高等工程力学作业.doc

基于ADAMS的单自由度六杆复合式组合机构动力学分析及仿真一、题目在下图所示的六杆复合式组合机构，已知lAB=150mm，lBC=500mm，lDC=260mm，lBE=250mm，lAF=600mm，lAD=410mm，杆2和杆2固结，BE垂直于BC，AF垂直于AD，曲柄1的驱动力矩为2000NM,构件质量m1=20kg，m2=40kg，m2=20kg，m3=30kg，m4=70kg，滑块5质量忽略不计，构件6为机架；质心位置lCS1=75mm，lCS3=130mm，质心S5在点E，构件1、3绕质心的转动惯量JS1=0.0375kgm2，JS3=0.176kgm2；曲柄1的驱动力矩M1=2000Nm，方向为逆时针，作用在A点；该机构在工作行程时滑块受到摩擦力作用，静摩擦系数0.5，动摩擦系数0.3，试分析曲柄回转一周过程中：（1）曲柄1与X轴正方向夹角1随时间变化的关系，曲柄1转动的角速度1以及角加速度a1随时间变化的关系；（2）杆3与Y轴反方向夹角2随时间变化的关系，杆3转动的角速度3以及角加速度a3随时间变化的关系；（3）滑块5与杆4的相对速度V5与加速度a5随时间变化的关系。二、建立模型：运用Link命令创建杆1、2、2、3、4构件。运用Box命令创建滑块5构件和机架6。根据各杆长度，运用辅助Marker点、Move 、Rotate 等命令调整各构件的相对位置，并在各构件上单击右键，在修改命令中添加构件的质量信息，以及杆1、3绕质心的转动惯量，其中滑块5的质量为0，创建完成后的机构模型如图下所示。三、添加约束与驱动：运用Joint中的Revolute命令在A、B、C、D、E、F点处添加铰接约束，其中杆1、杆3和滑块5均和机架6铰接，杆2和杆2用Joint中的Fixed命令固结在一起，形成“L”型杆。运用Joint中的Translational命令在滑块5添加移动约束，使杆4在滑块5上来回滑动，并右击移动副，在修改命令中的运用Joint Friction命令添加移动副的摩擦力：静摩擦系数为0.5，动摩擦系数为0.3。运用Creat Forces命令中的Torque命令为曲柄1添加驱动力矩，大小为2000Nm，方向为逆时针，作用在A点上。添加约束与驱动后的模型如下图所示。四、进行仿真：在Interactive Simulation Controls命令 中输入End Time=2s，Step=500，检测有无错误，完成仿真，观察机构运动情况。五、测量构件运动参数：运用BuildMeasureAngle命令测量曲柄1与X轴正方向的夹角1随时间变化的关系，以及杆3与Y轴反方向夹角2随时间变化的关系。运用BuildMeasureSelected Object命令测量曲柄1转动的角速度1和角加速度a1随时间变化的关系，以及杆3转动的角速度3和角加速度a3随时间变化的关系。运用BuildMeasurePoint to Point测量滑块5与杆4的相对速度V5与加速度a5随时间变化的关系。六、查看运动曲线：运用后处理命令查看第六步操作中所测量的各物理量随时间变化的规律。1.曲柄1与X轴正方向夹角1随时间变化的关系图（1）图（2）分析： 图1的左边是单自由度六杆复合式组合机构的模型，图2是从初始位置开始的1随时间变化的曲线放大图，从图中可看出初始1为60度，随逆时针转矩驱动转角越来越大，从00.4秒曲线增长的很慢而且不稳定，这说明曲柄的角速度一直在变化，0.4秒以后曲线近似于直线，说明曲柄角速度趋于恒定。2.曲柄1转动的角速度1以及角加速度a1随时间变化的关系分析： 图中红色线条为曲柄1转动的角速度1随时间变化的关系，蓝色线条为角加速度a1随时间变化的关系，角速度曲线从0开始，0.4秒后趋于稳定，这与上图的情况吻合。由图可知，在每个循环中，角速度1最大时角加速度a1最小，用adams仿真分析可知，当曲柄1转动到与杆2近似为一条直线时，角加速度a1最大（如下图），同理用软件分析出角速度1最大时的位置（如下图）。角加速度a1最大时的位置角速度1最大时的位置3.杆3与Y轴反方向夹角2随时间变化的关系分析： 杆3为从动杆，其无法整周转动，只能随曲柄1的转动而往复摆动，有软件分析可知，初始状态下2=81.58度，其摆角范围58.15158.3度。4.杆3转动的角速度3以及角加速度a3随时间变化的关系分析： 图中红色线条为杆3转动的角速度3随时间变化的关系，蓝色线条为角加速度a3随时间变化的关系，用adams仿真分析可知，当曲柄1转动到与杆2近似为一条直线时，角加速度a3最大，这与曲柄角加速度分析图的情况一致。5.滑块5与杆4的相对速度V5与加速度a5分析： 以初始状态滑块5与杆4的重合点为原点，红色线条表示两点的相对速度V5，蓝色线条表示两点的相对加速度a5，从图中可以看出，当相对速度V5为0时，加速度a5达到最大值。用软件分析可知，当曲柄1转动到与杆2近似为一条直线时，两点的相对速度V5最大（如下图所示）。