基于ANSYS/LS-DYNA凸轮机构的动态接触分析

2013-12-18董龙治王保民

山东理工大学学报（自然科学版） 2013年4期

董龙治，王保民

(陕西理工学院机械工程学院，陕西汉中 723003)

在各种机械，特别是自动控制装置中，广泛采用着各种形式的凸轮机构.只要正确设计出凸轮的轮廓曲线，推杆就可以得到预期的运动规律，而且响应快速，机构简单紧凑.根据推杆的运动规律，可以在PRO/E中对凸轮精确建模.利用ANSYS/LS-DYNA处理的等效应力分布图，可以直观观察凸轮机构在不同时刻的应力分布情况，省去复杂的计算公式[1].

1 凸轮的建模

1)打开PRO/E—新建零件，插入—模型基准—曲线—从方程，以PRT_CSYS_DEF为笛卡尔坐标系，曲线方程依次为推程、远休止、回程、近休止凸轮轮廓的变化值.以Front为草绘平面，通过边创建图元将4条曲线变为当前曲线，并保存sec格式，关闭PRO/E.

2)打开PRO/E—新建零件，插入—模型基准—图形，命名为tulun，再使用草绘—数据来自文件—文件系统，选取保存的sec格式的文件，退出图形.

3)以Front为草绘平面，草绘一个半径比基圆小10mm的圆.插入—可变截面扫描，草绘的圆为原点轨迹—可变截面，创建扫描剖面如图1所示，长度为10mm的线段驱动公式为sd3=10+evalgraph(′tulun′,trajpar*360)，完成后如图2所示.

4)通过填充、加厚、拉伸等命令完成凸轮的三维模型.在PRO/E组件中，将凸轮与平底推杆进行装配[2]，如图3所示.

图1 扫描剖面图

图2 凸轮的轮廓

图3 对心平底推杆凸轮机构

2 凸轮的动态接触分析

ANSYS/LS-DYNA是世界上最著名的通用显示非线性动力分析程序，能够模拟真实世界的各种复杂几何非线性、材料非线性和接触非线性问题，广泛应用到机械、电子、能源、冶金、航天航空、土木等领域，并对这些领域产生了深远影响.凸轮机构在ANSYS/LS-DYNA中动态接触分析的步骤如下：

2.1 导入模型

装配体通过PRO/E和ANSYS的无缝连接，导入到ANSYS/LS-DYNA中，PRO/E和ANSYS/LS-DYNA要统一单位(长度mm、质量kg、时间s、应力kPa、力mN).

2.2 定义单元类型

选用solid164和shell163两种单元，solid164用于三维的显示结构实体单元，由8节点构成，没有实常数.Shell163是一个4节点显示结构薄壳单元，有弯曲和膜特征，可加平面和法向载荷.设置shell163实常数：剪切因数SHRF为5/6、积分点数值NIP为3、节点处的厚度T1为0.1[3].

2.3 设置单元材料

凸轮结构的材料选用45钢，密度7.85×10-6kg/mm3、弹性模量2.1×108kPa、泊松比0.269.设置4种材料：第1和第3种材料相同，均为Linear—Elastic—Isotropic、第2种材料为Rigid material，约束All—disps和X and Y rotate、第4种材料为Rigid material，约束Y and Z disps和All rotations.

2.4 划分网格

设置凸轮实体的网格属性：MAT为1、REAL为1、TYPE为solid164.凸轮内圈的网格属性：MAT为2、REAL为1、TYPE为shell163.推杆的网格属性：MAT为3、REAL为1、TYPE为solid164.推杆上部外圈的属性：MAT为4、REAL为1、TYPE为shell163.设置好网格属性后，分别对它们进行网格划分[4].

2.5 创建PART，定义数组参数

通过Main Menu—Preprocessor—LS—DYNA Options—Part options创建所有的PART.选取推杆顶部平面的节点，创建节点组元命名为jiedian.Parameters—Array Parameters—Define/Edit----，定义数组参数：time=[0，1]、F=[100000/jiedian个数，100000/jiedian个数]、RV=[25.12，25.12].

2.6 定义接触，施加驱动和载荷

Main Menu—Preprocessor—LS—DYNA Options—Contact—Define Contact：采用面面自动接触，接触面为PART3(推杆)，目标面为PART1(凸轮).Main Menu—Preprocessor—LS—DYNA Options—Loading Options—Specify Loads：PART2施加RBOZ的驱动，time values为time，data values为RV(凸轮施加旋转驱动25.12rad/s).Jiedian施加Fx的力，time values为time，data values为F(推杆受到100 000mN的力).

2.7 求解控制与求解

Main Menu—Solution—Time Controls—Solution Time：求解时间设定为0.25s(凸轮转1周所用时间).Main Menu—Solution—Output Controls—Output File Types：设置输出格式为ANSYS and LS—DYNA.Main Menu—Solution—Output Controls—File Output Freq—Number of Steps：设置输出步数都为100.设置好后进行求解.

2.8 观察结果

POST1每次只能读入某个载荷步的结果，POST26可以查看结果数据随时间、载荷、频率等其他变量的变化情况，LS—PREPOST是专门为LS—DYNA求解器开发的后处理.图4为通过LS—PREPOST得到的对心平底推杆盘形凸轮机构在不同时刻的等效应力云图，图5为在不同时刻的等效应变云图，图6为推杆的位移变化规律.