1、本科毕业论文（20 届）基于 ANSYS 的连杆机构运动分析所在学院专业班级 机械设计制造及自动化学生姓名指导教师完成日期基于 ANSYS 的连杆机构运动分析摘要：随着工业的发展，连杆机构应用越来越广泛，从工业包装行业到航空业，都能够见到连杆机构应用的影子。连杆机构的运动特性参数决定了连杆机构能否满足使用要求。简单的四连杆机构，我们可以根据机械原理与理论力学等理论，虽然通过选取特殊状态能够求得特定时刻的运动特性参数，包括位移、速度、加速度，但是无法求得任意时刻的运动特性参数。而且当连杆数量的增加，求解变得更加复杂。本文另辟蹊跷，利用有限元理论建立了有限元模型，施加载荷以及边界条件，求得了四连杆
2、机构的运动特性参数，为更复杂的连杆机构设计提出了建设性的方法。采用 ANSYS 中的相关单元对连杆机构进行模型的搭建以及边界处理，进而求的所希望的位移、速度和加速度等随时间变化的相关数据。论文首先建立简单四连杆机构的 ANSYS 模型进行求解，选取某一特定状态，将结果同解析法进行对比，验证基于ANSYS 的方法的可行性。然后通过 ANSYS 计算某一复杂的连杆机构的运动特性，并对所分析的机构利用机械原理相关理论去分析，为进一步优化做准备。关键词：连杆机构；有限元；解析法；Ansys 建模Analysis of linkage mechanism based on ANSYSAbstract：W
3、ith the development of industry, connecting rod mechanism is used more and more widely, from the industrial packaging industry to the aviation industry, will be able to see the shadow of the connecting rod mechanism application. The motion parameters of linkage mechanism determines the linkage mecha
4、nism can meet the use requirements. The four connecting rod mechanism is simple, we can according to the mechanical principle and theoretical mechanics theory, although the movement characteristic parameters to obtain a special state specific time, including the displacement, velocity, acceleration,
5、 movement parameters, but can not find any time. And when increasing the number of connecting rod, solving more complex.In this paper, another strange, the finite element model is established by using the finite element theory, the loads and boundary conditions, the motion parameters of the four bar
6、 linkage obtained, presents a constructive approach to design more complex linkages. The relevant unit in the ANSYS model is established and the boundary treatment on the connecting rod mechanism, the relevant data and then the desired displacement, velocity and acceleration variation with time. Fir
7、stly, a simple ANSYS model of four bar linkage mechanism to solve, select a particular state, the results were compared with the analytical method, the feasibility of the method validation based on ANSYS. Then the motion characteristics of a complex linkage was calculated by ANSYS, and the analysis
