(gòu)件當(dāng)作剛性體來處理，在某種程度上可以滿足設(shè)計(jì)要求.但在機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)過程中，有時(shí)需要考慮構(gòu)件的變形以及構(gòu)件內(nèi)部的應(yīng)力應(yīng)變分布情況，這時(shí)必須把機(jī)械系統(tǒng)中的部分構(gòu)件作為柔性體來處理，這樣才能反映機(jī)械系統(tǒng)的真實(shí)運(yùn)動(dòng)情況.當(dāng)前機(jī)械系統(tǒng)的剛?cè)狁詈戏治銎毡椴捎肁NSYS軟件和ADAMS軟件的聯(lián)合仿真[2～8]，該方法需要?jiǎng)?chuàng)建柔性體的模態(tài)中性文件，通過ANSYS軟件和ADAMS軟件的雙向數(shù)據(jù)交換來完成機(jī)械系統(tǒng)的剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)分析.隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，ANSYS軟件的功能也不斷完善和增強(qiáng)，機(jī)械系統(tǒng)的剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)分析可以在ANSYS Workbench軟件的Transient Structural模塊中實(shí)現(xiàn).本研究基于ANSYS Workbench軟件平臺(tái)，以某牛頭刨床機(jī)構(gòu)為例進(jìn)行剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)仿真分析，得到了將導(dǎo)桿和連桿作為柔性體的刨床機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特征曲線和切削阻力作用下的導(dǎo)桿與連桿的最大應(yīng)力隨時(shí)間變化的曲線.這種方法可以在同一平臺(tái)界面下對(duì)剛?cè)狁詈蠙C(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析和動(dòng)力學(xué)分析，使工程技術(shù)人員只需掌握一種軟件即可完成分析，大大提高了工作效率.

1 牛頭刨床機(jī)構(gòu)

圖1所示為某牛頭刨床機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖，各構(gòu)件尺寸為：曲柄1LAB=108 mm，導(dǎo)桿3LCD=620 mm，連桿4LDE=300 mm，機(jī)架LAC=350 mm，LEC=635 mm.其中，曲柄1為原動(dòng)件，其動(dòng)力由電機(jī)提供并通過齒輪傳遞過來[9，10].

圖1 牛頭刨床機(jī)構(gòu)Fig.1 The kinematic sketch of drivingmechanism of a shaper

2 牛頭刨床機(jī)構(gòu)的建模

2.1模型的建立

通過ANSYS Workbench軟件與Pro/E軟件的無縫連接，利用Pro/E軟件的實(shí)體造型和虛擬裝配功能，首先在零件模式下對(duì)牛頭刨床機(jī)構(gòu)的各構(gòu)件進(jìn)行建模，接著在裝配模式下對(duì)各構(gòu)件進(jìn)行虛擬裝配，建立牛頭刨床機(jī)構(gòu)的三維模型，然后無縫導(dǎo)入ANSYS Workbench軟件中，建立牛頭刨床機(jī)構(gòu)的有限元模型(圖2).

2.2材料屬性的設(shè)置

在ANSYS Workbench軟件中，有限元模型建立之后，要跟所做的分析項(xiàng)目進(jìn)行關(guān)聯(lián)，并在其中根據(jù)各構(gòu)件材料對(duì)相應(yīng)的材料屬性進(jìn)行設(shè)置.本研究利用ANSYS Workbench軟件中的Transient Structural模塊對(duì)牛頭刨床機(jī)構(gòu)進(jìn)行剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)分析，需在有限元模型與Transient Structural模塊之間建立關(guān)聯(lián)，并在Engineering Data中設(shè)置材料的密度為7 850 kg·m-3，彈性模量為200 GPa，泊松比為0.3.

1．傳動(dòng)輪；2．滑塊；3．導(dǎo)桿；4．連桿；5．滑枕；6．床身.

1．Driving wheel；2．Slider；3．Guide-bar；4．Connecting rod；5．Ram；6．Frame.

