基于ANSYS／LS-DYNA的平行分度凸轮机构的应力分析

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重庆三峡学院毕业设计（论文）

题目 基于LS-DYNA的平行分度凸轮机构的应力分析

专 业 机械设计制造及其自动化 年 级 2005 级 学生姓名 贺 国 军 学生学号 200515140126 指导教师 何晶昌 职称 讲师

完成毕业设计（论文）时间 2008 年 12 月

目 录

第一章 绪论 …………………………………………………………………1 1.1平行分度凸轮机构的来源及其优缺点…………………………………1 1.2 本论文的设计思路………………………………………………………2 1.3 平行分度凸轮机构的应用及发展趋势…………………………………2 1.4 本论文研究的内容………………………………………………………2 第二章 平行分度凸轮机构的载荷计算………………………………………3 2.1 转盘的运动规律计算……………………………………………………3 2.2 主、从动件的负载转矩计算……………………………………………5 第三章 凸轮材料属性及各参数………………………………………………8 3.1 凸轮参数设置…………………………………………………………8 3.2 *vread命令读取数据……………………………………………………8 第四章 建模及划分有限元网格………………………………………………11 4.1 建立工作轮廓曲线……………………………………………………11 4.2 凸轮安装及整个模型的建立…………………………………………12 4.3 定义材料属性…………………………………………………………12 4.4 划分有限元网格………………………………………………………13 第五章 施加载荷………………………………………………………………15 5.1创建PART………………………………………………………………15 5.2 定义接触………………………………………………………………15 5.3施加载荷………………………………………………………………17 5.4设置求解选项…………………………………………………………18 第六章 结果分析 ……………………………………………………………19 6.1 通用后处理器/POST1中滚子的受力分析 …………………………19 6.2 通用后处理器/POST1中凸轮的受力分析 …………………………21 6.3 时间历程处理器/POST26中节点的受力分析………………………23 第七章 结论 …………………………………………………………………25 7.1 小结 …………………………………………………………………25 第八章 APDL方式建模及处理………………………………………………26 8.1 宏程序shuju1.mac ……………………………………………………26 8.2 宏程序yundong.mac ………………………………………………26 8.3 命令流文件 …………………………………………………………26 致谢 …………………………………………………………………………34 参考文献 ……………………………………………………………………35 英文摘要………………………………………………………………………36

基于LS-DYNA的平行分度凸轮机构的应力分析

贺国军

重庆三峡学院应用技术学院系机械设计制造及其自动化专业2005级 重庆万州 404000

摘要 本文主要论述了平行分度凸轮机构的设计过程，并根据所选择的改进正弦加速度运动

规律计算了凸轮机构的载荷。通过ANSYS/LS-DYNA有限元分析软件，完成了ANSYS/LS-DYNA与VB的数据接口，成功导入了平行分度凸轮机构轮廓曲线的坐标值，正确建立了平行分度凸轮机构的有限元模型，并通过采用ANSYS/LS-DYNA软件中的参数模块，将从动件运动规律和载荷分别计算得出具体的数值并绘制成曲线图。

本文采用通用有限元分析的方法，对平行分度凸轮机构进行了正确的有限元分析，并采用POST1和POST26两个后处理器对有限元分析结果进行了定点定位的分析，得出了平行分度凸轮机构的最大应力状态和最大应力值。

此外，本文通过两种方式建模和分析，重点介绍了GUI方式的分析过程和方法，简要阐述了APDL方式建模和分析，并给出了相应的分析命令流文件。

通过ANSYS/LS-DYNA的分析，得出平行分度凸轮机构接触强度的薄弱环节在凸轮轮廓面，最大应力出现在凸轮轮廓面的棱边上；用ANSYS/LS-DYNA对平行分度凸轮机构进行应力分析，为平行分度凸轮机构的强度设计提供了理论参考；采用APDL建模，实现了以更改凸轮基本参数而任意更改凸轮大小和以更换VB数据源而任意设计凸轮运动规律的模块化建模，大大提高了分析的效率。

关键词：平行凸轮机构 APDL参数建模 应力分析 数组 曲线载荷 函数加载

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第一章 绪论

1.1平行分度凸轮机构的来源及其优缺点

平行分度凸轮机构，如图1-1所示，最早诞生于美国，1961年美国第一次公布了外接平行分度凸轮机构的专利，随后由美国商业凸轮公司（Commercial Cam and Machine Co.）和菲固索公司（Ferguson Machine Co.）试制。上世纪七十年代初，日本著名机构学家牧野洋教授研究并发表了关于外接平行分度凸轮机构的论文，并编入《自动机械机构学》一书。1979年前后，他又同前田隆发表了关于内接和直动式平行分度凸轮机构的研究论文。同时日本的东芝精机、大塚、三共、椿本等凸轮专业公司纷纷投入外接、内接和直动平行分度凸轮机构的系列化生产。从1983年起，西北轻工业学院的彭国勋开始研究平行分度凸轮机构，目前该机构在我国的应用还比较少(特别在数控刀架上)，而日本、韩国和我国台湾的数控车床刀架，普遍采用液压马达驱动，用平行共轭分度凸轮机构进行分度和预定位。

平行分度凸轮机构是使从动件作预期规律运动的高副机构，其主要的优点是：从动件的运动规律可以任意拟定，只要设计了相应的凸轮轮廓曲线，就可以使从动件按拟定的规律运动，此外，与圆柱凸轮机构相比，它具有输入输出轴平行、刚性好、分度数多、分度精度高、传动转矩大、运动平稳、易于制造等优点，既可以采用内啮合，也可以采用外啮合，与齿轮传动配合可产生多种形式的传动方案，满足多种应用场合的使用要求。其主要的缺点是：设计过程复杂，设计质量不易保证，在凸轮接触处难以保证良好的润滑，凸轮叶片和滚子容易磨损，寿命不长，不能有过大的传动力，高速凸轮机构的动力特性较为复杂，难以计算等等。鉴于此，为保证凸轮良好的传动性能，更加广泛的为各行各业服务，这就需要根据实际工况需求对凸轮工作轮廓曲线进行精确设计，以及准确的受力分析和寿命分析，来对凸轮机构的设计进行综合考虑。

