雷達(dá)俯仰結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特性分析

編號(hào)南京航空航天大學(xué)金城學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)題目雷達(dá)俯仰結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特性分析學(xué)生姓名學(xué)號(hào)系部機(jī)電工程系專業(yè)機(jī)械工程及自動(dòng)化班級(jí)指導(dǎo)教師二〇年六月

南京航空航天大學(xué)金城學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）誠(chéng)信承諾書(shū)本人鄭重聲明：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）（題目：雷達(dá)俯仰結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特性分析）是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的成果。盡本人所知，除了畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫(xiě)的成果作品。作者簽名：年月日（學(xué)號(hào)）：畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙PAGE238-雷達(dá)俯仰結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特性分析摘要雷達(dá)是20世紀(jì)人類在電子工程領(lǐng)域的一項(xiàng)重大發(fā)明。它不僅是軍事上必不可少的電子裝備，而且廣泛應(yīng)用于社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和科學(xué)研究。雷達(dá)的出現(xiàn)為人類在許多領(lǐng)域引入了現(xiàn)代科技的手段。本文使用有限元法對(duì)雷達(dá)俯仰結(jié)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)特性分析。首先利用解析法對(duì)問(wèn)題進(jìn)行求解，但是求解過(guò)程較為復(fù)雜，計(jì)算量大，鑒于ANSYS中有一類分析類型是結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析，符合本題得要求，可以加以應(yīng)用，簡(jiǎn)化計(jì)算。本文選擇三維鉸鏈單元COMBIN7建立模型進(jìn)行分析求解。將有限元解與解析解進(jìn)行對(duì)比，可以看出有限元解是正確的，而且具有相當(dāng)高的精度。關(guān)鍵詞：有限元法，運(yùn)動(dòng)特性，ANSYS，瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)

RadarpitchstructuremotioncharacteristicsanalysisAbstractRadaristhe20thcenturyhumansinelectronicengineeringamajorinventions.Itisnotonlythemilitaryindispensableelectronicequipment,andwidelyusedinsocialeconomicdevelopmentandscientificresearch.Radarforhumansappearinmanyareasthemeansofmodernscienceandtechnologyisintroduced.Thispaperusingfiniteelementmethodoftheradarpitchstructureanalysisofmovementcharacteristics.Firstlybyusinganalyticalmethodtosolveproblems，butsolvingprocessisrelativelycomplexandlargeamountofcalculation.ThereisacertaintypeofANSYSisatypeofstructuredynamicsanalysis,accordwithontologymayrequireanalysis,canbeused.ThetopicchoicesthreedimensionalhingeunitCOMBIN7ontheanalysissolution.Intheend,theanalyticalsolutionandANSYSfiniteelementsolutioniscompared,wecanseethatthefiniteelementcontrastsolutioniscorrect,andwithhighprecision.KeyWords：Finiteelementmethod;Movementcharacteristics；ANSYS;Transientdynamic