圖2牛頭刨床機(jī)構(gòu)的有限元模型
Fig.2Thefiniteelementmodelofdrivingmechanismofashaper

2.3運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)的建立

在牛頭刨床機(jī)構(gòu)的有限元模型中，各構(gòu)件之間需要通過運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)(Joint)進(jìn)行連接.在Transient Structural模塊中建立各構(gòu)件之間的運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)連接方式時(shí)，需利用軟件對(duì)機(jī)構(gòu)的自由度進(jìn)行計(jì)算，并檢查是否有冗余約束的產(chǎn)生，根據(jù)機(jī)構(gòu)的自由度和冗余約束的檢查結(jié)果，選擇合適的運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)連接方式：Joint A采用Body-Ground中的Cylindrical連接，Joint B采用Body-Body中的Spherical連接，Joint C采用Body-Ground中的Revolute連接，Joint D采用Body-Body中的Cylindrical連接，Joint E采用Body-Body中的Spherical連接，滑枕與床身之間的連接和滑塊與導(dǎo)桿之間的連接均定義為Body-Body中的Translational連接.另外，還要注意局部坐標(biāo)系的坐標(biāo)軸的設(shè)置，保證構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)情況與未約束的自由度相符.

3 牛頭刨床機(jī)構(gòu)的剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)仿真分析

將牛頭刨床機(jī)構(gòu)的有限元模型中的導(dǎo)桿和連桿設(shè)置為柔性體，其余均設(shè)置為剛體，并進(jìn)行網(wǎng)格劃分.在Joint A上添加Joint Load，大小為2.0 rad·s-1；定義仿真分析的時(shí)間為3.14 s，最小時(shí)間步為0.000 1 s.應(yīng)用ANSYS Workbench軟件中的Transient Structural模塊對(duì)牛頭刨床機(jī)構(gòu)進(jìn)行剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)仿真分析.

3.1運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真結(jié)果分析

對(duì)牛頭刨床機(jī)構(gòu)進(jìn)行剛?cè)狁詈线\(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析，得到滑枕的運(yùn)動(dòng)特征曲線，從而得到牛頭刨床的運(yùn)動(dòng)規(guī)律.滑枕的運(yùn)動(dòng)特征曲線如圖3～圖5所示.圖3為滑枕的位置隨時(shí)間變化的曲線，滑枕在1.86 s處運(yùn)動(dòng)到最大位置，接著開始返回，其運(yùn)動(dòng)的最大位移，即行程為0.382 m.圖4為滑枕的速度隨時(shí)間變化的曲線，在工作過程中，滑枕在0.92 s處達(dá)到最大速度0.292 m·s-1，在返回過程中，滑枕在2.52 s處達(dá)到最大速度0.553 m·s-1.

圖3 滑枕的位置隨時(shí)間變化曲線Fig.3 Position-time graph of the ram

圖4 滑枕的速度隨時(shí)間變化曲線Fig.4 Velocity-time graph of the ram

圖5 滑枕的加速度隨時(shí)間變化曲線Fig.5 Acceleration-time graph of the ram

圖5為滑枕的加速度隨時(shí)間變化的曲線，滑枕的加速度在開始運(yùn)動(dòng)的最初0.5 s內(nèi)和運(yùn)動(dòng)到最大位置后開始返回的最初0.5 s內(nèi)出現(xiàn)波動(dòng)的現(xiàn)象.

3.2動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果分析

牛頭刨床在工作過程中受到的切削阻力為500 N，在Transient Structural模塊中對(duì)牛頭刨床機(jī)構(gòu)進(jìn)行剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)仿真分析時(shí)，切削阻力采用Remote Force定義，作用時(shí)間為0.2～1.6 s.經(jīng)過仿真分析，得到導(dǎo)桿和連桿在運(yùn)動(dòng)過程中的最大應(yīng)力的變化曲線.圖6所示為導(dǎo)桿在運(yùn)動(dòng)過程中的最大應(yīng)力隨時(shí)間變化的曲線，在0.25 s處最大應(yīng)力出現(xiàn)峰值5.928×107Pa，此時(shí)牛頭刨床剛受到切削阻力的作用，即切削開始；在1.60 s處最大應(yīng)力又一次出現(xiàn)峰值5.686×107Pa，此時(shí)牛頭刨床所受到的切削阻力剛變?yōu)榱?，即切削結(jié)束.圖7所示為連桿在運(yùn)動(dòng)過程中的最大應(yīng)力隨時(shí)間變化的曲線，在0.25 s處最大應(yīng)力達(dá)到最大值5.087×106Pa，在0.31 s之后略有減小，整個(gè)工作過程中連桿的最大應(yīng)力變化不大.