图1-1 平行分度凸轮机构 第 1 页 共40页

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1.2 本论文的设计思路

平行分度凸轮机构的工作轮廓曲线的设计，必须满足精确的‘转位—停歇—转位’工程需要，且转盘在转位的过程中具有一定的运动规律，所以凸轮工作轮廓曲线的精确设计是相当重要的。本文采用VB 软件计算的构成凸轮轮廓曲线的各动态点的坐标值，在ANSYS/LS-DYNA的前处理器中分别采用GUI鼠标操作和APDL参数化两种方式进行建模及受力分析。LS-DYNA软件最早是由美国JOHN HALLQUIST发布的，直到ANSYS公司购买了LS-DYNA的使用权，才形成了ANSYS/LS-DYNA产品，ANSYS/LS-DYNA继承了ANSYS中强大的建模功能，尤其近几年来，APDL的开发已相当成熟，在前处理的建模过程中，极为方便，大大提高了设计效率。

1.3 平行分度凸轮机构的应用及发展趋势

凸轮机构广泛应用于食品机械、填充机械、药品机械、封罐封盖机械、灌装机械、输送机构、冲床自动送料机构、玻璃机械、陶瓷机械、烟草机械、化工机械、电子设备，数控机床加工中心，旋转定位及直线定位间歇机构中。

近年来，计算机辅助设计为人们提供了极大的方便，为人们的设计工作节省了大量的时间，凸轮轮廓曲线的设计达到了相当精确的地步，凸轮的应用越来越广泛，尤其是平行分度凸轮的应用更为人们所追崇，这是因为平行分度凸轮机构，占据空间较小，具有多用性和灵活性，且能满足用户的任意运动规律，因此随着凸轮轮廓曲线的设计精度的提高和有限元分析软件对凸轮的受力分析、寿命分析的深入，平行分度凸轮机构将向高精度，高承载能力，高适用性能等方向发展。

1.4 本论文研究的内容

在进行平行分度凸轮机构强度设计时，如果用赫兹理论校核滚子和凸轮轮廓面间的接触强度，存在下述的困难：其一凸轮轮廓曲线的曲率半径计算十分复杂，其二凸轮在哪个运动状态时接触应力最大难以确定，再就是当平行分度凸轮与超过两个滚子同时接触时，属超静定问题，计算滚子与平行分度凸轮在接触处的法向力非常困难。鉴于此，本文通过利用ANSYS/LS-DYNA软件，建立了改进正弦加速运动规律的平行分度凸轮机构模型，并采用通用有限元的分析思路，对凸轮机构进行了划分网格、加载、求解、POST1通用后处理器和POST26时间历程后处理器对计算结果进行了分析，为其他凸轮机构模型的建立和有限元分析，提供了良好的思路和方法。

通过本论文的研究，将提高平行分度凸轮机构的设计效率和设计精度。通过对平行分度凸轮机构的有限元分析，确定平行分度凸轮机构在实际工况下的受力情况，达到定量计算和评价平行分度凸轮机构的寿命和接触强度，改进平行分度凸轮机构的目的。

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第二章 平行分度凸轮机构的载荷计算

凸轮机构的工作条件分为三类：低速轻载、中速中载、高速重载或靠模凸轮，不同的工作条件需要选用不同的材料，而不同的材料所能承受的压力、冲击载荷是不一样的，所以在设计平行分度凸轮机构时，要先选好平行分度凸轮机构的运动规律。不同的运动规律根据实际情况而定，常用的运动规律有：等速、等加速、等减速、余弦加速度、正弦加速度、改进正弦加速度、改进梯形加速度等。本文以从动件作改进正弦加速度规律运动为研究对象。

2.1 转盘的运动规律计算

改进正弦加速运动规律在工程上应用得较为广泛，为了设计的广泛应用性，在此选取改进正弦加速运动规律，凸轮转速为n=100转/分,合n=

10?弧度/s，凸轮在工作的一个周期内保持匀速转3动，转盘在前半周期内按照改进的正弦加速度规律运动，在后半周期内停歇，以便工作台的动作，如此循环往复以达到凸轮机构的实际工况要求。

在一个周期内研究凸轮的运动规律，即分度期时间为

tf?停歇期时间为

??0.3s （2-1）

10?/3??0.3s （2-2）

10?/310??其中：凸轮角速度为?1?，转盘分度期转位角?f?，凸轮转角θ=?1·t, ?i为转盘

td?32角位移，?2为转盘角速度，ε为转盘角加速度，计算如下：

转盘分度期角位移：

?i?1[?1t?sin(4?1t)] t∈[0，1?tf) （2-3） 4??48?f?i??i??f?9??4?1t??172??t?sin??1?? t∈[?tf，8?tf) （2-4） ?84???4?33???1t?1? t∈[7?tf，tf] （2-5） 4sin?4?1t????4??8?f?f转盘角速度：

?2?1) （2-6） ???cos4?t?? t∈[0，???tf111?4???8?2??2??f???4?1t??17??3?cos11???? t∈[?tf，8?tf) （2-7） ?84???3???3?1??1cos?4?1t??? t∈[7?tf，tf] （2-8） ??4??8?f转盘角加速度：

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???f4???4?12sin?4?1t? t∈[0，1?tf) （2-9）

8???????4?t????4?12sin??1?? t∈[1?tf，7?tf) （2-10）

884???3???3?f?f4???4?12sin?4?1t? t∈[7?tf，tf] （2-11）

8ANSYS/LS-DYNA前处理器模块中的函数编辑器提供了强大的计算功能，可实现各种复杂函数、矩阵的计算并输出数组、数据和线形图，利用函数编辑器对凸轮的角速度、角加速度进行计算并绘制曲线如图2-1、图2-2：

图2-1 转盘角速度 第 4 页 共 40 页

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图2-2 转盘角加速度 2.2 主、从动件的负载转矩计算 凸轮和转盘在转动过程中，分别受驱动转矩和阻力转矩，由于转盘的运动规律的复杂性和不规