目錄摘要 iAbstract ii第一章引言 11.1課題的背景 11.2本文的主要研究?jī)?nèi)容 1第二章有限元法與ANSYS 22.1有限元分析方法概述 22.2有限元分析的基本思想 22.3ANSYS的主要功能 32.4ANSYS提供的分析類型 4第三章雷達(dá)俯仰結(jié)構(gòu)模型的建立 73.1問(wèn)題描述 73.2解析解 83.3有限元解 113.3.1定義參量 113.3.2創(chuàng)建單元類型 123.3.3定義材料特性 133.3.4定義實(shí)常數(shù) 143.3.5創(chuàng)建節(jié)點(diǎn) 153.3.6指定單元屬性 153.3.7創(chuàng)建鉸鏈單元 163.3.8指定單元屬性 163.3.9創(chuàng)建梁?jiǎn)卧?163.3.10指定分析類型 173.3.11打開(kāi)大變形選項(xiàng) 173.3.12確定第一個(gè)載荷步時(shí)間和時(shí)間步長(zhǎng) 173.3.13確定數(shù)據(jù)庫(kù)和結(jié)果文件中包含的內(nèi)容 183.3.14設(shè)定非線性分析的收斂值 193.3.15施加約束 203.3.16求解 203.3.17定義變量 213.3.18對(duì)變量進(jìn)行數(shù)學(xué)操作 223.3.19用曲線圖顯示角位移、角速度和角加速度 223.3.20列表顯示角位移、角速度和角加速度 253.4命令流 263.5有限元法與解析解的比較 29第四章總結(jié)和展望 324.1本文所做工作總結(jié) 324.2工作的展望 32參考文獻(xiàn) 33致謝 34第一章引言1.1課題的背景雷達(dá)概念形成于20世紀(jì)初。雷達(dá)是英文radar的音譯，為RadioDetectionAndRanging的縮寫(xiě)，意為無(wú)線電檢測(cè)和測(cè)距的電子設(shè)備。雷達(dá)的優(yōu)點(diǎn)是白天黑夜均能探測(cè)遠(yuǎn)距離的目標(biāo)，且不受霧、云和雨的阻擋，具有全天候、全天時(shí)的特點(diǎn)，并有一定的穿透能力。因此，它不僅成為軍事上必不可少的電子裝備，而且廣泛應(yīng)用于社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展(如氣象預(yù)報(bào)、資源探測(cè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)等)和科學(xué)研究(天體研究、大氣物理、電離層結(jié)構(gòu)研究等)。隨著現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)要求的日益提高，將有限元法運(yùn)用于機(jī)械設(shè)計(jì)和機(jī)械運(yùn)動(dòng)分析已經(jīng)成為必然的趨勢(shì)，主要體現(xiàn)在：傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)耗費(fèi)工時(shí)，設(shè)計(jì)周期較長(zhǎng)，產(chǎn)品成本較高。傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)是在有限的幾個(gè)方案中比較或是選擇一個(gè)比較優(yōu)秀的方案進(jìn)行設(shè)計(jì)的，這就使得設(shè)計(jì)具有一定的盲目性。將有限元法運(yùn)用到機(jī)械設(shè)計(jì)中去，可以優(yōu)化零件形狀，降低消耗和成本，提高產(chǎn)品的質(zhì)量和性能。最為重要的有限元法大大縮短了設(shè)計(jì)周期，減少了試件的制作。有限元法在產(chǎn)品設(shè)計(jì)和研究中說(shuō)顯示出的無(wú)比優(yōu)越性，使其成為企業(yè)在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中的有利工具，已經(jīng)越來(lái)越受到工程技術(shù)人員的重視。1.2本文的主要研究?jī)?nèi)容ANSYS是大型的通用有限元軟件，其功能強(qiáng)大，可靠性好，具有強(qiáng)大的結(jié)構(gòu)分析能力和優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊，因而被國(guó)內(nèi)外大多數(shù)機(jī)械行業(yè)所采用。本文將基于ANSYS建立雷達(dá)俯仰結(jié)構(gòu)的有限元模型，對(duì)雷達(dá)俯仰結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析。首先，對(duì)ANSYS進(jìn)行了簡(jiǎn)要的介紹，為雷達(dá)俯仰結(jié)構(gòu)的有限元分析做好準(zhǔn)備工作；然后，以雷達(dá)俯仰結(jié)構(gòu)中的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)為研究對(duì)象，利用ANSYS建立了曲柄搖桿機(jī)構(gòu)實(shí)體單元模型，然后利用ANSYS對(duì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行研究，并給出分析步驟。最后將利用解析法計(jì)算出的結(jié)果與ANSYS運(yùn)算出的結(jié)果進(jìn)行比較，討論其誤差范圍是否在工程允許范圍之內(nèi)。第二章有限元法與ANSYS2.1有限元分析方法概述有限元法是一種離散化的數(shù)值解法,是用于求解各類實(shí)際工程問(wèn)題的方法。應(yīng)力分析中穩(wěn)態(tài)的、瞬態(tài)的、線性的、非線性的問(wèn)題及熱力學(xué)、流體力學(xué)、電磁學(xué)以及高速?zèng)_擊動(dòng)力學(xué)問(wèn)題都可以通過(guò)有限元法得到解決。