1、15-压缩机曲轴刚体及柔体瞬态动力学分析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
2、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.
3、 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Spaceclai
4、m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“M
5、etric (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
6、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
7、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
8、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
9、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
10、/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=1
11、00，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】-【De
12、formation】-【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
13、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，
14、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
15、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 R
16、esults”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。# 2018 ANSYS, Inc.December 16, 2020ANSYS Confidential