8、of the mechanism of using mechanical theory to analyze, for the further optimization of preparation.Keywords: connecting rod mechanism; finite element；analytic method ；Ansys modelingI目 录1、前言 .11.1 目的和意义 .11.2 研究手段和所做工作 .12、连杆机构与有限元理论方法简介 .22.1 连杆机构 .22.2 有限元理论以及动力学分析 .32.3 涉及的单元简介 .52.3.1 COMBIN7 介绍
9、 .52.3.2 BEAM4 介绍 .62.3.3 四连杆机构的有限元模型 .72.4 参数化 APDL 语言 .73、不同计算方法对比研究 .93.1 问题描述 .93.2 解析法 .93.3 有限元法 .113.3.1 建立工作文件 .123.3.2 定义参量 .123.3.3 创建单元类型 .133.3.4 定义材料特性 .143.3.5 定义实常数 .153.3.6 创建节点 .163.3.7 指定单元属性 .173.3.8 创建铰链单元 .183.3.9 指定单元属性 .183.3.10 创建梁单元 .193.3.11 定分析类型 .19II3.3.12 打开大变形选项 .193.3
10、.13 确定数据库和结果文件中包含的内容 .213.3.14 设定非线性分析的收敛值 .213.3.15 施加约束 .223.3.16 求解 .223.3.17 定义变量 .233.3.18 对变量进行数学操作 .233.3.19 用曲线图显示角位移、角速度和角加速度 .243.3.20 列表显示角位移、角速度 .253.4 方法验证说明 .264、变形机构的运动分析 .274.1 采用 APDL 参数化建立复杂模型 .274.2 对模型进行分析求解 .27结 论 .30参考文献 .31致 谢 .32附录 .3311、前言1.1 目的和意义随着工业的发展，四连杆机构以各种变形形式出现在生活中。
11、在设计四连杆过程中，获取其运动特性（位移、速度、加速度），对于前期的设计来说至关重要。通过机械原理和理论力学的相关知识理论，我们能够求解结构比较简单的四连杆机构运动特性参数。但是结构比较复杂，或者对某一个结构的几何参数进行调整，解析求解计算量都相当大，计算阶段浪费了大量的时间，而计算在产品的定型设计过程中，概念设计以及参数调整显得更为重要。本文另辟蹊跷，利用有限元理论建立了有限元模型，施加载荷以及边界条件，求得了四连杆机构的运动特性参数，为更复杂的连杆机构设计提出了建设性的方法。1.2 研究手段和所做工作本课题要研究的问题就是在连杆设计的过程中，连杆机构运动特性的获取问题，从而根据所求得的数据
12、进行连杆机构各个参数的优化。解析方法能够求的某一状态下的连杆机构的运动特性，但是无法得到准确的随时间变化的曲线。采用 ANSYS 中的相关单元对连杆机构进行模型的搭建以及边界处理，进而求的所希望的位移、速度和加速度等随时间变化的相关数据。本课题首先建立简单四连杆机构的 ANSYS 模型进行求解，选取某一特定状态，将结果同解析法进行对比，验证基于 ANSYS 的方法的可行性。然后通过 ANSYS 计算某一复杂的连杆机构的运动特性，并进行优化设计。22、连杆机构与有限元理论方法简介2.1 连杆机构低副是面接触，耐磨损；加上转动副和移动副的接触表面是圆柱面和平面，制造简便，易于获得较高的制造精度。因
13、此，平面连杆机构在各种机械和仪器中获得广泛应用。连杆机构的缺点是：低副中存在间隙，数目较多的低副会引起运动累积误差；而且它的设计比较复杂，不易精确地实现复杂地运动规律。 最简单的平面连杆机构是由四个构件组成的，称为平面四杆机构。它的应用非常广泛，而且是组成多杆机构的基础。 由若干个刚性构件通过低副（转动副、移动副）)联接，且各构件上各点的运动平面均相互平行的机构，又称平面低副机构。低副具有压强小、磨损轻、易于加工和几何形状能保证本身封闭等优点，故平面连杆机构广泛用于各种机械和仪器中。与高副机构相比，它难以准确实现预期运动，设计计算复杂。 平面连杆机构中最常用的是四杆机构，它的构件数目最少，且能