则性，使得驱动转矩随着时间的变化而不断变化，这对凸轮的性能有较高的要求。根据凸轮和转盘所受驱动转矩和阻力矩公式计算：

转盘阻力矩取 M2?200N?m 凸轮的驱动转矩为

Md1速度，在以上已计算。

J2??M2??2???1 （2-12）

式（2-12）中，J2为转盘的转动惯量，?为转盘的角加速度，?2为转盘角速度，?1为凸轮角采用函数编辑器来运算并绘制凸轮的驱动转矩，如图2-3：

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图2-3 凸轮驱动转矩 根据以上计算结果，创建四个数组：时间数组(time）,主转速数组(zzhuansu)，主转矩数组(zzhuanju)，阻力转矩数组(czhuanju)，并将计算结果分别读入此四个数组，以便施加载荷。注意在定义数组时，时间数组要与其他数组的行数列数要保持一致。

转盘的运动规律曲线是由三条分段曲线组成，为了提高曲线插值精度，把每条曲线分成20个时间段，加上起始时间段和终止时间段，共62个时间段，在每个时间段通过函数编辑器计算输出数值，并分别存放在time.txt，zzhuansu.txt，zzhuanju.txt，czhuanju.txt,四个文本文档中，以便ANSYS读取。综上所述，在定义数组时，需要定义四个1列62行数组，按钮

、

Apply后，用同样的方法定义其他三个数组。

、

，添加zzhuansu数组，设置内容如图2-4，

图2-4 定义zzhuansu数组 然后读取数据，在按钮

、

、

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下，读取数据，弹出如图2-5示图，设置如图，用同样的方法读取其他三个数组数据。

不能省略或填写错误，否则将不能读取数据或读取的数据将不正确。

注意，数组与数据源的格式要保持一致，即均为1列62行，（1f12.9）是表示读取数据的格式，

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第三章 凸轮材料属性及各参数

根据从动件的运动规律来确定满足工况需要的材料，在ANSYS/LS-DYNA中，对不同的材料，是通过定义不同的弹性模量、泊松比、密度等参数来表征的。在选择材料时应注意：相同金属材料比不同金属材料的粘着倾向大，单相材料、塑性材料比多相材料、脆性材料的粘着倾向大。禁忌的材料匹配是：非淬硬钢-青铜、非淬硬钢、尼龙及积层热压树脂；淬硬钢-硬青铜；淬硬镍钢-淬硬镍钢。

3.1 凸轮参数设置

由于数据均从VB中获得，所以为了建模的方便，本文一律采用国际单位制。考虑到凸轮的适用环境，凸轮选合金结构钢，弹性模量E取200?10pa，泊松比V取0.28,密度DENS取7850

Kg/m3 ，从动件选碳素工具钢，弹性模量E取210?10 pa，泊松比V取0.25,密度DENS取

997850Kg/m3。 具体的凸轮参数见表3-1：

名称 中心距 凸轮转速 分度转位 凸轮头数 滚子总数 滚子半径 滚子高度 凸轮分度转角 最大压力角 安装相位角 代号 c n i h z r b cf amax cp 值 0.1 100 4 2 h*i 0.01 2*r 180 50.4786 145.973 单位 m 转/分 个 个 个 m m 度 度 度 名称 转盘厚度 转盘节圆半径 转盘半径 转盘中心半径 凸轮总长 凸轮轴外半径 凸轮轴半径 单片凸轮厚度 凸轮叶片间距离 数据行数 代号 a1 rp rz1 rz2 ht hr1 hr hl hh hs 值 0.015 0.046 rp+0.012 0.02 0.09 0.035 rz2 0.015 0.035 181 单位 m m m m m m m m m 行 表3-1 平行分度凸轮各参数 本文采用GUI方式和APDL方式两种方式来完成整个模型的建立和分析，用户可以根据任何需要而任意更改上表中的任何值，从而改变凸轮的尺寸大小和基本参数，这对今后类似的凸轮建模提供了极大的方便，节省了大量的重复建模时间，且便于同业人士之间的交流和相互提高。

打开ANSYS/LS-DYNA程序，在按钮

下，分别定义表3-1中的参数。

3.2 *vread命令读取数据

从VB中得到的是一系列构成凸轮轮廓曲线的坐标值，在ANSYS中只有通过读取数据的方式获得这些值，ANSYS中的参数模块对数组定义及数据的读取提供了非常方便快捷的方法，而且效率很高。此处用命令*dim定义数组，用*vread命令读取数据，大致方法是：根据数据源（此处VB计算得出的数据以文本文档的格式保存，如 shuju.txt）的数量及规格，通过*dim（或相应的GUI方式，在按钮令如下：

*dim，xx,,181,8 ！在ANSYS程序中，定义空白数组。

*vread,xx(1,1),shuju,txt,,ijk,8,181 ！从外部文件（VB得到的数据文件）中读取数据。 (8f30.5)

其中，(8f30.5)必须得有，括弧中8代表数组列数，f代表浮点数，30代表数据源中每个数据

下进行）定义与之一一对应的数组，然后通过*vread命令读入，完整的APDL命

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的宽度，5代表小数位数，*vread不能直接在命令窗口中执行，只能通过创建宏或嵌套宏的方式执行。因为VB中的数据是以mm为单位，所以需要将其换成m,通过以下命令流实现： *dim,xx2,,181,8 *do,i,1,181 *do,ii,1,8

xx2(i,ii)=xx(i,ii)/1000 *enddo *enddo

转换过程的结果示意图，图3-2，图3-3：

图3-2 读取数据后的结果

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图3-3 数据换算后的结果 至此，材料属性定义、参数定义、数据读取完成。

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第四章 建模及划分有限元网格

平行分度凸轮机构由工作台、凸轮叶片、凸轮轴、转盘和滚子组成，为了简化模型，降低计算时间，本文中不考虑工作台，把凸轮叶片和凸轮轴通过布尔运算成一个整体，把转盘和滚子通过布尔运算成一个整体。

4.1 建立工作轮廓曲线

读取完毕后，就可利用这组数据来构建凸轮的工作轮廓曲线，总的来说，ANSYS的建模功能是不强大的，但通过APDL的方式建模却可提高精度和建模效率。绘制凸轮的工作轮廓曲线主要用到的命令是*DO（循环指令）和K（描关键点指令），BSPLIN（画样条曲线指令）三个指令的结合，具体如下：

