基于workbench的开卷机瞬态动力学分析

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２０１５年９月
内蒙古科技大学学报
ＪｏｕｒｎａｌｏｆＩｎｎｅｒＭｏｎｇｏｌｉａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
便快捷的得到主轴及扇形板应力分布云图及应力与时间关系曲线图，从而提高了分析效率而且分析更符合实际工
况．
Ｔｒａｎｓｉｅｎｔｄｙｎａｍｉｃｓａｎａｌｙｓｉｓｏｆｕｎｃｏｉｌｉｎｇｍａｃｈｉｎｅｂａｓｅｄｏｎｗｏｒｋｂｅｎｃｈ
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｕｎｃｏｉｌｅｒ；ｍａｉｎｓｈａｆｔ；ｓｅｇｍｅｎｔｌｆａｔｅ；ｔｈｅｔｒａｎｓｉｅｎｔｄｙｎａｍｉｃａｎａｌｙｓｉｓＡｂｓｔｒａｃｔ：Ａｔｐｒｅｓｅｎｔ，ｔｈｅｍａｉｎｍｅｔｈｏｄｏｆａｎａｌｙｓｉｎｇｔｈｅＵｎｃｏｉｌｅｒｔｒａｎｓｉｅｎｔｄｙｎａｍｉｃｉｓｔｏｃｏｍｂｉｎｅｔｈｅｍａｉｎｓｈｆｔａａｎｄｔｈｅｓｅｇｍｅｎｔｉｎｔｏｏｎｅｅｎｔｉｔｙｍｏｄｅｌｆｏｒｉｆｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｎａａｌｙｓｉｓ．Ｈｏｗｅｖｅｒ，ｔｈｉｓｍｅｔｈｏｄｉｇｎｏｒｅｓｔｈｅｆｒｉｃｔｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｃｏｎｔａｃｔ，ａｎｄｔｈｅａｎａｌｙｓｉｓｒｅｓｕｌｔｃａｎｔａｃｃｕｒａｔｅｌｙｄｅｓｃｒｉｂｅｔｈｅｕｎｃｏｉｌｅｒｗｈｅｎｓｔａｒｔｉｎｇｔｈｅｍａｉｎｓｈａｆｔａｎｄｔｈｅｓｅｇｍｅｎｔｐｌａｔｅ，ｓｓｔｒｅｓｓｗｉｔｈｔｉｍｅ．Ｈｅｒｅｉｎ．ｔｈｅｓｐｉｎｄｌｅａｎｄｆａｎ — ｓｈａｐｅｄｐｌａｔｅｉｎｔｈｅｒｅａｌｗｏｒｋｉｎｇｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｏｆｔｈｅｃｏｎｔａｃｔｂｅｈａｖｉｏｒｗｅｒｅｓｉｍｕｌａｔｅｄｕｓｉｎｇｗｏｒｋｂｅｎｃｈｏｎｔｈｅｍａｉｎｓｈａｆｔａｎｄｔｈｅｓｅｍｅｇｎｔ
Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ，２０１５Ｖｏ１．３４，Ｎｏ．３
第３４卷第３期
文章编号：２０９５— ２２９５（２０１５）０３— ０２４３— ０５
ＤＯＩ：１０．１６５５９／ｊ．ｃｎｋｉ．２０９５— ２２９５．２０１５．０３．００９
ＷＡＮＧＣｈａｎｇ，ＷＡＮＧＹａｎ，ＦＡＮＧＷｅｉ — ｘｉｎ，ＪｉａｎｇＷｅｉ（ＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＳｃｈｏｏｌ，ＩｎｎｅｒＭｏｎｇｏｌｉａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｂａｏｔｏｕ０１４０１０，Ｃｈｉｎａ）
摘
要：目前对开卷机进行瞬态动力学分析的主要方法为将卷筒及主轴组合为一个实体模型来进行有限元分析，
Байду номын сангаас
该方法忽略了各接触之间的摩擦，其分析结果无法准确描述开卷机在起动时主轴及扇形板的应力与时间的关系．
本文模拟主轴及扇形板在真实工况下的接触行为，用ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ对开卷机主轴及扇形板进行瞬态动力学分析．仿真结果表明，各部件的强度均满足设计要求．应用该方法结果表明，在无需将模型等效简化的情况下，能够一次性方
基于ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ的开卷机瞬态动力学分析
王昌，王岩，方伟欣，姜伟
０１４０００）（内蒙古科技大学机械工程学院，内蒙古包头
关键词：开卷机；主轴；扇形板；瞬态动力学分析
中图分类号：Ｔｃ３３３．２文献标识码：Ａ
ｌｆａｔｅｏｆｔｒａｎｓｉｅｎｔｄｙｎａｍｉｃａｎａｌｙｓｉｓ．Ｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔ，ｌｌａｐａｎｓｏｆｔｈｅｓｔｒｅｎｇｔｈｍｅｅｔｔｈｅｄｅｓｉｇｎｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ．Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ

Workbench瞬态热分析

Workbench瞬态热分析问题描述：将一个温度为900摄氏度的钢球放在空气中冷却，分别查看钢球和外部空气的温度变化。

分析类型：瞬态热分析分析平台：ANSYS Workbench 17.0分析人：技术邻一无所有就是打拼的理由研究模型：自定义一、引言结构热分析主要包括热传导、热对流、热辐射，热分析遵循热力学第一定律，即能量守恒。

传热即是热量传递，凡是有温差存在的地方，必然有热量的传递。

传热现象在现实生活中普遍存在，比如食物的加热，冷却，有相变存在的蒸发冷凝换热等。

热分析类型主要有稳态热分析和瞬态热分析。

稳态热分析中，我们只关心物体达到热平衡状态时的热力条件，而不关心达到这种状态所用的时间。

在稳态热分析中，任意节点的温度不随时间的变化而变化。

一般来说，在稳态热分析中所需要的唯一材料属性是热导率。

在瞬态热分析中，我们只关心模型的热力状态与时间的函数关系，比如对水的加热过程。

在瞬态热分析中，需要对材料赋予热导率，密度，比热容等材料属性及初始温度，求解时间和时间增量这些边界条件。

在装配体的热分析中，我们还要考虑到接触区域传热，由于接触面可能存在表面粗糙度，接触压力等情况存在，导致存在接触热阻。

接触面存在两种传热方式，一种是附体间的热传递，另一种是通过空隙层的热传导，但因为气体的热导率比较低，所以接触热阻不利于传热。

由于钢球散热与时间有关，我们选择瞬态热分析进行钢球的散热分析。

二、分析思路及流程在分析中，我们忽略空气的流动。

先进行稳态热分析，获得瞬态热分析的初始条件，然后将其传递到瞬态热分析中；在瞬态热分析中添加空气对流换热，来求解随时间变化的温度场。

分析流程如下图所示：三、模型建立及网格划分：由于选取模型比较简单，我们在DM中建立一个钢球，选择钢球的半径为30mm，然后在外侧包络一层空气，包络厚度选择30mm，由于模型是对称的，为了节省计算时间，减少计算量，选取1/4模型进行研究（也可以选取1/8）。

由于模型较为简单，网格采用自动划分，模型及网格如下图所示：四、边界条件施加及结果分析：因为该问题为瞬态热分析，我们需要先进行稳态热分析获得瞬态热分析所需要的初始条件，对钢球设置初始温度为900摄氏度，空气初始温度为22摄氏度，将稳态热分析的结果作为瞬态分析的初始条件，对空气对流换热系数为10W/m2K。

ANSYSWorkbench在结构瞬态动力学分析中的应用_巨文涛

=
｛ un ｝
2
+
｛ un ｝
Δt （ 6）
其中： α 、δ 为 New mark 积分参数在时刻控制方程为了计算下一时刻的位移 u n + 1 ，（ 2． 4 ）为［ M］ C］ K］｛ un + 1 ｝ + ［｛ un + 1 ｝ + ［｛ un + 1 ｝ = ｛ Fa ｝（ 7）由（ 5 ）和（ 6 ）得｛ u n + 1 ｝ = a0 （｛ u n + 1 ｝－｛ u n ｝）－ a2 ｛ u n ｝－ a3 ｛ u n ｝（ 8）｛ u n + 1 ｝｛ u n ｝ + a6 ｛ u n ｝ + a7 ｛ u n + 1 ｝（ 9） 1 1 1 δ ， a = ， a = －1 ， a4 a1 = 其中 a0 = 2， αΔt 2 αΔt 3 2 α αΔt δ Δt δ a5 = （－ 2）， = －1 ， a6 = Δt（ 1 － δ），a7 = Δtδ 2 α α （ 8 ）和（ 9 ）得由（ 7 ）、 M］+ a1［ C］ + ［ K］ M］a0 （ a0［）｛ un + 1 ｝ = ｛ Fa ｝ + ［｛ u n ｝ + a2 ｛ u n ｝ + a3 ｛ u n ｝ + ［ C］（ a1 ｛ u n ｝ + a4 ｛ u n ｝ + a5 （ 10 ）｛ un ｝）根据以上各式，速可以得到 t n + 1 时刻的位移 u n + 1 、度 u n + 1 和 u n + 1 加速度。利用式（ 5 ）和（ 6 ）得到的 New mark 求解方法的无条件稳定必须满足： 1 1 1 1 + δ） 2 ，（ 11 ） δ≥ ， + δ + α ＞ 0 α≥ （ 4 2 2 2 New mark 参数 1 1 2 （ 12 ） δ = +γ α = （ 1 + γ）， 4 2 其中： γ 为振幅衰减因子通过观察（ 11 ）和（ 12 ）可以发现无条件稳定也可以 1 1 2 α≥ （ 1 + γ）且 γ≥0 。因此只要 γ 表述为 δ = + γ， 2 4 ≥0 ，则求解就是稳定的。 2． 2 HHT 算法 HHT 时间积分法由下式给出在完全瞬态分析中，［ M］｛ u n + 1 － αm ｝ + ［｛ u n + 1 － αf ｝ + ［｛ u n + 1 － αf ｝ = C］ K］｛ Fa n + 1 － αm ｝其中｛ u n + 1 － αm ｝ = （ 1 － α m ）｛ u n + 1 ｝ + α m ｛ u n ｝｛ u n + 1 － αf ｝ = （ 1 － α f ）｛ u n + 1 ｝ + α f ｛ u n ｝｛ u n + 1 － αf ｝ = （ 1 － α f ）｛ u n + 1 ｝ + α f ｛ u n ｝（ 13 ）