14、转换运动。多于四杆的平面连杆机构称多杆机构，它能实现一些复杂的运动，但杆多且稳定性差。连杆机构根据各点的空间位置不同，分为平面连杆机构和空间连杆机构。空间连杆机构是由若干刚性构件通过低副（转动副、移动副）联接，而各构件上各点的运动平面相互不平行的机构，又称空间低副机构。空间连杆机构常应用于农业机械、轻工机械、纺织机械、交通运输机械、机床、工业机器人、假肢和飞机起落架中。图 2.1 飞机起落架连杆机构根据机构构成的杆的数量可以分为四连杆机构、六连杆机构等。3图 2.2 四连杆与六连杆机构平面连杆机构的特点（1）适用于传递较大的动力，常用于动力机械。（2）依靠运动副元素的几何形面保持构件间的相互接
15、触，且易于制造，易于保证所要求的制造精度。（3）能够实现多种运动轨迹曲线和运动规律， 工程上常用来作为直接完成某种轨迹要求的执行机构。不足之处：（1）不宜于传递高速运动（平衡困难）。（2）可能产生较大的运动累积误差（多杆）。2.2 有限元理论以及动力学分析有限元分析是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的(较简单的）近似解，然后推导求解这个域总的满足条件(如结构的平衡条件），从而得到问题的解。这个解不是准确解，而是近似解，因为实际问题被较简单的问题所代替。由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适
16、应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段。4有限元是那些集合在一起能够表示实际连续域的离散单元。有限元的概念早在几个世纪前就已产生并得到了应用，例如用多边形（有限个直线单元）逼近圆来求得圆的周长，但作为一种方法而被提出，则是最近的事。有限元法最初被称为矩阵近似方法，应用于航空器的结构强度计算，并由于其方便性、实用性和有效性而引起从事力学研究的科学家的浓厚兴趣。经过短短数十年的努力，随着计算机技术的快速发展和普及，有限元方法迅速从结构工程强度分析计算扩展到几乎所有的科学技术领域，成为一种丰富多彩、应用广泛并且实用高效的数值分析方法。在解偏微分方程的过程中, 主要的难点是如何构造一个方程来逼
17、近原本研究的方程, 并且该过程还需要保持数值稳定性。目前有许多处理的方法，他们各有利弊。当区域改变时(就像一个边界可变的固体), 当需要的精确度在整个区域上变化, 或者当解缺少光滑性时, 有限元方法是在复杂区域 (像汽车和输油管道)上解偏微分方程的一个很好的选择。例如, 在正面碰撞仿真时, 有可能在“重要“区域(例如汽车的前部)增加预先设定的精确度并在车辆的末尾减少精度(如此可以减少仿真所需消耗); 另一个例子是模拟地球的气候模式, 预先设定陆地部分的精确度高于广阔海洋部分的精确度是非常重要的。对于不同物理性质和数学模型的问题，有限元求解法的基本步骤是相同的，只是具体公式推导和运算求解不同。有
18、限元求解问题的基本步骤通常为：第一步：问题及求解域定义：根据实际问题近似确定求解域的物理性质和几何区域。第二步：求解域离散化：将求解域近似为具有不同有限大小和形状且彼此相连的有限个单元组成的离散域，习惯上称为有限元网络划分。显然单元越小（网格越细）则离散域的近似程度越好，计算结果也越精确，但计算量及误差都将增大，因此求解域的离散化是有限元法的核心技术之一。第三步：确定状态变量及控制方法：一个具体的物理问题通常可以用一组包含问题状态变量边界条件的微分方程式表示，为适合有限元求解，通常将微分方程化为等价的泛函形式。第四步：单元推导：对单元构造一个适合的近似解，即推导有限单元的列式，其中包括选择合理
19、的单元坐标系，建立单元试函数，以某种方法给出单元各状态变量的离散关系，从而形成单元矩阵（结构力学中称刚度阵或柔度阵）。5为保证问题求解的收敛性，单元推导有许多原则要遵循。 对工程应用而言，重要的是应注意每一种单元的解题性能与约束。例如，单元形状应以规则为好，畸形时不仅精度低，而且有缺秩的危险，将导致无法求解。第五步：总装求解：将单元总装形成离散域的总矩阵方程（联合方程组），反映对近似求解域的离散域的要求，即单元函数的连续性要满足一定的连续条件。总装是在相邻单元结点进行，状态变量及其导数（可能的话）连续性建立在结点处。第六步：联立方程组求解和结果解释：有限元法最终导致联立方程组。联立方程组的求解可用直接法、迭代法和随机法。求解结果是单元结点处状态变量的近似值。对于计算结果的质量，将通过与设计准则提供的允许值比较来评价并确定是否需要重复计算。简言之，有限元分析可分成三个阶段，前置处理、计算求解和后置处理。前置处理是建立有限元模型，完成单元网格划分；后置处理则是采集处理分析结果，使用户能简便提取信息，了解计算结果。2.3 涉及的单元简介2.3.1 COMBIN7 介绍图 2.3 三维铰链单元 COMBIN7三维铰链 COMBIT7 单元属于三维单元，有 5 个节点，分别是活跃节点 I 和 J、用以定义铰链轴的节点 K,控制节点 L 和 M，如图。活跃节点 I 和 J 应该位置重合，并