用有限元分析靶板性能对破片极限穿透速度的影响钨柱侵彻靶板仿真与分析一、软件介绍 LS-DYNA作为世界上最著名的通用动力显式分析程序，能够模拟真实世界的复杂问题，特别适合求解各种二维、三维非线性结构的高速碰撞、爆炸和金属成型等非线性动力冲击问题，同时可以求解传热、流体及耦合问题。LS-DYNA源程序曾在北约的局域网公开发行，因此广泛传播到世界各地的研究机构和大学。从理论和算法而言，LS-DYNA是目前所有的显式求解程序的鼻祖和理论基础，在工程应用和汽车安全性设计、武器系统设计、金属成型、跌落仿真等领域被广泛认可为最佳的分析软件包。LS - DYNA 是一个由DYNA 程序发展而来的以显式为主、隐式为辅的通用非线性动力分析有限元程序,用以求解各种二维、三维非线性结构的高速碰撞、爆炸和金属成型等非线性问题. 该程序的单元众多,各种单元又有多种理论算法可供用户选择,同时拥有上百种金属和非金属材料模型,并可考虑材料失效、损伤、各向异性、粘性、蠕变、温度相关性及应变率相关性,故其全自动接触分析功能强大,可对弹体以高速碰撞目标结构组件的动力响应、弹体的侵彻深度等进行深入的模拟分析,其中,材料失效和侵蚀接触使得该程序能够较为成功地求解高速弹丸对钢体的穿甲或侵彻的数值模拟计算.该程序的算法主要有:拉格朗日算法、欧拉算法和任意拉格朗日- 欧拉算法3 种.拉格朗日算法多用以分析固体结构的应力应变. 其主要的优点是能非常精确的描述结构边界的运动. 但当处理大变形问题时,则将固其自身特点的限制而出现严重的网格畸变现象,不利于计算的进行,甚至程序终止运算,或者因为单元某一边长变得很小而使由稳定性要求所决定的时间步长变小,导致整个计算过程变长,步数太多导致累计误差增大. 这就是误差灾变和负体积问题. 所以,在进行计算网格剖分前,应先预估结构的变形趋势,从而相应地划分网格.欧拉算法以空间坐标为基础,使用这种方法划分的网格和所分析的物质结构是相互独立的,网格在整个分析过程中始终保持最初的空间位置不动,有限元节点即为空间点,其所在空间的位置在整个分析过程始终是不变的.任意拉格朗日- 欧拉算法兼具拉格朗日算法和欧拉算法的特长。二、求解步骤ANSYSLS-DYNA程序系统是将非线性动力分析程序LS-DYNA显式积分部分与ANSYS程序的前处理PREP7和后处理POSTl、POST26连结成一体。这样既能充分运用LS-DYNA程序强大的非线性动力分析功能，又能很好地利用ANSYS程序完善的前后处理功能来建立有限元模型与观察结果，他们之间的关系如下：ANSYSLS-DYNA程序系统的求解步骤为：(一)前处理Preprocessor建模(用PREP7前处理解算器)1设置Preference选项置Structure LS-DYNA explicit。这样，以后显示的菜单完全被过滤成ANSYSLS-DYNA的输入选项。再定义一种显式单元类型，即可激活LS-DYNA求解。2定义单元类型Element Type和Option(算法)和实常数Real Constant。3定义材料性质Material Properties。4建立结构实体模型Modeling。5进行有限元网格划分Meshing。6定义接触界面Contact。(二)加载和求解Solution1约束、加载和给定初速度。2设置求解过程的控制参数。3选择输出文件和输出时间间隔。4求解Solve(调用LS-DYNA)。创建模型步骤：第1步：设置工作目录和工作文件1 假设工作盘为E盘，在E盘上新建文件夹penetration3d-concrete；2 启动ANSYS11.0,弹出Launcher窗口，在Simulation Environment下拉框中选择ANSYS，在License下拉框中选择ANSYS LS-DYNA；3 单击File Management选项卡，弹出工作目录和工作文件设置窗口，单击Browse按钮，在Working Directory框中选择E:/penetration3d-concrete，在Job Name框中输入penetration3d-concrete，单击Run按钮，进入ANSYS操作界面。第2步：选择单元类型1 选择MainPreprocessorElement TypeAdd/Edit/Delete命令，弹出Element Types对话框；2 单击Add按钮，弹出Library of Element Types对话框；3 在Library of Element Types 选择栏中选择LS-DYNA Explicit 3D Solid 164，单击OK按钮，关闭对话框；4 在Element Types对话框中单击Options按钮，弹出SOLID164 element type options对话框，5 在Solid Element Formulation 栏中激活Const.Strss（def）选项，在Material Continuum栏中激活Lagrangian选项，单击OK按钮，关闭对话框；6 在Element Types对话框中单击Close按钮，关闭对话框。