有限元法最初被稱為矩陣近似方法，應(yīng)用于航空器的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算，并由于其方便性、實(shí)用性和有效性而引起從事力學(xué)研究的科學(xué)家的濃厚興趣。經(jīng)過(guò)短短數(shù)十年的努力，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展和普及，有限元方法迅速?gòu)慕Y(jié)構(gòu)工程強(qiáng)度分析計(jì)算擴(kuò)展到幾乎所有的科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，成為一種豐富多彩、應(yīng)用廣泛并且實(shí)用高效的數(shù)值分析方法。20世紀(jì)60年代初首次提出結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算有限元概念的克拉夫（Clough）教授形象地將其描繪為：“有限元法=RayleighRitz法＋分片函數(shù)”，即有限元法是RayleighRitz法的一種局部化情況。不同于求解（往往是困難的）滿足整個(gè)定義域邊界條件的允許函數(shù)的RayleighRitz法，有限元法將函數(shù)定義在簡(jiǎn)單幾何形狀（如二維問(wèn)題中的三角形或任意四邊形）的單元域上（分片函數(shù)），且不考慮整個(gè)定義域的復(fù)雜邊界條件，這是有限元法優(yōu)于其他近似方法的原因之一2.2有限元分析的基本思想有限元分析（FEA，F(xiàn)initeElementAnalysis）的基本思想是用較為簡(jiǎn)單的問(wèn)題代替比較復(fù)雜的問(wèn)題后再求解。它將求解域看成是由許多稱為有限元的小的互聯(lián)子域組成，對(duì)每一單元假定一個(gè)合適的（較簡(jiǎn)單的）近似解，然后推導(dǎo)求解這個(gè)域的滿足條件（如結(jié)構(gòu)的平衡條件），從而得到問(wèn)題的解。這個(gè)解不是準(zhǔn)確解，而是近似解，因?yàn)閷?shí)際問(wèn)題被較簡(jiǎn)單的問(wèn)題所替代。由于大多數(shù)實(shí)際問(wèn)題難以得到準(zhǔn)確解，而有限元法不僅計(jì)算精度高，而且能適應(yīng)各種復(fù)雜情況，因而有限元分析成為行之有效的工程分析手段。有限元法的基本思想可歸結(jié)為兩個(gè)方面，一是離散，二是分片插值。離散就是將一個(gè)連續(xù)的求解域人為地劃分為一定數(shù)量的單元，單元又稱網(wǎng)格，單元之的連接點(diǎn)稱為節(jié)點(diǎn)，單元間的相互作用只能通過(guò)節(jié)點(diǎn)傳遞，通過(guò)離散，一個(gè)連續(xù)體便分割為由有限數(shù)量單元組成的組合體。離散的目的就是將原來(lái)具有無(wú)限自由度的連續(xù)變量微分方程和邊界轉(zhuǎn)換條件轉(zhuǎn)換為只包含有限個(gè)節(jié)點(diǎn)變量的代數(shù)方程組，以利于用計(jì)算機(jī)求解。有限元法的離散思想借鑒于差分法，但做了適當(dāng)改進(jìn)。首先，差分法是對(duì)計(jì)算對(duì)象的微分方程和邊界條件進(jìn)行離散，而有限元法是對(duì)計(jì)算對(duì)象的物理模型本身進(jìn)行離散，即使該物理模型的微分方程尚不能列出，但離散過(guò)程依然能夠進(jìn)行。其次，有限元法的單元形狀并不限于規(guī)則網(wǎng)格，各個(gè)單元的形狀和大小也并不要求一樣，因此在處理具有復(fù)雜幾何形狀和邊界條件以及在處理具有像應(yīng)力集中這樣的局部特性時(shí)，有限元法的適應(yīng)性更強(qiáng)，離散精度更高。變分法是在整個(gè)求解域用一個(gè)統(tǒng)一的試探函數(shù)逼近真實(shí)函數(shù)，當(dāng)真實(shí)函數(shù)性態(tài)在求解域內(nèi)趨于一致時(shí)，這種處理是合理的。但如果真實(shí)函數(shù)的性態(tài)很復(fù)雜，再用統(tǒng)一的試探函數(shù)就很難得到較高的逼近精度，或者說(shuō)要得到較高的精度就需要階次很高的試探函數(shù)。同時(shí)由于不能在求解域的不同部位對(duì)試探函數(shù)提出不同的精度要求，往往由于局部精度的要求問(wèn)題的求解很困難。所以這類方法一般用于求解函數(shù)交規(guī)則和邊界條件較簡(jiǎn)單的問(wèn)題。分片插值的思想是有限元法與里茲法的一個(gè)重要區(qū)別，它是針對(duì)每一個(gè)單元選擇試探函數(shù)（也稱插值函數(shù)），積分計(jì)算也是在單元內(nèi)完成。由于單元形狀簡(jiǎn)單，所以容易滿足邊界條件，且用低階多項(xiàng)式就可獲得整個(gè)區(qū)域的適當(dāng)精度。對(duì)于整個(gè)求解域而言，只要試探函數(shù)滿足一定條件，當(dāng)單元尺寸縮小時(shí)，有限元就能收斂于實(shí)際的精確解。從以上分析可知，有限元法是差分法的一種發(fā)展，又可以看成是里茲法的一種新形式。它兼顧了兩者的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)克服了各自的不足，因而具有更大的優(yōu)越性和實(shí)用性。