*do,j,0,hs-1,1 !此处表示循环181次

k,1+j,xx2(1+j,1),-xx2(1+j,2) ! xx2为换算后的数组 *enddo ksel,,,,1,hs

bsplin,all ! 画样条曲线，构建与1号滚子接触的轮廓曲线，如图4-1， lplot

用同样的方法画与2号滚子接触的工作轮廓曲线图4-2，然后构建凸轮基圆，删去多余的线条即可得到凸轮工作轮廓曲线如图4-3：

图4-1 部分工作轮廓曲线 图4-2 部分工作轮廓曲线 图4-3 工作轮廓曲线 画好轮廓曲线后，按钮结果分别如图4-4，图4-5。

，选中工作轮廓曲线，由线生成面，然后拉伸，

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图4-4由线生成面 图4-5 由面生成体 4.2 凸轮安装及整个模型的建立

凸轮的安装角为：由安装相位角cp=145.973，计算凸轮镜像角度，在第三象限中建立一个与Y轴成该角度的工作平面，镜像凸轮即可得另一片凸轮，然后绘制凸轮轴，转盘和滚子，最后通过布尔运算即得整个凸轮模型。

由于刚建立好的平行分度凸轮机构不是在初始接触位置，所以还需要根据凸轮的参数，通过公式

D=180-cp-arcsin(rp·sin?10/R10)= 17.0213315 （2-13）

计算凸轮需旋转的角度。

（2-13）中，D为凸轮旋转的角度，cp为安装相位角，rp转盘节圆半径，?10为转盘的基准起始位置角，R10为凸轮的基准起始向径。算得凸轮旋转角度D后，将其旋转到初始接触位置，最终建立平行分度凸轮机构，如图4-6：

图4-6 ANSYS建立的平行分度凸轮机构 4.3 定义材料属性 在ANSYS/LS-DYNA有限元分析中，选用SOLID164单元，该单元是由8节点组成的单元，具有X、Y、Z三个方向的平移自由度，但SOLID164单元不具有转动自由度，为了模拟凸轮的旋转运动，

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在此引入具有6个自由度的SHELL163壳单元，对 shell163单元，单元为均匀厚度，定义节点 1处的壳厚为0.1，选择 S/Rco-rotational Hughes-Liu面内多积分点改进型单元算法，以消除某种沙漏模态。

在定义材料属性时，将材料3，材料4（即由SHELL163组成的单元）定义为刚性体，并约束刚性体X、Y、Z三个方向的平移自由度和ROTX、ROTY绕两个轴的旋转自由度。这是因为被定义为刚性体的单元可以大大缩短有限元分析时间，在定义刚性体后，刚性体的材料性质都集中在单元的质心上，在施加转动载荷时，直接施加在刚体的质心上，使刚体绕质心旋转，即将凸轮中心面和转盘中心面定义为刚体，并对其进行约束和施加载荷后，转盘和凸轮分别绕自己的中心轴线旋转。

在按钮：

下，定义单元类型1，SOLID164；单元类型2，SOLID 164；单

下，定义实常数1、2，下，定义材料属性：材料

元类型3，SHELL163；单元类型4，SHELL 163。然后更改SHELL 163单元的关键字，选择 S/Rco-rotational Hughes-Liu面内多积分点。在按钮设置SHELL163单元节点1处的厚度为0.1。在按钮

料号3，4为刚体，并约束其x、y、z、rotx、roty方向的自由度。

号1为凸轮，材料号2为转盘，材料号3为凸轮内圈表面，材料号4为转盘内圈表面，其中设置材

4.4 划分有限元网格

在ANSYS/LS-DYNA中，有限元模型的大小决定了计算时间，随着模型自由度的增加，计算时间加大，所以要尽量避免结构中的一个小单元而使得整体计算时间增长，为了满足足够的计算精度，同时又考虑到计算机时间，由于凸轮机构的不规则性导致了扫掠划分网格的困难，故采用部分自由划分网格的方式：接触区和整个凸轮采用扫掠划分网格，其他部分采用自由划分网格。

划分网格具体步骤如下： 在主菜单

下，点击

，在弹出的图4-7中，设置如图，点击，在弹出的图4-8中，选择相应的材料号1，

OK后，选中凸轮和凸轮轴，点击

图4-7 选择凸轮实体 图4-8 设置换分网格参数

单元类型1，实常数1，单元所在坐标系，设置整体单元尺寸大小为0.006，扫略划分网格。

用同样的方法，选中转盘上在转动过程中可能与凸轮接触的四个滚子，选择相应的材料号2，

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单元类型2，实常数2，单元所在坐标系，扫略划分网格；设置整体单元尺寸大小为0.012，选中剩余的实体，选择相应的材料号2，单元类型2，实常数2，单元所在坐标系，划分网格；之后，划分凸轮刚体单元，选中凸轮轴内圈表面，选择相应的材料号3，单元类型3，实常数1，单元所在坐标系，划分网格；最后，划分转盘刚体单元，选中转盘内圈表面，选择相应的材料号4，单元类型4，实常数2，单元所在坐标系，划分网格。最后获得完整的有限元模型如图4-9。

图4-9 划分网格后的有限元模型

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第五章 施加载荷

平行分度凸轮在实际工作中，凸轮作匀速转动，转盘作改进正弦加速度运动。考虑到凸轮对滚子的压力较大，冲击载荷也一直处在变化之中，所以，需要驱动电机的功率满足一定的要求，并避免电机的震动而引起的凸轮瞬时载荷过大，对凸轮造成损坏。

5.1 创建PART

在ANSYS/LS-DYNA中，不同的体是通过不同的PART来界定的，即把具有相同的材料属性、单元类型和实常数的一组单元（或称为单元组）定义为具有唯一编号的PART，根据凸轮转动的需要，共定义四个PART,将前述的材料号1、2、3、4划分的四组单元分别定义为PART1、PART2、PART3、PART4，其中，不同的PART具有不同的属性。