第3步：定义材料属性1 选择Main MenuPreprocessorMaterial PropsMaterial Models命令，弹出Define Material Model Behavior对话框；2 在Material Models Available栏中选择LS-DYNAEquation of StateGruneisenJohnson-Cook命令，弹出Johnson-Cook Gruneisen Material Properties for Material Number 1对话框；3 在DENS设置框中输入破片材料，单击OK按钮，确认输入，关闭对话框；4 在Define Material Model Behavior窗口中选择MaterialNew Model命令，弹出Define Material ID对话框，采用默认设置，单击OK按钮，关闭Define Material ID对话框；5 在Material Models Available栏中选择LS-DYNARigid Material命令，弹出Rigid Material Properties for Material Number 2对话框；6 在DENS设置框中输入靶板材料，单击OK按钮，确认输入，关闭对话框；7 选择MaterialExit命令，退出Define Material Model Behavior窗口，此时共定义两种材料。第4步：构建弹丸和靶板实体模型1 选择Main MenuPreprocessorModelingCreateVolumescylinderBy Dimensions命令，弹出Create cylinder by Dimensions对话框；2 在RAD1设置框中输入0.55，在Z1，Z2设置中输入0，1.1，在THETA1设置框中输入0，在THETA2设置框中输入90，单击OK按钮；3 选择Main MenuPreprocessorModelingCreateVolumesBlockBy Dimensions命令，弹出Create Block by Dimensions对话框；在X1，X2设置框中输入0，4，在Y1，Y2设置框中输入0，4，在Z1，Z2设置框中输入0，-0.5（5种靶板厚度），单击OK按钮，关闭对话框。4 选择WorkPlaneOffset Wp by Dimensions命令，弹出Offset Wp面板；5 在X，Y，Z Offset设置框中输入（1，0，0），单击OK按钮；6 选择WorkPlaneOffset Wp by Increments命令，在Offset Wp面板中将Degrees滑动条数值设置为90；7 单击按钮，工作平面将旋转90度，单击OK按钮，关闭 Offset Wp面板；8.选择Main MenuPreprocessorModelingOperateBooleansDivideVolumes by WrokPlane命令，弹出Divide Volumes by Wrokplane面板；9.单击Pick All按钮，分割靶板；10继续移动和旋转工作平面对靶体进行划分，第5步：划分网格1 选择Main MenuPreprocessorMeshingMeshTool命令，弹出MeshTool面板；2 单击MeshTool面板中Lines右侧的Set按钮，弹出Element Size on Picked Lines面板；3 选择弹丸体中共3条线段，单击OK按钮，弹出Element Size on Picked Lines对话框；4 在NDIV设置框中输入22，取消KYNDIV SIZE，NDIV can be changde选项，单击Apply按钮；5 同理拾取弹丸体中其他线段进行等分；6 在MeshTool面板中单击Element Attributes选择栏下侧的SET按钮，弹出Meshing Attributes对话框；7 在TYPE下拉框中选择1 SOLID164，在MAT下拉框中选择1，单击OK按钮，确认选择，关闭对话框；8 在MeshTool面板中激活Hex和Mapped单选钮，在Mesh下拉框中选择Volumes；9 单击Mesh按钮，弹出Mesh Volumes面板；10 拾取弹丸体，单击OK按钮，进行映射网格划分；按照相同的方法，使用单元类型1和材料类型2对靶体网格进行划分，弹丸体和靶体网格划分。第6步：创建PART1选择Main MenuPreprocessorLS-DYNA OptionsParts Options命令，弹出Parts Data Written for LS-DYNS对话框；2在Option选择栏中激活Create all parts单选钮，单击OK按钮，关闭对话框，弹出EDPART Command窗口，返回所创建的PART和单元信息。第7步：定义侵蚀接触算法1 选择Main MenuPreprocessorLS-DYNA OptionsContactDefine Contact命令，弹出Contact Parameter Definitions对话框；2 在Contact Type设置框中分别选中Surface to Surface、Eroding（ESTS）,单击OK按钮，弹出Contact Options对话框；3 在Contact Component or Part no.