2.3ANSYS的主要功能ANSYS有限元軟件包是一個(gè)多用途的有限元法計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)程序，目前，有限元法從它最初應(yīng)用的固體力學(xué)領(lǐng)域，已經(jīng)推廣到溫度場(chǎng)、流體場(chǎng)、電磁場(chǎng)、聲場(chǎng)等其他連續(xù)介質(zhì)領(lǐng)域。在固體力學(xué)領(lǐng)域，有限元法不僅可以用于線性靜力分析，也可以用于動(dòng)態(tài)分析，還可以用于非線性、熱應(yīng)力、接觸、蠕變、斷裂、加工模擬、碰撞模擬等特殊問(wèn)題的研究。軟件主要包括三個(gè)部分：前處理模塊，分析計(jì)算模塊和后處理模塊。前處理模塊前處理模塊提供了一個(gè)強(qiáng)大的實(shí)體建模及網(wǎng)格劃分工具，用戶可以方便地構(gòu)造有限元模型。ANSYS的前處理模塊主要有兩部分內(nèi)容：實(shí)體建模和網(wǎng)格劃分。分析計(jì)算模塊分析計(jì)算模塊包括結(jié)構(gòu)分析（可進(jìn)行線性分析、非線性分析和高度非線性分析）、流體動(dòng)力學(xué)分析、電磁場(chǎng)分析、聲場(chǎng)分析、壓電分析以及多物理場(chǎng)的耦合分析，可模擬多種物理介質(zhì)的相互作用，具有靈敏度分析及優(yōu)化分析能力。后處理模塊后處理模塊可將計(jì)算結(jié)果以彩色等值線顯示、梯度顯示、矢量顯示、粒子流跡顯示、立體切片顯示、透明及半透明顯示（可看到結(jié)構(gòu)內(nèi)部）等圖形方式顯示出來(lái)，也可將計(jì)算結(jié)果以圖表、曲線形式顯示或輸出。軟件提供了200種以上的單元類型，用來(lái)模擬工程中的各種結(jié)構(gòu)和材料。2.4ANSYS提供的分析類型ANSYS軟件提供的分析類型如下：結(jié)構(gòu)靜力分析用來(lái)求解外載荷引起的位移、應(yīng)力和力。靜力分析很適合求解慣性和阻尼對(duì)結(jié)構(gòu)的影響并不顯著的問(wèn)題。ANSYS程序中的靜力分析不僅可以進(jìn)行線性分析，而且也可以進(jìn)行非線性分析，如塑性、蠕變、膨脹、大變形、大應(yīng)變及接觸分析。結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析用來(lái)求解隨時(shí)間變化的載荷對(duì)結(jié)構(gòu)或部件的影響。與靜力分析不同，動(dòng)力分析要考慮隨時(shí)間變化的力載荷以及它對(duì)阻尼和慣性的影響。ANSYS可進(jìn)行的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析類型包括：瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析、模態(tài)分析、諧波響應(yīng)分析及隨機(jī)振動(dòng)響應(yīng)分析。結(jié)構(gòu)非線性分析結(jié)構(gòu)非線性導(dǎo)致結(jié)構(gòu)或部件的響應(yīng)隨外載荷不成比例變化。ANSYS程序可求解靜態(tài)和瞬態(tài)非線性問(wèn)題，包括材料非線性、幾何非線性和單元非線性三種。動(dòng)力學(xué)分析結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析研究結(jié)構(gòu)在動(dòng)載荷作用的響應(yīng)（如位移、應(yīng)力、加速度等得時(shí)間歷程），以確定結(jié)構(gòu)的承載能力的動(dòng)力特性等。ANSYS程序可以分析大型三維柔體運(yùn)動(dòng)。當(dāng)運(yùn)動(dòng)的積累影響起主要作用時(shí)，可使用這些功能分析復(fù)雜結(jié)構(gòu)在空間中的運(yùn)動(dòng)特性，并確定結(jié)構(gòu)中由此產(chǎn)生的應(yīng)力、應(yīng)變和變形。熱分析程序可處理熱傳遞的三種基本類型：傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射。熱傳遞的三種類型均可進(jìn)行穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)、線性和非線性分析。熱分析還具有可以模擬材料固化和熔解過(guò)程的相變分析能力以及模擬熱與結(jié)構(gòu)應(yīng)力之間的熱－結(jié)構(gòu)耦合分析能力。電磁場(chǎng)分析主要用于電磁場(chǎng)問(wèn)題的分析，如電感、電容、磁通量密度、渦流、電場(chǎng)分布、磁力線分布、力、運(yùn)動(dòng)效應(yīng)、電路和能量損失等。還可用于螺線管、調(diào)節(jié)器、發(fā)電機(jī)、變換器、磁體、加速器、電解槽及無(wú)損檢測(cè)裝置等的設(shè)計(jì)和分析領(lǐng)域。流體動(dòng)力學(xué)分析ANSYS流體單元能進(jìn)行流體動(dòng)力學(xué)分析，分析類型可以為瞬態(tài)或穩(wěn)態(tài)。分析結(jié)果可以是每個(gè)節(jié)點(diǎn)的壓力和通過(guò)每個(gè)單元的流率。并且可以利用后處理功能產(chǎn)生壓力、流率和溫度分布的圖形顯示。另外，還可以使用三維表面效應(yīng)單元和熱－流管單元模擬結(jié)構(gòu)的流體繞流并包括對(duì)流換熱效應(yīng)。