基于ANSYS/LS-DYNA凸輪機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)接觸分析

董龍治， 王保民

(陜西理工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院， 陜西 漢中 723003)

在各種機(jī)械，特別是自動(dòng)控制裝置中，廣泛采用著各種形式的凸輪機(jī)構(gòu).只要正確設(shè)計(jì)出凸輪的輪廓曲線，推桿就可以得到預(yù)期的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，而且響應(yīng)快速，機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊.根據(jù)推桿的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，可以在PRO/E中對(duì)凸輪精確建模.利用ANSYS/LS-DYNA處理的等效應(yīng)力分布圖，可以直觀觀察凸輪機(jī)構(gòu)在不同時(shí)刻的應(yīng)力分布情況，省去復(fù)雜的計(jì)算公式[1].

1 凸輪的建模

1)打開(kāi)PRO/E—新建零件，插入—模型基準(zhǔn)—曲線—從方程，以PRT_CSYS_DEF為笛卡爾坐標(biāo)系，曲線方程依次為推程、遠(yuǎn)休止、回程、近休止凸輪輪廓的變化值.以Front為草繪平面，通過(guò)邊創(chuàng)建圖元將4條曲線變?yōu)楫?dāng)前曲線，并保存sec格式，關(guān)閉PRO/E.

2)打開(kāi)PRO/E—新建零件，插入—模型基準(zhǔn)—圖形，命名為tulun，再使用草繪—數(shù)據(jù)來(lái)自文件—文件系統(tǒng)，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(gè)半徑比基圓小10mm的圓.插入—可變截面掃描，草繪的圓為原點(diǎn)軌跡—可變截面，創(chuàng)建掃描剖面如圖1所示，長(zhǎng)度為10mm的線段驅(qū)動(dòng)公式為sd3=10+evalgraph(′tulun′,trajpar*360)，完成后如圖2所示.

4)通過(guò)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(jìn)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(duì)心平底推桿凸輪機(jī)構(gòu)

2 凸輪的動(dòng)態(tài)接觸分析

ANSYS/LS-DYNA是世界上最著名的通用顯示非線性動(dòng)力分析程序，能夠模擬真實(shí)世界的各種復(fù)雜幾何非線性、材料非線性和接觸非線性問(wèn)題，廣泛應(yīng)用到機(jī)械、電子、能源、冶金、航天航空、土木等領(lǐng)域，并對(duì)這些領(lǐng)域產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響.凸輪機(jī)構(gòu)在ANSYS/LS-DYNA中動(dòng)態(tài)接觸分析的步驟如下：

2.1 導(dǎo)入模型

裝配體通過(guò)PRO/E和ANSYS的無(wú)縫連接，導(dǎo)入到ANSYS/LS-DYNA中，PRO/E和ANSYS/LS-DYNA要統(tǒng)一單位(長(zhǎng)度mm、質(zhì)量kg、時(shí)間s、應(yīng)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(jié)構(gòu)實(shí)體單元，由8節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，沒(méi)有實(shí)常數(shù).Shell163是一個(gè)4節(jié)點(diǎn)顯示結(jié)構(gòu)薄殼單元，有彎曲和膜特征，可加平面和法向載荷.設(shè)置shell163實(shí)常數(shù)：剪切因數(shù)SHRF為5/6、積分點(diǎn)數(shù)值NIP為3、節(jié)點(diǎn)處的厚度T1為0.1[3].

2.3 設(shè)置單元材料

凸輪結(jié)構(gòu)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(shè)置4種材料：第1和第3種材料相同，均為L(zhǎng)inear—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(wǎng)格

設(shè)置凸輪實(shí)體的網(wǎng)格屬性：MAT為1、REAL為1、TYPE為solid164.凸輪內(nèi)圈的網(wǎng)格屬性：MAT為2、REAL為1、TYPE為shell163.推桿的網(wǎng)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(shè)置好網(wǎng)格屬性后，分別對(duì)它們進(jìn)行網(wǎng)格劃分[4].