ansys_workbench瞬态动力分析(4)分析

积分时间步长
Training Manual
• AUTOTS对于全瞬态分析缺省是打开的. 对于缩减法和模态叠加法，是不可用的. • AUTOTS 会减小ITS (直到 Dtmin) 在下列情况:
– – – – – – 在响应频率处，小于20个点求解发散求解需要大量的平衡迭代（收敛很慢）塑性应变在一个时间步内累积超过15% 蠕变率超过0.1 如果接触状态要发生变化 ( 决大多数接触单元可由 KEYOPT(7) 控制)
缩减/完整结构矩阵
Training Manual
• 求解时既可用缩减结构矩阵，也可用完整结构矩阵； • 缩减矩阵：
– 用于快速求解； – 不允许非线性因素存在 – 根据主自由度写出[K]、[C]和[M]等矩阵，主自由度是完全自由度的子集； – 缩减的 [K] 是精确的，但缩减的 [C] 和 [M] 是近似的。
Training Manual
DYNAMICS 11.0
• 求解方法
– 完整矩阵方法为缺省方法。允许下列非线性选项：
• 大变形 • 应力硬化 • Newton-Raphson 解法
• 集中质量矩阵
– 主要用于细长梁和薄壁壳或波的传播
• 方程求解器
– 由程序自行选择
分析选项
• 求解选项 • 选择大位移瞬态分析或小变形瞬态分析 .
DYNAMICS 11.0
• 完整矩阵：
– 不进行自由度缩减，采用完整的[K]、[C]和[M]矩阵； – 下面的讨论都是基于此种方法。
积分时间步长
Training Manual
• 积分时间步长（亦称为ITS 或 Dt ）是时间积分法中的一个重要概念
– ITS = 两个时刻点间的时间增量 Dt ； – 积分时间步长决定求解的精确度，因而其数值应仔细选取。 – 对于缩减矩阵法与模态叠加法瞬态分析ANSYS 只允许ITS常值. – 完全法瞬态分析， ANSYS 可以自动调整时间步大小在用户指定的范围内

workbench瞬态动力学实例

workbench瞬态动力学实例Workbench是一种多用途的工程学软件，广泛应用于专业领域，比如CAD、FEA、CFD等工程设计中。

其中特别值得一提的是，Workbench瞬态动力学实例，该实例不仅可以帮助工程师们轻松地交互式地协作、可视化地探测设计，也能让他们精确地控制瞬态动力学仿真。

本文将围绕Workbench瞬态动力学实例进行介绍。

第一步, 打开Workbench。

将 Workbench 安装在您的计算机上。

在计算机桌面中单击 Workbench 图标，打开软件。

这时您将看到一个配备了工具栏和窗口的界面。

在工具栏中，选择“New Project”来创建一个新项目。

第二步, 选择“Analysis Type”，Workbench 中有许多分析类型，包括结构、流体、热传导、模拟等。

您需要选择“Structural”并输入项目名称。

这时出现了几个模板。

选择“Static Structural” 并单击“OK”。

第三步，载入模型, Workbench 软件能够读取各种文件类型，比如 SolidWorks、Pro/Engineer、AutoCAD等。

将您的模型载入 Workbench。

选择“Geometry”，单击“Import Geometry”，然后找到您的模型，单击打开。

第四步，定义材料及约束。

为了让 Workbench 能够对结构进行分析，它需要知道您使用的材料类型和约束。

在左侧的“Outline”窗口中单击“Properties”，在其中输入所需参数即可。

第五步，添加加载。

您能够添加各种形式的加载，比如重力、弯曲、支撑等。

单击“Add”按钮，选择“Force/Pressure”或“Displacement/Rotation”，在分析中添加所需的载荷。

第六步，运行仿真。

在这一步，您将应用装载并执行仿真以获得结果。

单击工具栏中的“Solve” 键，然后系统将开始求解问题。

求解完成后，结果将显示在右侧的“Outline”窗口中。

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ANSYSWorkbench在结构瞬态动力学分析中的应用_巨文涛

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workbench瞬态动力学实例

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