聲場(chǎng)分析ANSYS把聲學(xué)歸為流體，程序的聲學(xué)功能用來(lái)研究在含有流體的介質(zhì)中聲波的傳播，或分析浸在流體中的固體結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性。這些功能可用來(lái)確定音響話筒的頻率響應(yīng)，研究音樂(lè)大廳的聲場(chǎng)強(qiáng)度分布，或預(yù)測(cè)水對(duì)振動(dòng)船體的阻尼效應(yīng)。壓電分析壓電效應(yīng)分析是一種結(jié)構(gòu)－電場(chǎng)耦合分析，給壓電材料加電壓會(huì)產(chǎn)生位移，反之使壓電材料振動(dòng)則產(chǎn)生電壓，一個(gè)典型的壓電分析的應(yīng)用是壓力換能器。ANSYS壓電分析用于分析二維或三維結(jié)構(gòu)對(duì)AC（交流）、DC（直流）或任意隨時(shí)間變化的電流或機(jī)械載荷的響應(yīng)。這種分析類型可用于換熱器、振蕩器、諧振器、麥克風(fēng)等部件及其它電子設(shè)備的結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)性能分析?？蛇M(jìn)行四種類型的分析：靜態(tài)分析、模態(tài)分析、諧波響應(yīng)分析、瞬態(tài)響應(yīng)分析。

第三章雷達(dá)俯仰結(jié)構(gòu)模型的建立3.1問(wèn)題描述圖1.1國(guó)產(chǎn)JY-9型低空監(jiān)視雷達(dá)如圖3.1為國(guó)產(chǎn)JY-9型低空監(jiān)視雷達(dá)，其俯仰機(jī)構(gòu)可以將其簡(jiǎn)化為下圖圖1.2雷達(dá)俯仰結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖雷達(dá)俯仰機(jī)構(gòu)可以簡(jiǎn)化為下圖曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，各桿長(zhǎng)度分別為AB=120mm，BC=293mm,CD=420mm,AD=500mm,雷達(dá)輸入轉(zhuǎn)速為0.5r/min，需研究雷達(dá)罩的角位移，角速度，角加速度隨時(shí)間變化情況。圖1.3曲柄搖桿機(jī)構(gòu)3.2解析解為了驗(yàn)證有限元解得正確性，根據(jù)機(jī)械原理的知識(shí)，利用解析法求解該問(wèn)題，求解出（1）角位移分析機(jī)架4與x軸重合，A點(diǎn)置于原點(diǎn)處，建立坐標(biāo)系，如圖該機(jī)構(gòu)各邊所形成的封閉矢量多邊形的方程式為將上式分別向y軸和x軸上投影，得方程組+=+=+（1）則得（2）B=b/a將上式兩邊平方并整理后得解之得式中==0.877==0.196==0.747===0.583（2）角速度分析(3)由方程的第2式可得將之代入方程組（3）的第1式，整理后得=[120*0.5]/[293]=0.0814r/min=0.00853rad/s同理可得=[120*0.5]/[420]=0.144r/min=0.01508rad/s（3）角加速度分析將方程組（3）對(duì)時(shí)間t求導(dǎo)數(shù)，得（4）nn==同理3.3有限元解3.3.1定義參量分析前要將分析過(guò)程中所需的參量進(jìn)行定義，需要定義PI的值以及鉸鏈A、B、C、D的坐標(biāo)，OMGA1(曲柄轉(zhuǎn)速)，T(曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)一周所需時(shí)間，單位為s)，具體定義值如圖3.1所示。圖3.1定義參量3.3.2創(chuàng)建單元類型梁?jiǎn)卧饕糜诳蚣芙Y(jié)構(gòu)計(jì)算。屬于既受拉、壓力，又有彎曲應(yīng)力的線單元。主要用來(lái)模擬螺栓，薄壁管件，C型截面構(gòu)件，角鋼或細(xì)長(zhǎng)薄膜構(gòu)件。其主要的類型有：1）BEAM3是個(gè)二維彈性梁?jiǎn)卧?，可用于軸向拉伸、壓縮和彎曲單元。2）BEAM4是個(gè)三維彈性梁?jiǎn)卧?，可用于軸向拉伸、壓縮、扭轉(zhuǎn)和彎曲單元。3）BEAM54是個(gè)二維彈性漸變不對(duì)稱梁?jiǎn)卧?，可用于分析拉伸、壓縮和彎曲功能的單軸向單元。4）BEAM44是個(gè)三維漸變不對(duì)稱梁?jiǎn)卧?，可用于分析拉伸、壓縮、扭轉(zhuǎn)和彎曲功能的單軸單元。5）BEAM188是個(gè)三維線性有限應(yīng)變梁?jiǎn)卧?，可用于分析從?xì)長(zhǎng)到中等粗短的梁結(jié)構(gòu)。6）BEAM189是個(gè)三維二次有限應(yīng)變梁?jiǎn)卧捎糜诜治鰪募?xì)長(zhǎng)到中等粗短的梁結(jié)構(gòu)。本次課題中的俯仰結(jié)構(gòu)是三維彈性材料，既承受拉壓力也有彎矩存在，因此可以選用BEAM4單元和COMBIN7單元。COMBIN7是個(gè)三維鉸接連接單元,是三維銷釘（或旋轉(zhuǎn)）鉸鏈單元，可用于在公共點(diǎn)上連接模型的兩個(gè)或多個(gè)部分，適用于運(yùn)動(dòng)學(xué)靜力分析和運(yùn)動(dòng)學(xué)動(dòng)力分析。BEAM4是一種可用于承受拉、壓、彎、扭的單軸受力單元。這種單元在每個(gè)節(jié)點(diǎn)上有六個(gè)自由度：x、y、z三個(gè)方向的線位移和繞x,y,z三個(gè)軸的角位移?？