2.5 創(chuàng)建PART，定義數(shù)組參數(shù)

通過(guò)Main Menu—Preprocessor—LS—DYNA Options—Part options創(chuàng)建所有的PART.選取推桿頂部平面的節(jié)點(diǎn)，創(chuàng)建節(jié)點(diǎn)組元命名為jiedian.Parameters—Array Parameters—Define/Edit----，定義數(shù)組參數(shù)：time=[0，1]、F=[100000/jiedian個(gè)數(shù)，100000/jiedian個(gè)數(shù)]、RV=[25.12，25.12].

2.6 定義接觸，施加驅(qū)動(dòng)和載荷

Main Menu—Preprocessor—LS—DYNA Options—Contact—Define Contact：采用面面自動(dòng)接觸，接觸面為PART3(推桿)，目標(biāo)面為PART1(凸輪).Main Menu—Preprocessor—LS—DYNA Options—Loading Options—Specify Loads：PART2施加RBOZ的驅(qū)動(dòng)，time values為time，data values為RV(凸輪施加旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)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(shí)間設(shè)定為0.25s(凸輪轉(zhuǎn)1周所用時(shí)間).Main Menu—Solution—Output Controls—Output File Types：設(shè)置輸出格式為ANSYS and LS—DYNA.Main Menu—Solution—Output Controls—File Output Freq—Number of Steps：設(shè)置輸出步數(shù)都為100.設(shè)置好后進(jìn)行求解.

2.8 觀察結(jié)果

POST1每次只能讀入某個(gè)載荷步的結(jié)果，POST26可以查看結(jié)果數(shù)據(jù)隨時(shí)間、載荷、頻率等其他變量的變化情況，LS—PREPOST是專門為L(zhǎng)S—DYNA求解器開(kāi)發(fā)的后處理.圖4為通過(guò)LS—PREPOST得到的對(duì)心平底推桿盤(pán)形凸輪機(jī)構(gòu)在不同時(shí)刻的等效應(yīng)力云圖，圖5為在不同時(shí)刻的等效應(yīng)變?cè)茍D，圖6為推桿的位移變化規(guī)律.

(a) 0.075s

(b) 0.16s圖4 不同時(shí)刻的等效應(yīng)力云圖

3 結(jié)束語(yǔ)

(a)0.025s

(b) 0.185s圖5 不同時(shí)刻的等效應(yīng)變?cè)茍D

圖6 推桿的位移變化規(guī)律

詳細(xì)介紹了凸輪的建模過(guò)程和基于ANSYS/LS-DYNA凸輪機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)接觸分析的步驟，利用LS-DYNA強(qiáng)大的后處理功能，得出凸輪機(jī)構(gòu)應(yīng)力隨時(shí)間的變化情況,通過(guò)圖形形式顯示的結(jié)果更直觀，省去了復(fù)雜的公式計(jì)算過(guò)程.在后處理中還可以得到推桿的位移變化規(guī)律，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的凸輪機(jī)構(gòu)是否滿足要求.

[1]王領(lǐng),包繼華,劉振，等.基于ANSYS的凸輪從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)分析[J].煤礦機(jī)械, 2011, 32(4):110-112.

[2]劉永霞.基于 Pro/E參數(shù)化建模技術(shù)的凸輪輪廓線精確設(shè)計(jì)[J].南華大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版, 2011, 25(3):35-38.

[3]燕蕓,王建宇.基于ANSYS/ LS- DYNA的齒輪接觸應(yīng)力分析[J].機(jī)械管理開(kāi)發(fā), 2011, 124(6):211-212.

[4]柴群,萬(wàn)朝燕.基于ANSYS/LS-DYNA的蝸輪蝸桿動(dòng)態(tài)接觸分析[J].現(xiàn)代制造工程, 2006(11):46-48.