CN102693339A - 一种斯特林制冷机曲柄连杆机构综合分析方法 - Google Patents

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李龙华
崔征
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Abstract

本发明公开一种斯特林制冷机曲柄连杆机构综合分析方法，首先根据曲柄连杆机构的设计图纸，运用Pro/E软件进行三维建模；然后将建立的曲柄连杆机构实体模型从Pro/E软件中导入到ADAMS软件中，进行虚拟仿真；最后根据仿真结果进行有限元分析；本发明将三维建模技术、虚拟仿真技术和有限元分析技术相结合，与解析法和实验法相比大大缩短了产品开发的周期，减少了费用，提高了产品的竞争力。

Description

一种斯特林制冷机曲柄连杆机构综合分析方法
技术领域
本发明属于曲柄连杆机构仿真分析设计领域，具体涉及一种斯特林制冷机曲柄连杆机构综合分析方法。
背景技术
曲柄连杆机构是斯特林制冷机中最重要的部件之一，它将曲轴的旋转运动通过连杆转化为活塞的直线运动。曲轴和连杆承载着复杂而交变的载荷，是曲柄连杆机构设计的重点和难点。首先曲柄连杆机构必须要满足使用寿命，然后在满足使用寿命的前提下对曲柄连杆机构进行优化设计。这样才能获得高性能的曲柄连杆机构，才能提高产品的竞争力。
对曲柄连杆机构的分析主要包括曲轴强度的分析，连杆强度和刚度的分析以及曲轴、连杆、活塞的模态分析。传统的分析方法有：解析法和实验法，解析法需要在结构和结果精度之间寻求一个折衷，实际结构一般都比较复杂，要用解析法来分析非常繁琐；实验法有很高的精度，但同时这种方法的缺点也很明显，需要造出物理样机，费用高，操作复杂，费时费力。一般在设计定型投入使用前用该方法进行最后的强度验证，在设计过程中不宜采用。
发明内容
发明目的：本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种斯特林制冷机曲柄连杆机构综合分析方法，该方法能缩短设计周期、减少设计费用、提高设计效率。
技术方案：本发明所述的一种斯特林制冷机曲柄连杆机构综合分析方法，首先根据曲柄连杆机构的设计图纸，运用Pro/E软件进行三维建模；然后将建立的曲柄连杆机构实体模型从Pro/E软件中导入到ADAMS软件中，进行虚拟仿真；最后根据仿真结果进行有限元分析。
进一步，所述虚拟仿真为根据曲柄连杆机构的实际工况，设置运动副、驱动和载荷，进行虚拟仿真。
所述有限元分析为：将Pro/E建立的曲轴和连杆实体模型导入到ANSYS中，通过前处理将实体模型转化为有限元模型，进行分析计算和后处理。
所述前处理包括如下几个步骤：
（1）对导入的曲轴和连杆实体模型，为达到较高的计算精度，抑制掉可以忽略的几何的细节；
（2）曲轴模型和连杆模型的切分，为网格划分和载荷加载做准备；
（3）网格划分：首先根据材料的属性设置单元的弹性模量、泊松比、密度；其次控制网格尺寸，对不连续部位设置较小的网格尺寸或者进行网格细化，对远离不连续处的实体可适当加大网格尺寸以提高分析精度减少分析时间，选用SOLID95单元对实体模型进行智能网格划分；
（4）施加约束及载荷：在曲轴左端面施加止推约束，在右端面施加止旋约束；连杆所受载荷沿连杆轴颈轴向方向按二次抛物线规律分布，且沿连杆轴颈圆周2π/3角范围内按余弦规律分布。
所述分析计算包括曲轴的强度分析，连杆的强度和刚度分析，曲轴、连杆和活塞的模态分析，获得的有限元结果包括位移、应力、主应力、等效应力。
进一步完善上述技术方案，还包括根据ANSYS有限元分析的结果，以材料的强度刚度属性为依据，对应力进行评定，如果所有的应力都满足强度要求，分析完成，如果有大的盈余则要进行优化。
进一步，因为连杆是轴对称结构，在Pro/E中取其1/2实体进行三维建模。
进一步，所述曲轴、连杆和活塞的模态分析为：选用子空间法，求解前10阶模态。
本发明与现有技术相比，其有益效果是：本发明将三维建模技术、虚拟仿真技术和有限元分析技术相结合，与解析法和实验法相比大大缩短了产品开发的周期，减少了费用，提高了产品的竞争力。
附图说明
图1为连杆所受载荷沿连杆轴颈轴向方向按二次抛物线规律分布示意图。
图2为连杆所受载荷沿连杆轴颈圆周2π/3角范围内按余弦规律分布示意图。
其中：P1为沿连杆轴向的载荷分布函数，q(x,θ)为沿连杆轴颈圆周2π/3角范围内载荷分布函数。
具体实施方式
下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。
一种斯特林制冷机曲柄连杆机构综合分析方法，首先根据曲柄连杆机构的设计图纸，运用Pro/E软件进行三维建模，在建模过程中，因为连杆是轴对称结构，在Pro/E中取其1/2实体进行三维建模；然后将建立的曲柄连杆机构实体模型从Pro/E软件中导入到ADAMS软件中，根据曲柄连杆机构的实际工况，设置运动副、驱动和载荷，进行虚拟仿真；最后将Pro/E建立的曲轴和连杆实体模型导入到ANSYS中，通过前处理将实体模型转化为有限元模型，根据仿真结果进行分析计算和后处理，根据ANSYS有限元分析的结果，以材料的强度刚度属性为依据，对应力进行评定，如果所有的应力都满足强度要求，分析完成，如果有大的盈余则要进行优化。
所述前处理包括如下几个步骤：
（1）对导入的曲轴和连杆实体模型，为达到较高的计算精度，抑制掉可以忽略的几何的细节；
（2）曲轴模型和连杆模型的切分，为网格划分和载荷加载做准备；
（3）网格划分：首先根据材料的属性设置单元的弹性模量、泊松比、密度；其次控制网格尺寸，对不连续部位设置较小的网格尺寸或者进行网格细化，对远离不连续处的实体可适当加大网格尺寸以提高分析精度减少分析时间，选用SOLID95单元对实体模型进行智能网格划分；
（4）施加约束及载荷：在曲轴左端面施加止推约束，在右端面施加止旋约束；连杆所受载荷沿连杆轴颈轴向方向按二次抛物线规律分布（如图1所示），且沿连杆轴颈圆周2π/3角范围内按余弦规律分布（如图2所示）。
所述分析计算包括曲轴的强度分析，连杆的强度和刚度分析，曲轴、连杆和活塞的模态分析，具体的模态分析为：选用子空间法，求解前10阶模态，获得的有限元结果包括位移、应力、主应力、等效应力。
如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上作出各种变化。