捎糜谟?jì)算應(yīng)力硬化及大變形的問(wèn)題。通過(guò)一個(gè)相容切線剛度矩陣的選項(xiàng)用來(lái)考慮大變形（有限旋轉(zhuǎn)）的分析。在mainmenu中選擇單元類型命令，如圖3.2所示選擇Combination中的Revolutejoint7（COMBIN7），如圖3.3所示選擇StructuralBeam中的3Delastic4（BEAM4）。這樣就完成了BEAM4單元和COMBIN7單元的創(chuàng)建圖3.2單元類型Combination圖3.3單元類型Beam3.3.3定義材料特性在系統(tǒng)的材料屬性設(shè)置對(duì)話框中依次選取Structural（結(jié)構(gòu)）、Linear（線性）、Elastic（彈性）、Isotropic（各向同性），彈性模量（EX）和泊松比（PRXY）的定義如圖3.4所示；再依次選取Structural（結(jié)構(gòu)）、Density（密度），不考慮各桿的慣性力，密度近似為0，將密度（DENS）定義為1e-14，如圖3.5所示。完成材料特性的定義。圖3.4材料特性對(duì)話框圖3.5定義密度對(duì)話框3.3.4定義實(shí)常數(shù)由于本課題使用了兩種單元類型，需將兩個(gè)單元分別加以定義。Type1COMBIN7單元的實(shí)常量定義如圖3.6所示，需要定義X-Y平動(dòng)剛度、Z方向剛度、X-Y旋轉(zhuǎn)剛度、扭轉(zhuǎn)剛度4個(gè)實(shí)常數(shù)。Type2BEAM4單元的實(shí)常量定義如圖3.7所示，需定義橫截面積、Z軸慣性矩、y軸慣性矩、沿Z軸單元厚度、沿Y軸單元厚度5個(gè)實(shí)常數(shù)。圖3.6設(shè)置COMBIN7實(shí)常數(shù)圖3.7設(shè)置BEAM4實(shí)常數(shù)3.3.5創(chuàng)建節(jié)點(diǎn)創(chuàng)建1~8號(hào)節(jié)點(diǎn)，1~8號(hào)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)值如表3.1所示。表3.1關(guān)鍵點(diǎn)的坐標(biāo)值節(jié)點(diǎn)號(hào)活動(dòng)坐標(biāo)系的坐標(biāo)值節(jié)點(diǎn)號(hào)活動(dòng)坐標(biāo)系的坐標(biāo)值1（AX，AY，0）5（CX，CY，0）2（BX，BY，0）6（DX，DY，0）3（BX，BY，0”）7（BX，BY，-1）4（CX，CY，0）8（CX，CY，-1）3.3.6指定單元屬性打開(kāi)分網(wǎng)命令中的ElemAttributes選項(xiàng)，確定“COMBIN7”單元的單元屬性如圖3.8所示，表示選定使用的“COMBIN7”單元，其材料屬性編號(hào)為1，實(shí)常數(shù)編號(hào)為1。圖3.8COMBIN7單元屬性3.3.7創(chuàng)建鉸鏈單元拾取節(jié)點(diǎn)2,3,7，創(chuàng)建了一個(gè)鉸鏈單元，其中心在節(jié)點(diǎn)2,3處（節(jié)點(diǎn)2、3重合于B點(diǎn)），軸線在節(jié)點(diǎn)2,7的連線即z軸方向，該鉸鏈單元連接了節(jié)點(diǎn)2和3.再拾取節(jié)點(diǎn)4,5,8，在節(jié)點(diǎn)4和5處（即C點(diǎn)）又創(chuàng)建了一個(gè)鉸鏈單元。3.3.8指定單元屬性確定“BEAM4”單元的單元屬性如圖3.9所示，表示選定使用的“BEAM4”單元，其材料屬性編號(hào)為1，實(shí)常數(shù)編號(hào)為2。圖3.9BEAM單元屬性3.3.9創(chuàng)建梁?jiǎn)卧謩e拾取節(jié)點(diǎn)1,2、節(jié)點(diǎn)3,4，以及節(jié)點(diǎn)5,6，創(chuàng)建3個(gè)梁?jiǎn)卧?，?個(gè)梁?jiǎn)卧葿點(diǎn)處鉸鏈單元連接，后2個(gè)梁?jiǎn)卧蒀點(diǎn)處鉸鏈單元連接。3.3.10指定分析類型本課題屬于瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析，它又稱為時(shí)間歷程分析，主要用于確定結(jié)構(gòu)承受隨時(shí)間按任意規(guī)律變化的載荷時(shí)的響應(yīng)。它可以確定結(jié)構(gòu)在靜載荷、瞬態(tài)載荷和正弦載荷的任意組合組合作用下隨時(shí)間變化的位移、應(yīng)力和應(yīng)變。打開(kāi)Solution中的NewAnalysis命令。指定分析類型為“Transient”，即指定分析類型為瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析。3.3.11打開(kāi)大變形選項(xiàng)本課題屬于非線性穩(wěn)定問(wèn)題，因此需打開(kāi)大變形選項(xiàng)。打開(kāi)Solution中的AnalysisOptions選項(xiàng)。在如圖3.10所示的對(duì)話框，將“NLGEOM”打開(kāi)，打開(kāi)大變形選項(xiàng)。