在按钮PART,如图5-1。

下，选择

，创建四个

图5-1 创建四个PART 5.2 定义接触 在ANSYS/LS-DYNA中没有接触单元，而是通过在运动过程中可能接触的PART，在他们之间建立接触，ANSYS/LS-DYNA中提供了18种接触类型供用户选择，用户只需根据具体的工程需要来设置相关参数，满足实际要求。在定义接触时，选择接触面和目标面为凸轮PART1和转盘PART2，选用面-面（STS）接触，接触算法用罚函数法。并设置参数为：静摩擦系数为0.1，动摩擦系数为0.1，指数衰减系数为0，粘性系数为0，临界粘性阻尼系数为0，接触时间在0-10000000s之间，接触刚度为0.1，其他均采用默认设置。

在按钮

、

下，弹出图5-2的图，设置如图参数后，点击OK，

，弹出

在弹出的窗口中，选择PART1,PART2,即可定义接触。然后点击按钮如图5-3示图片，所有的接触控制参数均采用默认值。

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图5-2 定义接触参数 图5-3 设置接触控制参数 共 40 页 第 16 页

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5.3 施加载荷

在实际工程中，凸轮在转动的过程中拨动转盘周期性的转动。凸轮以固定的角速度转动，受变化的驱动转矩，而转盘则以改进正弦加速运动，受变化的阻力转矩，在前面已经介绍如何约束和加载，并计算出了具体的数值。此处用上述定义的四个数组，分别对凸轮施加角速度和驱动转矩，对转盘施加阻力转矩。施加载荷的方法如下：

前面已经定义了四个数组，并读入了相应的数据值，所以此处直接调用数组即可，按钮

，

弹出如图5-4所示，在此框中首先对凸轮加载主转矩，具体

设置如图，然后Apply，用同样的方法加载凸轮驱动转矩和转盘阻力转矩。

图5-4 给凸轮内圈表面（即PART3,刚体）加载转速 第 17 页 共40页

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5.4 设置求解选项

凸轮在0.6s内，完成一周的转动，在0.3s内完成一个分度，而凸轮与转盘的主要受力情况是在分度的0.3s内发生，理论上讲，计算时间应设置为略大于0.3s，因为，假如计算时间为0.3s,系统会自动计算到0.3s的后一两步，但为了减少整体计算时间，这里取0.3s，结果输出文件.rst的输出步数为 100步，时间历程文件.his的输出步数为100步。

在按钮

，

下，设置计算时间0.3s，时间步长0.9，在按钮写出K文件，为了获得节点的接触应力，把K文

下，选择输出格式为ANSYS和LS-DYNA两种方式，设置输出节点应力，接触

应力和节点能量，然后按钮

件里关键字*contact_node_to_surface中的SPR、MPR控制参数均改为1，然后执行求解。

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第六章 结果分析

ANSYS/LS-DYNA中提供了多种结果分析方式，有通用后处理器/POST1、时间历程处理器/POST26、lsprepostd三种方式，本文采用前两种方式进行分析。为了获得较为直观的接触应力结果，首先观察动画，然后找出最大应力发生的时间和区域，再通过时间历程处理器，进行精确的定点定位分析。

6.1 通用后处理器/POST1中滚子的受力分析

为了提高凸轮分析效率，首先直接选择转盘为分析对象，显示其动画过程，按钮

、

、在弹出的图6-1中，先如图设置，之后点击

。

图6-1 动画显示 设置框 然后点击，此时会弹出如图6-2图，选中，单击OK。 图6-2 设置显示结果动画 OK，等候片刻，即可进入动画显示。

单击OK后，会弹出如图6-3，按照该图进行设置，表明查看的是应力中的等效应力图，然后

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贺国军:基于LS-DYNA的平行分度凸轮机构的应力分析

图6-3 选择等效应力动画

观察动画结果，在凸轮刚开始转动时，最大应力发生在凸轮和转盘中心曲面上，为14.4Mpa，这是由于分别在凸轮和转盘中心曲面上施加了转矩；在啮合的过程中，滚子上的应力变化规律为：转盘与凸轮在接触区的等效应力随着凸轮与滚子的啮入，应力会逐渐变化，凸轮先与第一个滚子啮合，再与第一、二个滚子同时接触，然后与第一、第二、第三个滚子同时接触，最后与第二、第三个滚子同时接触。第一个滚子上的最大应力发生在0.084s时，值为183 Mpa，如图6-4；第二个滚子上的最大应力发生在0.141s时，值为205 Mpa，如图6-5；第三个滚子上的最大应力发生在0.258s时刻，值为91.3Mpa，如图6-6。

图6-4 第一个滚子啮合时的最大应力云图 单位/pa 共 40 页 第 20 页

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图6-5 第二个滚子啮合时的应力最大云图 单位/pa 图6-6 第三个滚子啮合时应力最大时云图 单位/pa 6.2 通用后处理器/POST1中凸轮的受力分析

用同样的方法，选中凸轮，单独对凸轮的应力变化进行动画观察。凸轮上的应力变化为：初始接触应力在凸轮的上叶片上，在0.06s时，为51.7 Mpa，如图6-7，应力慢慢向凸轮叶片尖角处移动，在0.111s左右，凸轮与三个滚子同时啮合，如图6-8；在0.183s时，凸轮下叶片上出现最大应力，为417Mpa，如图6-9，这是由于应力集中引起的瞬时峰值，对凸轮产生瞬时冲击载荷。

第 21 页 共40页

贺国军:基于LS-DYNA的平行分度凸轮机构的应力分析 如图6-7 0.06s初始啮合时的应力云图 单位/pa 如图6-8 与三个滚子同时啮合时的应力云图 单位/pa 共 40 页 第 22 页

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如图6-9 凸轮凸轮下叶片最大应力时的应力云图 单位/pa 6.3 时间历程处理器/POST26中节点的受力分析

根据观察以上动画结果，查得，在第二个滚子上的最大应力节点为4098，其等效应力时间历程曲线如图6-10。

图6-10 节点4098的等效应力曲线 第 23 页 共40页

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由图6-10知，4098节点在0.10s时，开始进入接触状态，在0.141s左右，被凸轮下叶片拨动，接触应力趋于最大值，为205Mpa。

