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3.将运动模拟与FEA结合使用

       要想懂得运动模拟和FEA在机构模拟中如何结合使用，了解每种工具的基本假设会对您有所帮助。

       FEA是一种用于结构分析的数字技术，已经成为研究结构的主导CAE方法。它可以分析任何固定支撑的弹性物体的行为，如图13中所示的托架。此处弹性是指物体可变形。如果应用静态载荷，拖架会变成新的变形形状，之后将不再变化。如果应用动态载荷，拖架会围绕平衡位置振动。FEA可以研究应用静态或动态载荷情况下拖架的位移、应变、应力和振动。

图13：固定支撑的拖架只能变形，不能移动

       相反，局部支撑的物体，如拖架上铰接的调速轮（图14），可以旋转而无须变形。调速轮可像刚性实体那样移动，因而该设备属于机构，而非结构。我们将使用运动模拟来研究调速轮的运动。如果将调速轮视为刚性实体，则无法计算应变和应力（详细信息请参阅附录1）

图14：调速轮作为刚性实体围绕将其连接到基体的铰链旋转（上图）。由于存在刚性实体运动（下图），因此将此设备归类为机构

      乍一看，结构与机构之间的差异可能并不太明显，如图15所示的两个设备。它们都有两个通过铰链连接到不可移动基体的摆动杆。右边的设备使用弹簧将摆动杆与基体连接到了一起。没有弹簧的设备属于机构，因为其摆动杆不能自由旋转。不论是围绕铰链旋转还是围绕平衡位置来回摆动，在摆动杆移动过程中，此设备的任何零件都无须变形。摆动杆显示的是刚性实体运动，因此将左边的设备归类为机构。设计人员可以使用运动模拟来研究其运动。

图15：左边的摆动杆可进行移动，而不会发生变形，因而属于机构。右边的摆动杆在进行任何移动时都会使弹簧变形，这表示它属于结构

       添加弹簧会更改设备的性质，这是因为添加弹簧后摆动杆就不能在弹簧不发生变形的情况下进行移动了。摆动杆连续运动的唯一一种可能形式是围绕平衡位置来回摆动。摆动杆运动时会产生弹簧变形，因此右边的设备应归类为结构。FEA可以分析摆动杆振动，并且如有必要，还可以计算弹簧和其他视为弹性实体的零部件的应变和应力（请参阅附录2以了解有关运动模拟和FEA之间差异的更多信息）

       在完成运动模拟研究后，如果设计工程师想对任一机构零部件执行变形和/或应力分析，则需要将所选零部件提供给FEA来进行结构分析。

       运动模拟结果可提供输入数据，包括作用于每个机构连杆的接点反作用力和惯性力，这需要使用FEA进行结构分析。不论接下来是否使用FEA，运动模拟肯定都会计算这些系数。按定义来说，接点反作用力和惯性力保持平衡；在一对平衡力作用下的机构零部件可提交给FEA，而分析程序会将其作为结构进行处理。

     尽管工程师可以手动将数据从运动模拟传输到FEA，但是如果运动模拟软件可以将结果自动导出到FEA，则可确保得到最佳结果。以此方式使用时，运动模拟和FEA可以进行所谓的“耦合的”模拟。这样，就可以自动定义FEA载荷，从而可以避免手动设置中常见的猜测和可能发生的错误。

图16中所示的曲柄机构问题示例演示了耦合模拟。在该示例中，设计工程师要计算连杆中的最大应力。

曲柄行程接点反作用力  活塞销接点反作用力

图16：使用运动模拟可计算连杆两端的反作用力。也可计算作用于连杆的惯性力

    将运动模拟与FEA结合使用的步骤为：

1.      在为进行研究而选择的运动范围内，使用运动模拟计算作用于所有零部件的位移、速度、加速度、接点反作用力和惯性力。在这一步中，所有机构连接装置都被视为刚性实体。图16中的曲线图显示了曲柄完整转动一周的过程中连杆上的接点反作用力。

2.      找出与连杆接点上最高反作用力载荷相对应的机构位置。分析人员最常观察的是最高反作用力，因为施加最大载荷的情况下进行的分析将显示连杆所承受的最大应力。但是，如有必要，可以选择任意多个位置（见图17）进行分析。

图17：可以根据任意多个曲柄轴机构位置来确定作用于连杆的力（两端的反作用力和惯性力）

3.      将这些反作用力载荷以及惯性载荷从CAD装配体传输到连杆CAD零件模型。

4.      作用于从装配体分离开来的连杆上的载荷包括接点反作用力和惯性力，如图18所示。根据d’Alambert原理，这些载荷是相互平衡的，这样就可以将连杆视为处于静态载荷下的结构。

图18：根据d’Alambert原理，接点反作用力和惯性力是相互平衡的

5.      受到平衡静态载荷的连杆会被指派弹性材料属性并提交到FEA以进行结构静态分析。FEA将执行结构分析以计算变形、应变和应力（图19）。

图19：连杆被作为结构提交给FEA，以计算应力

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（连载未完）

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