圖3.10瞬態(tài)分析選項(xiàng)3.3.12確定第一個(gè)載荷步時(shí)間和時(shí)間步長(zhǎng)打開(kāi)Solution中的Time-TimeStep選項(xiàng)，彈出如圖3.11所示對(duì)話框，將第一個(gè)載荷步時(shí)間定義為T(mén)即曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)一周所需的時(shí)間；將時(shí)間步長(zhǎng)定義為0.5，選擇“KBC”為“Ramped”，指定載荷為坡度載荷；將最小時(shí)間步長(zhǎng)定義為0.5；最大時(shí)間步長(zhǎng)也定義為0.5，完成載荷步時(shí)間和時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)置。圖3.11確定載荷步時(shí)間和時(shí)間步長(zhǎng)對(duì)話框3.3.13確定數(shù)據(jù)庫(kù)和結(jié)果文件中包含的內(nèi)容在如圖3.12所示對(duì)話框，選擇下拉表框“Item”為“AllItems”，選中“Everysubstep”。表明在結(jié)果中記錄所有項(xiàng)目的各個(gè)分步。圖3.12數(shù)據(jù)庫(kù)和結(jié)果文件控制對(duì)話框3.3.14設(shè)定非線性分析的收斂值在如圖3.13所示的對(duì)話框中，分別選擇“Structural”和“ForceF”，將受力的收斂值的參考值定義為1，將收斂參考值定義為0.1，再分別選擇“Structural”和“MomentM”，將力矩的收斂值定義為1，將力矩收斂參考值定義為0.1，完成非線性分析收斂值的設(shè)定。圖3.13非線性收斂標(biāo)準(zhǔn)定義對(duì)話框3.3.15施加約束在建好的模型中選擇所有節(jié)點(diǎn)，在如圖3.14所示的對(duì)話框中，約束“UZ”“ROTX”、“ROTY”方向的自由度；拾取節(jié)點(diǎn)1，在“ROTZ”方向上施加值為2*PI的約束；再次拾取節(jié)點(diǎn)1.，在“UX”、“UY”方向上施加值為0的約束；再次拾取節(jié)點(diǎn)6，在“UX”、“UY”方向上施加值為0的約束，完成約束定義。圖3.14在節(jié)點(diǎn)上施加約束對(duì)話框3.3.16求解選擇Solve下的CurrentLS命令，進(jìn)行問(wèn)題的求解，出現(xiàn)“Solutionisdone！”提示時(shí)，求解結(jié)束，進(jìn)行結(jié)果的查看。3.3.17定義變量在如圖3.15所示的對(duì)話框中，將“TypeofVariable”定義為“NodalDOFresult”，即變量類型為節(jié)點(diǎn)的自由度。拾取節(jié)點(diǎn)6，在如圖3.16所示的對(duì)話框中，在右側(cè)列表中選擇“ROTZ”，完成變量2的定義，變量2為節(jié)點(diǎn)6處ROTZ方向的自由度限制，它可以表示搖桿的角位移。圖3.15變量類型對(duì)話框圖3.16定義數(shù)據(jù)類型對(duì)話框3.3.18對(duì)變量進(jìn)行數(shù)學(xué)操作把變量2對(duì)時(shí)間t微分，得到搖桿的角速度；角速度對(duì)時(shí)間t微分，得到搖桿的角加速度。在如圖3.17所示的對(duì)話框中，在“IR”文本框中輸入3，在“IY”文本框中輸入2，在“IX”文本框中輸入1；再次彈出如圖所示的對(duì)話框，在“IR”文本框中輸入4，在“IY”文本框中輸入3，在“IX”文本框中輸入1，完成對(duì)變量的數(shù)學(xué)操作。經(jīng)過(guò)以上操作，得到兩個(gè)新的變量3和4.其中，變量3是變量2對(duì)變量1的微分，而變量2是位移，變量1是時(shí)間t（系統(tǒng)設(shè)定），所以，變量3就是角速度；同樣可知，變量4就是角加速度。圖3.17對(duì)變量微分對(duì)話框3.3.19用曲線圖顯示角位移、角速度和角加速度打開(kāi)TimeHistPostpro下GraphVariables顯示曲線圖，在“NVAR1”文本框中輸入2，結(jié)果如圖3.18所示。再重復(fù)執(zhí)行兩次以上命令，在對(duì)話框的“NVAR1”文本框中分別輸入3和4，結(jié)果如圖3.19、3.20所示。圖3.18角位移曲線圖3.19角速度曲線圖3.20角加速度曲線3.3.20列表顯示角位移、角速度和角加速度打開(kāi)TimeHistPostpro下的ListVariables命令。在對(duì)話框中的“NVAR1”和”“NVAR2”文本框中分別輸入2、3、4，如圖3.21所示列表顯示出角位移、角速度和角加速度。圖3.21角位移、角速度和角加速度列表3.4命令流/CLEAR！清除數(shù)據(jù)中的數(shù)據(jù)/FILNAME,LEIDA！改變工作名/PREP7！進(jìn)入前處理模塊PI=3.1415926！定義參量AX=0AY=0BX=0.07094BY=0.09678CX=0.24417CY=0.33309DX=0.5DY=0OMGA1=0.5T=60/OMGA1ET,1,COMBIN7！定義第1類單元類型為COMBIN7ET,2，BEAM4！定義第2類單元類型為BEAM4MP,EX,1,2E11！定義第1類材料彈性模量為2E11MP,PRXY,1,0.3！定義第1類材料泊松比為0.3MP,DENS,1,1E-14！定義第1類材料密度為1E-14R,1,1E9,1E3,1E3,0！定義第1類單元實(shí)常數(shù)R,2,4E-4,1.3333E-8,1.3333E-8,0.02,0.02！定義第1類單元實(shí)常數(shù)N,1,AX,AY！