凸轮下叶片上的最大应力节点为1723，其等效应力曲线如图6-11。 图6-11 节点1723的等效应力曲线

由图6-11可知，1723节点在0.183s左右，等效应力最大，值为417Mpa，但时间很短，这说

明在凸轮叶片上的1723节点，出现了应力集中，但因为时间极为短暂，所以对凸轮影响不是很大，但是在实际工况中，应尽量避免这样的现象。

综上所述，滚子上的最大应力发生在下面的一轮滚子上，在0.141s时刻，最大值为205Mpa,而凸轮上的最大应力也是发生在下片叶片上，在0.183时刻，最大值为417Mpa，因此，在凸轮设计时，应该刻意的提高下面滚子和叶片的轮廓曲线精度、安装精度，提高其质量性能。

查材料参数表，合金结构钢的屈服强度为785Mpa,远大于凸轮上的最大应力417 Mpa，碳素工具钢的屈服强度为355Mpa，大于滚子上的最大应力205 Mpa，故此，该平行分度凸轮机构的设计满足实际要求。

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第七章 结论

7.1 小结

本文通过利用ANSYS/LS-DYNA有限元仿真分析软件，对凸轮的参数化建模和处理，分析了凸轮在实际工况中的受力情况，ANSYS/LS-DYNA软件所获得的结果与理论计算比较相符，这充分说明了有限远分析软件的快速性和准确性。从ANSYS/LS-DYNA分析的结果来看，滚子上的最大的接触应力发生在滚子的上下两脚处，而凸轮上的最大应力发生在凸轮叶片上，这为凸轮的强度设计和凸轮的改进提供了良好的依据。诚然，ANSYS/LS-DYNA目前还处于不成熟阶段，有待各界人士的学习、利用、研究和改进。

本文通过ANSYS/LS-DYNA软件对平行分度凸轮的分析研究，得出四个创新点：

（1）通过ANSYS/LS-DYNA的*vread命令读取由VB产生的平行分度凸轮轮廓曲线数据，实现了基于VB的平行分度凸轮轮廓的计算机辅助设计与基于ANSYS/LS-DYNA的平行分度凸轮机构的应力分析的数据接口。

（2）平行分度凸轮机构接触强度的薄弱环节在凸轮轮廓面，最大应力出现在凸轮轮廓面的棱边上。

（3）用ANSYS/LS-DYNA对平行分度凸轮机构进行应力分析，为平行分度凸轮机构的强度设计提供了理论参考。

（4）采用APDL建模，实现了以更改凸轮基本参数而任意更改凸轮大小和以更换VB数据源而任意设计凸轮运动规律的模块化建模，大大提高了分析的效率。

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第八章 APDL方式建模及处理

在ANSYS中，可以通过GUI方式(即鼠标点击的方式)建模和APDL（即命令流的方式）两种方式完成整个有限元的分析。本文在GUI方式的基础上，对APDL也做了一定的研究，并给出了完整的命令流分析文件。

注意：应将宏程序置于工作目录下。

8.1宏程序shuju1.mac

*dim,xx,,181,8, !定义数组，181行，8列

*vread,xx,shuju0,txt,,jik,8,181 !读取数据，shuju0.txt，是由VB计算所得 (8f30.5) !括弧及其内容必须得有，8数组列数，30数据宽度，5小数位数 该程序主要用于定义空白数组，并读取VB中平行分度凸轮机构工作轮廓曲线的数据。

8.2宏程序yundong.mac

*dim,time,,62,1 !定义数组，解释同上…… *vread,time,time,txt,,jik,1,62 (1f8.7)

*dim,zzhuansu,,62,1

*vread,zzhuansu,zzhuansu,txt,,jik,1,62 (1f12.9)

*dim,zzhuanju,,62,1

*vread,zzhuanju,zzhuanju,txt,,jik,1,62 (1f12.4)

*dim,czhuansu,,62,1

*vread,czhuansu,czhuansu,txt,,jik,1,62 (1f9.7)

*dim,czhuanju,,62,1

*vread,czhuanju,czhuanju,txt,,jik,1,62 (1f12.4)

该程序主要用于定义空白数组，并读取相应的数据。

8.3命令流分析文件

值得注意的是，由于在APDL分析过程中要读取数据源，为了分析的方便，本文将各数据源和各宏程序一律放在ANSYS的工作目录下。 finish /clear /filname,tun0 /title,haha /units,si

!此下定义单元属性,考虑到凸轮适用于高速重载环境，所以凸轮选合金结构钢弹性模E取

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!200GPA，泊松比V取0.28,密度DENS取7850Kg/m3热!膨胀系数α取12(10-6/摄氏度)； !从动件选碳素工具钢，弹性模量E取210GPA，泊松比V取0.25,密度DENS取7850Kg/m3 /prep7

et,1,164 !定义单元类型1，2，3，4 et,2,164 et,3,163

et,4,163

keyopt,3,1,7 !设置shell163单元，选择 S/Rco-rotational Hughes-Liu面内多积分点 keyopt,4,1,7

mp,ex,1,200e9 !定义1,2号材料 mp,dens,1,7850 mp,prxy,1,0.28

mp,ex,2,210e9 !单元类型2 mp,dens,2,7850 mp,prxy,2,0.25

mp,dens,3,7850 !定义3,4号材料 mp,ex,3,200e9 mp,nuxy,3,0.28

edmp,rigi,3,7,4 !定义刚体，并约束x，y，z,rotx,roty方向自由度 mp,dens,4,7850 mp,ex,4,210e9 mp,nuxy,4,0.25 edmp,rigi,4,7,4 *set,_rc_set,1, r,1

rmodif,1,1, , ,0.1, , , , !定义实常数，节点 1处的壳厚为0.1 rmodif,1,7, 0 *set,_rc_set,2, r,2

rmodif,2,1, , ,0.1, , , , rmodif,2,7, 0

!此下定义各参数,其中，从动件为改进正弦加速度规律,步长为1 /prep7

c=0.1 !中心距

n=100 !凸轮转速 转/分 化为 n*π/30弧度/秒 i=4 !分度转位数 h=2 !凸轮头数 z=h*i !滚子总数

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r=0.010 !滚子半径 b=2*r !滚子厚度 a1=0.015 !转盘底厚 a2=0.015 !转盘中厚 a3=0.015 !转盘顶厚

rp=0.046 !转盘节圆半径 rz1=rp+0.012 !转盘半径 rz2=0.02 !转盘中心半径

sd=0.002 !sd表示下片凸轮距底盘的距离 *afun,deg !改为度 x=rp*cos(360/(2*i*h)) !滚子参数 y=rp*sin(360/(2*i*h))

