李 勉， 趙玉成， 頓文濤， 蔡 鑌， 谷小青， 馬斌強， 袁 超

(1.河南農(nóng)業(yè)大學，河南 鄭州 450002； 2.河南省農(nóng)業(yè)機械試驗鑒定站，河南 鄭州 450008)

基于ANSYSWorkbench的牛頭刨床機構(gòu)剛?cè)狁詈蟿恿W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1， 袁 超1

(1.河南農(nóng)業(yè)大學，河南 鄭州 450002； 2.河南省農(nóng)業(yè)機械試驗鑒定站，河南 鄭州 450008)

應(yīng)用ANSYS Workbench軟件中的Transient Structural模塊對牛頭刨床機構(gòu)進行了剛?cè)狁詈蟿恿W分析，得到了將導桿和連桿作為柔性體的刨床機構(gòu)的運動特征曲線和切削阻力作用下的導桿與連桿的最大應(yīng)力隨時間變化的曲線.這種方法實現(xiàn)了在同一軟件平臺中進行剛?cè)狁詈蠙C械系統(tǒng)的運動學分析和動力學分析.

剛?cè)狁詈希粍恿W仿真；牛頭刨床；ANSYS Workbench

Rigid-flexiblecouplingdynamicssimulationofdrivingmechanism

機械系統(tǒng)中構(gòu)件的剛度對機械運動的影響是一個不可忽略的因素[1].通常情況下，把機械系統(tǒng)中的構(gòu)件當作剛性體來處理，在某種程度上可以滿足設(shè)計要求.但在機械系統(tǒng)的運動過程中，有時需要考慮構(gòu)件的變形以及構(gòu)件內(nèi)部的應(yīng)力應(yīng)變分布情況，這時必須把機械系統(tǒng)中的部分構(gòu)件作為柔性體來處理，這樣才能反映機械系統(tǒng)的真實運動情況.當前機械系統(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]，該方法需要創(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)交換來完成機械系統(tǒng)的剛?cè)狁詈蟿恿W分析.隨著計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，ANSYS軟件的功能也不斷完善和增強，機械系統(tǒng)的剛?cè)狁詈蟿恿W分析可以在ANSYS Workbench軟件的Transient Structural模塊中實現(xiàn).本研究基于ANSYS Workbench軟件平臺，以某牛頭刨床機構(gòu)為例進行剛?cè)狁詈蟿恿W仿真分析，得到了將導桿和連桿作為柔性體的刨床機構(gòu)的運動特征曲線和切削阻力作用下的導桿與連桿的最大應(yīng)力隨時間變化的曲線.這種方法可以在同一平臺界面下對剛?cè)狁詈蠙C械系統(tǒng)進行運動學分析和動力學分析，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 牛頭刨床機構(gòu)

圖1所示為某牛頭刨床機構(gòu)簡圖，各構(gòu)件尺寸為：曲柄1LAB=108 mm，導桿3LCD=620 mm，連桿4LDE=300 mm，機架LAC=350 mm，LEC=635 mm.其中，曲柄1為原動件，其動力由電機提供并通過齒輪傳遞過來[9，10].

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

2 牛頭刨床機構(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軟件的實體造型和虛擬裝配功能，首先在零件模式下對牛頭刨床機構(gòu)的各構(gòu)件進行建模，接著在裝配模式下對各構(gòu)件進行虛擬裝配，建立牛頭刨床機構(gòu)的三維模型，然后無縫導入ANSYS Workbench軟件中，建立牛頭刨床機構(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，要跟所做的分析項目進行關(guān)聯(lián)，并在其中根據(jù)各構(gòu)件材料對相應(yīng)的材料屬性進行設(shè)置.本研究利用ANSYS Workbench軟件中的Transient Structural模塊對牛頭刨床機構(gòu)進行剛?cè)狁詈蟿恿W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．傳動輪；2．滑塊；3．導桿；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牛頭刨床機構(gòu)的有限元模型
Fig.2Thefiniteelementmodelofdrivingmechanismofashaper

2.3運動關(guān)節(jié)的建立

在牛頭刨床機構(gòu)的有限元模型中，各構(gòu)件之間需要通過運動關(guān)節(jié)(Joint)進行連接.在Transient Structural模塊中建立各構(gòu)件之間的運動關(guān)節(jié)連接方式時，需利用軟件對機構(gòu)的自由度進行計算，并檢查是否有冗余約束的產(chǎn)生，根據(jù)機構(gòu)的自由度和冗余約束的檢查結(jié)果，選擇合適的運動關(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，還要注意局部坐標系的坐標軸的設(shè)置，保證構(gòu)件的運動情況與未約束的自由度相符.

3 牛頭刨床機構(gòu)的剛?cè)狁詈蟿恿W仿真分析

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

3.1運動學仿真結(jié)果分析

對牛頭刨床機構(gòu)進行剛?cè)狁詈线\動學仿真分析，得到滑枕的運動特征曲線，從而得到牛頭刨床的運動規(guī)律.滑枕的運動特征曲線如圖3～圖5所示.圖3為滑枕的位置隨時間變化的曲線，滑枕在1.86 s處運動到最大位置，接著開始返回，其運動的最大位移，即行程為0.382 m.圖4為滑枕的速度隨時間變化的曲線，在工作過程中，滑枕在0.92 s處達到最大速度0.292 m·s-1，在返回過程中，滑枕在2.52 s處達到最大速度0.553 m·s-1.

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

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

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

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

3.2動力學仿真結(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模塊中對牛頭刨床機構(gòu)進行剛?cè)狁詈蟿恿W仿真分析時，切削阻力采用Remote Force定義，作用時間為0.2～1.6 s.經(jīng)過仿真分析，得到導桿和連桿在運動過程中的最大應(yīng)力的變化曲線.圖6所示為導桿在運動過程中的最大應(yīng)力隨時間變化的曲線，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，此時牛頭刨床所受到的切削阻力剛變?yōu)榱悖辞邢鹘Y(jié)束.圖7所示為連桿在運動過程中的最大應(yīng)力隨時間變化的曲線，在0.25 s處最大應(yīng)力達到最大值5.087×106Pa，在0.31 s之后略有減小，整個工作過程中連桿的最大應(yīng)力變化不大.

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

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

4 結(jié)語

借助ANSYS Workbench軟件的Transient Structural模塊對某一牛頭刨床機構(gòu)進行剛?cè)狁詈蟿恿W仿真分析，在分析中將牛頭刨床機構(gòu)的導桿和連桿作為柔性體處理，不僅得到了牛頭刨床機構(gòu)的運動規(guī)律，而且還得到了在切削阻力的作用下，導桿和連桿在運動過程中最大應(yīng)力隨時間的變化情況.利用這種方法對機械系統(tǒng)進行剛?cè)狁詈蟿恿W分析，避免了分析數(shù)據(jù)在不同分析軟件之間相互交換，實現(xiàn)在同一平臺界面下完成剛?cè)狁詈蠙C械系統(tǒng)的運動學分析和動力學分析.

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(責任編輯：蔣國良)

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)計劃項目 (112102210212)

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

馬斌強，1979年生，男，河南靈寶人，實驗師；袁 超，1961年生，男，河南開封人，副教授.

1000-2340(2014)05-0623-03