創(chuàng)建1號(hào)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)為（AX,AY）N,2,BX,BY！創(chuàng)建2號(hào)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)為（BX,BY）N,3,BX,BY！創(chuàng)建3號(hào)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)為（BX,BY）N,4,CX,CY！創(chuàng)建4號(hào)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)為（CX,CY）N,5,CX,CY！創(chuàng)建5號(hào)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)為（CX,CY）N,6,DX,DY！創(chuàng)建6號(hào)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)為（DX,DY）N,7,BX,BY,-1！創(chuàng)建7號(hào)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)為（BX,BY,-1）N,8,CX,CY,-1！創(chuàng)建8號(hào)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)為（CX,CY,-1）TYPE,1!指定單元屬性REAL,1E,2,3,7！創(chuàng)建鉸鏈單元E,4,5,8TYPE,2！指定單元類型REAL,2E,1,2！創(chuàng)建梁?jiǎn)卧狤,3,4E,5,6FINISH！退出前處理模塊/SOLU！進(jìn)入求解模塊ANTYPE,TRANS！指定分析類型為T(mén)ransientNLGEOM,ON！打開(kāi)大變形選項(xiàng)DELTIM,0.5,0.5,0.5！確定第一個(gè)載荷步時(shí)間和時(shí)間步長(zhǎng)KBC,0TIME,TOUTRES,ALL,ALL！確定數(shù)據(jù)庫(kù)和結(jié)果文件中包含的內(nèi)容CNVTOL,F,1,0.1！設(shè)定非線性分析的收斂值CNVTOL,M,1,0.1D,ALL,UZ！在所有節(jié)點(diǎn)的UZ、ROTX和ROTY上施加約束D,ALL,ROTXD,ALL,ROTYD,1,ROTZ,2*PID,1,UX！在1號(hào)節(jié)點(diǎn)的UX上施加約束D,1,UY！在1號(hào)節(jié)點(diǎn)的UY上施加約束D,6,UX！在6號(hào)節(jié)點(diǎn)的UY上施加約束D,6,UY！在6號(hào)節(jié)點(diǎn)的UY上施加約束SOLVE！開(kāi)始求解SAVE！保存FINISH！退出求解模塊/POST26！進(jìn)入時(shí)間歷程后處理模塊NSOL,2,6,ROTZ！拾取節(jié)點(diǎn)6定義一個(gè)變量2DERIV,3,2,1！對(duì)變量進(jìn)行數(shù)學(xué)操作DERIV,4,3,1PLVAR,2!顯示曲線圖PLVAR,3PLVAR,4FINISH！退出后處理模塊3.5有限元法與解析解的比較在得到的列表中可以看到變量2即角位移的最大值為0.579506，此值即為搖桿的擺角，于是從圖3.21中查得，t=21s時(shí)，角位移為0.194804，角速度為，0.151848E-01，角加速度為0.224741E-03。對(duì)比由機(jī)械原理解析法得到的結(jié)果，有限元解的精度如下：(1)角位移(2)角速度（0.0151848-0.01508）/0.01508=0.69%(3)角加速度（2.224741e-4-2.21434e-4）/2.22434e-4=0.47%從圖3.21中查得，t=20.5s時(shí)，角位移為0.187239，角速度為，0.150664E-01，角加速度為0.248940E-03。對(duì)比由機(jī)械原理解析法得到的結(jié)果，有限元解的精度如下：(1)角位移（10.928-11.003）/11.003=-0.68%(2)角速度（0.0150664-0.015）/0.015=0.44%(3)角加速度（0.248940E-03-0.24503E-03）/0.24503E-03=1.6%從圖3.21中查得，t=22s時(shí)，角位移為0.210095，角速度為，0.153854E-01，角加速度為0.176453E-03。對(duì)比由機(jī)械原理解析法得到的結(jié)果，有限元解的精度如下：(1)角位移（12.036-11.892）/11.892=1.21%(2)角速度（0.0153854-0.01529）/0.01529=0.62%(3)角加速度（0.176453E-03-0.2033E-03）/0.2033E-03=1.32%從圖3.21中查得，t=23s時(shí)，角位移為0.225562，角速度為，0.155377E-01，角加速度為0.128325E-03。對(duì)比由機(jī)械原理解析法得到的結(jié)果，有限元解的精度如下：(1)角位移（12.923-12.954）/12.954=-0.24%(2)角速度（0.0155377-0.01550）/0.01550=0.24%(3)角加速度（0.128325E-03-0.128E-03）/0.2033E-03=0.25%由此可以看出有限元解是正確的，結(jié)果在工程精度范圍之內(nèi)，并且結(jié)果非常精確。

第四章總結(jié)和展望4.1本文所做工作總