*afun,rad !改为弧度，系统默认 ht=0.09 !凸轮总长 hr1=0.035 !凸轮轴外半径 hr=rz2 !凸轮轴内半径 hl=0.015 ! hl为单片凸轮厚度 hh=0.035 !凸轮移动距离 cf=180 !凸轮分度转角 amax=50.47863 ! 最大压力角 cp=145.9573 !安装相位角

hs=181 !VB输出数据的行数

*afun,deg !此下，d为凸轮旋转的角度，用于旋转凸轮至初始接触位置 d=180-cp-asin(rp*sin(180/z)/(c**2+(rp)**2-2*c*rp*cos(180/z))**(1/2)) *afun,rad /prep7

shuju1 !读入数组数据 后附宏程序shuju1.mac内容 *dim,xx2,,181,8 !定义数组

*do,i,1,181 !此循环命令用于将mm单位换算成m *do,ii,1,8

xx2(i,ii)=xx(i,ii)/1000 *enddo *enddo

k,10000,0,0,0 !描关键点，是辅助关键点 k,10001,200/1000,0 k,10002,-200/1000,0 k,10003,0,200/1000 k,10004,0,-200/1000

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k,10005,0,0,200/1000 k,10006,0,0,-200/1000 k,10009,-c,0,0

l,10002,10001 !描线，是辅助线 l,10004,10003 l,10005,10006

/pnum,line,1 !显示线

*do,j,0,hs-1,1 !循环命令，描凸轮工作轮廓各坐标点 k,1+j,xx2(1+j,1),-xx2(1+j,2) *enddo ksel,,,,1,hs

bsplin,all !样条曲线连接各坐标点，形成凸轮工作轮廓曲线1 kdele,2,hs-1 !除去首尾的坐标点 lsel,,,,all !选择所有的线 lplot !显示刚选择的线 allsel,all !选择全部

*do,j,0,hs-1,1 !循环命令，描凸轮工作轮廓各坐标点 k,cf+2+j,xx2(1+j,5),-xx2(1+j,6) *enddo

ksel,,,,hs+1,hs+hs

bsplin,all !样条曲线连接各坐标点，形成凸轮工作轮廓曲线2 kdele,hs+2,hs+hs-1 !除去首尾的坐标点 lsel,,,,all lplot allsel,all

csys,1 !换到柱坐标系 l,1,hs+hs !建立凸轮圆周

csys,0 !换到直角坐标系，系统默认 lovlap,4,5 !搭接工作轮廓曲线，求交点 ldele,8,9,,1 !删掉多余的线 numcmp,line !压缩线号1-7 lplot

al,4,5,6, !画凸轮叶片面

vext,1, , ,0,0,hl,,,, !拉伸凸轮叶片面成体，hl为单片凸轮厚度 *afun,deg

k,10007,-200*tan(90-cp/2)/1000,-200/1000 !镜像需要的，与y轴成一定角度的点 *afun,rad

cskp,11,0,10007,10000,10005,1,1, !建立新的柱坐标系11

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vsymm,z,1, , , ,0,0 !镜像凸轮

vgen,z ,2, , , ,hh,0 ,,,1 !移动凸轮hh为上片凸轮移动距离，即整个凸轮高hh+hl kwpave, 10000 !移动工作平面到关键点10000 csdele,11 !删除坐标系11 vplot !显示体

wpoff,,,-(ht-hh-hl)/2

cyl4,0,0,hr1, ,, ,ht !画凸轮轴,hr凸轮轴半径,ht凸轮总长 kwpave, 10009

wpoff,,,-(a1+sd) !移动工作平面

cyl4,0,0,rz1, , rz2, , a1 !画转盘底部, 转盘宽度自定义 cswpla,11,1,1,1, !在工作平面建立柱坐标系 wpoff,,,a1

cyl4,abs(x),-abs(y),r, , rb, , b !画第一个滚子 vgen,z/2,5, , , ,360/(z/2), , ,0 ! 复制第一轮滚子 vplot

wpoff,,,b cyl4,0,0,rz1, , rz2, , a2 !画转盘中部 wpoff,,,a2

cyl4,abs(x),abs(y),r, , rb, , b !画第二轮的第一个滚子 vgen,z/2,6+z/2, , , ,360/(z/2), , ,0 !复制第二轮滚子 wpoff,,,b

cyl4,0,0,rz1, ,rz2 , , a3 !画转 盘顶部 csys,0 wpave,0,0,0

/pnum,line,0 !关闭显示线 至此，建实体共14个 csys,1 !激活整体柱坐标系 vsel,s,,,1,3, !选择体1，2，3

vgen, ,all, , , ,d, , , ,1 !旋转凸轮d度，正值为逆时针，负值为顺时针 csys,0 vsel,,,,all vplot /prep7

ldele,1,3 !删掉辅助线 kdele,10000,10009 !删掉辅助点 allsel, aplot

/view, 1, -0.3 , -0.9 , 0.3 !调整视角 /ang, 1, 45

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/replot

flst,2,2,6,orde,2 fitem,2,1 fitem,2,2

vsbv,p51x, 3 !1，2体与 3体求差集 csys,0

wpave,0,0,0

wpoff,,,-(ht-hh-hl)/2-0.001 cylind,hr,hr1,0,ht+0.002,0,360, vglue,1,15,16 vsel,,,,4,14

vglue,all !粘接实体4—14， allsel

save !至此，建模结束，其中实体共14个,包括主从动件位置已完善！ !!!!!!!!!划分网格!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!划分网格!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! /prep7