下拉框中选择1（弹丸PART），Taget Component or Part no.下拉框中选择2（混凝土靶PART），单击OK按钮，完成弹丸和混凝土靶之间的接触定义。第8步：定义对称面约束和边界约束1 选择Main MenuSolutionConstrainsApplyOn Areas命令。弹出Apply U，ROT On Areas面板；2 选择3个面，单击OK按钮，弹出Apply U，ROT On Areas约束设置对话框；3 在DOFs to be constrained框中选取UX，单击OK按钮，约束X方向位移；4 按照同样的方法，选取3个面，约束Y反方向位移；5 按照同样的方法，选取4个面（边界面），约束全部自由度。第9步：设定分析选项1 选择Main MenuSolutionAnalysis OptionsEnergy Options命令，弹出Energy Options对话框，激活Stonewall Energy和Sliding Interface单选钮；2 选择Main MenuSolutionAnalysis OptionsBulk Viscosity命令，弹出Bulk Viscosity对话框，在Quadratic Viscosity Coefficient输入1.0，在Linear Viscosity Coefficient栏中输入0.06，单击OK按钮，关闭对话框。第10步：设置求解时间和时间步控制1 选择Main MenuSolutionTime ControlsSolution Time命令，弹出Solution Time for LS-DYNA Explicit对话框；2 在Terminate at Time设置框中输入200，单击OK按钮，确认输入；3 选择Main MenuSolutionTime ControlsTime Step Ctrls命令，弹出Spectify Time Step Scaling for LS-DYNA Explicit对话框；4 使用默认值，单击OK按钮，关闭对话框。第11步：设置输出类型和时间间隔1 选择Main MenuSolutionOutput ControlsOutput File Types命令，弹出Specify Output File Types for LS-DYNA Solver对话框；2 在File options 下拉框中选择Add，在Produce output for.下拉框中选择LS-DYNA，单击OK按钮，关闭对话框；3 选择Main MenuSolutionOutput ControlFile Output FreqTime Step Size命令，弹出Specify File For Output Frequency对话框；4 在Specify Results File Output Interval：Time Step Size设置框中输入1，在Specify Time-History Output Interval：Time Step Size设置框中输入1，单击OK按钮，关闭对话框。第12步：输出K文件1 选择Main MenuSolutionWrite Jobname.K命令，弹出Input files to be Written for LS-DYNA对话框；2 在Write results files for.下拉框中选择LS-DYNA，单击OK按钮，程序将在工作目录下生成penetration3d-concrete.K文件。第13步：编辑修改penetration3d-concrete.K文件。第14步：求解1 启动ANSYS11.0，弹出11.0Launcher窗口，在Simulation Environment下拉框中选择LS-DYNA Solver，在License下拉框中选择ANSYS LS-DYNA，在Analysis Type栏中选中Typical LS-DYNA Analysis；2 单击File Management选项卡，单击Browse按钮，在Working Directory下拉框中选择E盘工作文件夹penetration3d-concrete，在Keyword Input File下拉框中选择前面编辑修改完毕的penetration3d-concrete.K文件；3 单击Run按钮，程序将调用LS-DYNA970求解起开始求解。三、建立模型仿真模型的建立基于以下假设：（1）弹丸和靶板为均匀连续介质；（2）整个侵彻冲击过程为绝热过程；（3）不计空气阻力，不考虑重力作用；（4）不考虑靶版侧边效应；（5）忽略靶板整体运动；（6）弹丸和靶板初始应力为0；问题描述：破片为圆柱体，垂直侵彻靶板，靶板横截面为正方形靶板，为减少计算量建立四分之一模型，如图一。钨柱材料选用钨合金，钨柱尺寸为1111，密度为17.5，重量约20g，抗拉强度为955到980，屈服应力为682。靶板厚度分别为5mm，8mm，10mm，12mm和15mm，材料