Claims (8)

1.一种斯特林制冷机曲柄连杆机构综合分析方法，其特征在于，首先根据曲柄连杆机构的设计图纸，运用Pro/E软件进行三维建模；然后将建立的曲柄连杆机构实体模型从Pro/E软件中导入到ADAMS软件中，进行虚拟仿真；最后根据仿真结果进行有限元分析。
2.根据权利要求1所述的斯特林制冷机曲柄连杆机构综合分析方法，其特征在于，所述虚拟仿真为根据曲柄连杆机构的实际工况，设置运动副、驱动和载荷，进行虚拟仿真。
3.根据权利要求1所述的斯特林制冷机曲柄连杆机构综合分析方法，其特征在于，所述有限元分析为：将Pro/E建立的曲轴和连杆实体模型导入到ANSYS中，通过前处理将实体模型转化为有限元模型，再进行分析计算和后处理。
4.根据权利要求3所述的斯特林制冷机曲柄连杆机构综合分析方法，其特征在于，所述前处理包括如下几个步骤：
（1）对导入的曲轴和连杆实体模型，为达到较高的计算精度，抑制掉可以忽略的几何的细节；
（2）曲轴模型和连杆模型的切分，为网格划分和载荷加载做准备；
（3）网格划分：首先根据材料的属性设置单元的弹性模量、泊松比、密度；其次控制网格尺寸，对不连续部位设置较小的网格尺寸或者进行网格细化，对远离不连续处的实体可适当加大网格尺寸以提高分析精度减少分析时间，选用SOLID95单元对实体模型进行智能网格划分；
（4）施加约束及载荷：在曲轴左端面施加止推约束，在右端面施加止旋约束；连杆所受载荷沿连杆轴颈轴向方向按二次抛物线规律分布，且沿连杆轴颈圆周2π/3角范围内按余弦规律分布。
5.根据权利要求3所述的斯特林制冷机曲柄连杆机构综合分析方法，其特征在于，所述分析计算包括曲轴的强度分析，连杆的强度和刚度分析，曲轴、连杆和活塞的模态分析，获得的有限元结果包括位移、应力、主应力、等效应力。
6.根据权利要求3所述的斯特林制冷机曲柄连杆机构综合分析方法，其特征在于，还包括根据ANSYS有限元分析的结果，以材料的强度刚度属性为依据，对应力进行评定，如果所有的应力都满足强度要求，分析完成，如果有大的盈余则要进行优化。
7.根据权利要求1所述的斯特林制冷机曲柄连杆机构综合分析方法，其特征在于，连杆是轴对称结构，在Pro/E中取其1/2实体进行三维建模。
8.根据权利要求5所述的斯特林制冷机曲柄连杆机构综合分析方法，其特征在于，所述曲轴、连杆和活塞的模态分析为：选用子空间法，求解前10阶模态。
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