圖6 導(dǎo)桿的最大應(yīng)力隨時(shí)間變化曲線Fig.6 Stress-time curve of the maximumstress of the guide-bar

圖7 連桿的最大應(yīng)力隨時(shí)間變化曲線Fig.7 Stress-time curve of the maximumstress of the connecting rod

4 結(jié)語(yǔ)

借助ANSYS Workbench軟件的Transient Structural模塊對(duì)某一牛頭刨床機(jī)構(gòu)進(jìn)行剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)仿真分析，在分析中將牛頭刨床機(jī)構(gòu)的導(dǎo)桿和連桿作為柔性體處理，不僅得到了牛頭刨床機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，而且還得到了在切削阻力的作用下，導(dǎo)桿和連桿在運(yùn)動(dòng)過程中最大應(yīng)力隨時(shí)間的變化情況.利用這種方法對(duì)機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)分析，避免了分析數(shù)據(jù)在不同分析軟件之間相互交換，實(shí)現(xiàn)在同一平臺(tái)界面下完成剛?cè)狁詈蠙C(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析和動(dòng)力學(xué)分析.

[1] 張 雷，余克龍，陳少鐘，等．基于ANSYS和ADAMS空間四連桿引緯機(jī)構(gòu)的柔性動(dòng)力學(xué)仿真[J]．紡織學(xué)報(bào)，2013，34(5)：116-120．

[2] 于 濤，李亭亭．基于ADAMS的曲柄滑塊壓力機(jī)剛?cè)狁詈夏Ｐ偷膭?dòng)態(tài)仿真分析[J]．機(jī)械傳動(dòng)，2012，36(3)：64-66．

[3] 彭禮輝，李 光．ADAMS和ANSYS對(duì)機(jī)構(gòu)的聯(lián)合仿真分析[J]．湖南工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，26(2)：43-48．

[4] 劉言松，曹巨江，張?jiān)摚畡側(cè)狁詈蠙C(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真[J]．陜西科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，24(3)：74-76．

[5] 侯紅玲，趙永強(qiáng)．基于ADAMS和ANSYS的構(gòu)件運(yùn)動(dòng)分析[J]．機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2010(5)：75-77．

[6] 張永德，汪洋濤，王沫楠，等．基于ANSYS與ADAMS的柔性體聯(lián)合仿真[J]．系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2008，20(17)：4501-4504．

[7] 張 朋，歐陽(yáng)林子．Pro/E、ADAMS和ANSYS之間數(shù)據(jù)交換方法[J]．機(jī)床與液壓，2010，38 (6)：110-112．

[8] 趙麗娟，馬永志．剛?cè)狁詈舷到y(tǒng)建模與仿真關(guān)鍵技術(shù)研究[J]．計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2010，46 (2)：243-248．

[9] 綦耀光，劉 峰．機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)[M]．東營(yíng)：中國(guó)石油大學(xué)出版社，2006．

[10] 趙玉成，李 勉，頓文濤，等．基于Pro/E的牛頭刨床六桿機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)仿真分析[J]．河南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，48(1)：66-70．

(責(zé)任編輯：蔣國(guó)良)

ofashaperbasedonANSYSWorkbenchLI Mian1，

ZHAO Yu-cheng2， DUN Wen-tao1， CAI Bin1， GU Xiao-qing1， MA Bin-qiang1， YUAN Chao1

(1.Henan Agricultural University, Zhengzhou 450002, China; 2.Henan Agricultural Mechanical Test Appraisal Station, Zhengzhou 450008, China)

The rigid-flexible coupling dynamics simulation of driving mechanism of a shaper is conducted by means of the transient structural module of ANSYS Workbench software in the paper. In the process of the FEM calculation, the guide-bar and the connecting rod are set as flexible bodies. As the results, the curves of kinetic feature of the shaper is obtained, so are the curves of maximum stress over time, showing the maximum stress of the guide-bar and the connecting rod under the action of cutting resistance. By this means, the dynamics simulation of a rigid-flexible coupling mechanical system can be solved with the same software.

rigid-flexible coupling； dynamics simulation； shaper；ANSYS Workbench

TH132

：A

2014-02-06

河南省科技廳科技攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目 (112102210212)

李 勉，1979年生，男，河南南陽(yáng)人，講師，從事信息技術(shù)方面的研究.

馬斌強(qiáng)，1979年生，男，河南靈寶人，實(shí)驗(yàn)師；袁 超，1961年生，男，河南開封人，副教授.

1000-2340(2014)05-0623-03