vsel,,,,2,3 !选中2、3号体 vsel,a,,,17

vatt, 1, 1, 1, 0 secnum,

esize,0.006,0, !设置单元尺寸 vsweep,all ！扫略划分凸轮 allsel, vsel,,,,5,8,3 vsel,a,,,10,13,3 vatt, 2,2,2,0 secnum,

esize,0.006,0, !设置滚子单元尺寸 vsweep,all !扫略划分四个滚子 vsel,,,,1 vsel,a,,,6,7,1 vsel,a,,,11,12,1 vsel,a,,,15,16,1 vatt, 2,2 , 2, 0

esize,0.012,0, !设置转盘单元尺寸 mshkey,0 mshape,1,3d

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vmesh,all !自由划分转盘 csys,1

asel,,loc,x,hr !选中凸轮内圈表面 aplot

aatt, 3,1 , 3, 0 mshkey,0

amesh,all !划分刚选中的面 allsel,all csys,11

asel,,loc,x,hr !选中转盘内圈表面 aplot

aatt, 4,2 , 4, 0 mshkey,0

amesh,all !划分刚选中的面 allsel,all eplot

edpart,create !创建part

edcgen,sts, 1, 2,0.1,0.1,0,0,0, , , , ,0,10000000,0,0 !设置接触参数 edcontact,0.1,0,2,0,1,1,1,4,0 !设置接触参数 edsp,off,' ',' ',1, finish

yundong !调用宏程序yundong.mac,在附中给出 /sol !打开求解器

edload,add,rboz,0, 3,time,zzhuansu, 0, , , , , !加载主转速 edload,add,rbmz,0, 3,time,zzhuanju, 0, , , , , !加载凸轮驱动转矩 edload,add,rbmz,0, 4,time,czhuanju, 0, , , , , !加载转盘阻力转矩 time,0.3, !计算时间0.3s edcts,0,0.9, !时间步长0.9 edopt,add,blank,both !ansys和ls-dyna输出

edrst,100, !结果输出文件.rst文件输出步数为100步 edhtime,100, !时间历程文件.his文件输出步数为100步 eddump,1,

edout,rcforc !文本文件输出合成界面接触力 edout,ncforc ! 文本文件输出节点接触力 edout,matsum ! 文本文件输出材料能量计算结果 save allsel,all solve

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/post1 !进入通用后处理器 partsel,'s',2, , , !选择转盘PART2 eplot /show,win32c set,first plns,s,eqv

andata,0.5, ,0,0,0,1,0,1 !动画显示等效应力图 allsel,all

partsel,'s',1, , , !选择凸轮PART1 eplot /show,win32c set,first plns,s,eqv

andata,0.5, ,0,0,0,1,0,1 !动画显示等效应力图 allsel,all

set,,, ,,, ,79 !选择步数79 prnsol,s,prin !列表显示节点等效应力 set,,, ,,, ,60 !选择步数

prnsol,s,prin !列表显示该步节点的等效应力 finish

/post26 !进入时间历程后处理器 ansol,2,3908,s,eqv, force1 !选择节点3908的等效应力 xvar,1

plvar,2, !刚选中节点的等效应力时间历程曲线 ansol,3,1967,s,eqv, force2 !选择节点1967的等效应力 xvar,1

plvar,3, !刚选中节点的等效应力时间历程曲线

至此，命令流方式建立模型、划分网格、加载和后处理完毕。

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致谢

本论文是在何晶昌老师的悉心指导下，才得以顺利完成的，在短短的大学几年间，我深受何晶昌老师的严谨治学态度和求真精神所感染，尤其是在本论文的写作过程中，何晶昌老师给予了我极大的鼓励、帮助和支持，在我遇到解决不了的难题时，曾多次打搅何老师至深夜。何老师任劳任怨的帮我解决难题，在此，深深的感谢何老师，感谢您为众多学子的无私付出。

在论文即将完成之际，也是我将要进入社会参加工作之时，借此机会，向大学中关心过、帮助过、辅导过我的各位领导、辅导员、任课教师、代课教师致以诚挚的谢意和真诚的祝福。

同时，感谢家中的亲人对我的默默支持和无私奉献。

在此，感谢广大同学们对我的照顾和关心，在我遇到困难时不停的帮助我，为我分忧，借此，预祝亲爱的同学们，前程似锦，万事如意。

衷心地感谢在百忙之中评阅论文和参加答辩的各位老师、专家和教授。

贺国军

二〇〇八年十二月十二日

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Stress Analysis on the Parallel Conjugate Cam Mechanism with ANSYS/LS-DINA

HE Guo-jun

Chongqing Three Gorges University, Chongqing 404000,China

Abstract This paper mainly discusses the design process of parallel indexing cam mechanism. And

according to the improving movement law of sinusoidal acceleration, calculates the load of cam mechanism . By ANSYS / LS-DYNA finite element analysis software, completes the ANSYS / LS-DYNA data interface with VB and successfully introduces into the coordinate value of the parallel indexing cam mechanism; Builds the finite element model accurately; Through the parameter module of ANSYS / LS-DYNA software, draws curves based on the value which is calculated from movement law and load.

This paper obtains maximum stress state and maximum stress through analysing the parallel indexing cam mechanism correctly by Finite Element Method and the finite element analysing result using POST26 -POST1 .

In addition, the paper models and anslysis in two ways; emphatically introduces the analysis process and methods of GUI; briefly describes modeling and analysising through APDL.And finially gives the corresponding command flow document.

Through ANSYS / LS-DYNA analysis, drawn parallel indexing cam mechanism exposed the weak links in the intensity of the cam profile, the greatest stress in the cam profile edge of the edge; with ANSYS / LS-DYNA for the parallel indexing cam mechanism to carry out stress analysis for the parallel indexing cam mechanism of the strength design provides a theoretical reference; using APDL modeling, the realization of the basic parameters used to change the cam and cam arbitrary changes in size and to replace the VB data source and the design of cam movement of arbitrary modular modeling, greatly improving the efficiency of analysis.

Key words: parallel conjugate cam，APDL modeling，stress analysis Cam，APDL array parameter model，curve，function to load，payload

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发表论文

基于LS-DYNA的平行分度凸轮机构的应力分析

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待发表在审稿

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/z8ro.html