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solidworks 机械系统仿真报告


机械系统仿真
SIMULATIONS OF MECHANINICAL SYSTEM

目录

一·----------------------------机械系统仿真课程设计任务书 机械系统仿真课程设计任务书 平面四 二·------------------------------平面四杆机构的运动学仿真 平面 ---------

-----------------曲柄滑块机构运动与动力学仿真 曲柄滑块机构运动与动力学仿真 三· 曲柄滑块 --------------------------配气凸轮机构运动与动力学仿真 配气凸轮机构运 四· 配气凸轮机构运动与动力学仿真 五·---------------------------------------------总结 总结

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机械系统仿真课程设计任务书
学院名称: 学生姓名: 专 学 业: 号: 年 级:

指导教师:

1 设计题目 2 主要内容

典型机械机构仿真分析

图 1 平面四杆机构

图 2 曲柄滑块机构

图 3 配气凸轮机构

3 具体要求
(1) 完成上述机构的运动仿真(运动参数:Angular Velocity = deg/s) ;

(2) 仿真结果包括:运动轨迹、速度、加速度、运动副反力及驱动力矩等;

4 完成后应上交的材料
课程设计分析报告 1 份,字数不少于 8000 字。 要求: (1)报告包括封面、中文摘要、目录、分析报告正文、参考文献等; (2)报告正文包括:机械系统仿真的目的意义,仿真分析内容(应有必要的文字和插图) ,课程设计总 结与体会。

5 推荐参考资料
[1] 张晋西. Solidworks 及 COSMOSMotion 机械系统仿真.北京:清华大学出版社,2007 指导教师 系 主 任 签名日期 审核日期 2011 2011 年 年 12 月 12 月 7 日 7 日

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前言:由于上机时间有限,而且有些图不方便截取,因此用网上查找图片(装配零件不同) 前言:由于上机时间有限,而且有些图不方便截取,因此用网上查找图片(装配零件不同) 代替,仅表示操作过程,另有不同的地方会具体说明。 代替,仅表示操作过程,另有不同的地方会具体说明。 数据: 数据:运动参数 Angular Velocity =
389 deg/s, 第三个零件配气凸轮机构取 15290deg/s) (第三个零件配气凸轮机构取 , ( )

平面四杆机构的运动学仿 杆机构的运动学仿真 二、平面四杆机构的运动学仿真

一、具体要求
对平面四杆杆机构进行运动学仿真,绘制曲柄,连杆,摇杆质心位置处的运动轨迹、速度和加速度,绘制主运动副处的驱 动力/力矩。

软件操作步骤 二、Solidworks2006SP0 软件操作步骤
1、从程序或者桌面学习软件文件夹中启动 Solidworks2006SP0 软件。 2、在 Solidworks 软件中打开平面四杆机构的装配模型。操作步骤如图 2.1、2.2 所示。

图 2.1 打开文件
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图 2.2 平面四杆机构的装配模型

3、单击图 2.2 中管理器的

按钮,管理器发生变化如图 2.3 所示。

图 2.3 Motion 管理器 4、选中管理器中的“Motion Model”,右击鼠标弹出菜单如图 2.4。

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图 2.4 5、选中弹出菜单中的“Intellimotion Builder”,弹出 Intellimotion Builder 对话框如图 2.5 所示。对话框首先显示 Units 页,供 用户设置力(换成常用单位牛顿)和时间单位(秒)。单击“Next”继续,出现图 2.6,供用户设置重力方向。

图 2.5 6、定义可动的和固定的零件

图 2.6

单击“Next”继续,出现图 2.7 所示的对话框,在该对话框中供用户设置可动的和固定的零件。

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图 2.7 定义机构的可动的和固定的零件具体操作如下: 1) 若要设置固定的零件 (机架) “Ground Parts” 则用鼠标选中图 2.7 右边框中的 , “机架-1” 并按住鼠标左键拖动鼠标到 “Ground Parts”处释放,如图 2.8 所示。(上机都是英文,因此 part-1,part-5 为固定零件) 2) 若定义机构的可动的零件“Moving Parts”,则先按住“Ctrl”键并用鼠标选中所有可动的零件:“摇杆-1”、“曲柄-1”、 “连杆-1”(part-2,part-3,part-4),然后按住鼠标左键拖动鼠标到“Moving Parts ”处释放。也可以按照第(1)步中的操作 一个一个地定义可动的零件。 按照上述两个操作即可定义完成机构的可动的和固定的零件,此时图形显示区所显示的机构变成如图 2.10 所示的情形。图 中用相应的图表显示了机构构件连接的运动副形式和构件的重心位置,这样机构定义已全部完成。

图 2.8
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图 2.9

图 2.10 7、运动副定义和属性设置 单击图 2.9 中的“Next”继续,出现图 2.11。

图 2.11
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在图 2.11 所示界面上可对机构的运动副进行一些设置和定义。如果展开连接,你的浏览器应如图 2.12 所示。这些是从 SolidWorks 中映射的约束,我们不必添加任何约束。因此使用“Intellimotion Builder”可不对机构的运动副作定义,由系 统自动完成。

图 2.12 8、机构的运动定义 单击“Next”两次,进入 Motion 属性页如图 2.13 所示。选中图 2.13 框中显示的机构主运动副“Revolute”,如果展开它 会看见它是连接“机架-1(part-1)” 和“曲柄-1(part-2)”的运动副。此时需要用户在右边选项中进行设置。 1) 在“Motion On”处选择“Rotate Z”,因为平面四杆机构绕其 Z 轴旋转。 2) 在“Motion Type”处选择“Velocity”,此时属性页变化成如图 2.14 所示。 3) 在图 2.14 中的“Function”处设置“Constant”。 4) 在图 2.14 中的“Angular Velocity”处设置“389 度”,即机构的指定角速度约束为 389 deg/sec 。 完成上述设置后,单击“Next”进入仿真属性页如图 2.15 所示。

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图 2.13

图 2.14
9、机构运动仿真 在图 2.15 所示的“Simulation”属性页,设置一些仿真参数如持续时间、帧数等等。并在对话框窗口中按压仿真按钮“Simulation”。然后观察图形显 示窗口的情况。

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图 2.15 10、其他 仿真结束后,图 2.15 中的“Next”激活。单击“Next”可进入图 2.16 所示的动画属性页。一般不需要改变。 单击图 2.16 中“Next”可进入干涉检查属性页,在“Interferences” 属性页可检查机构是否发生干涉,并在图形窗口显示。 若再单击“Next”则可进入 VRML 属性页,在“VRML”属性页可创建虚拟显示图形。 11、仿真后处理 仿真完成后,需要采集仿真结果,如机构各构件的位移、速度和加速度以及机构各运动副反力/力矩和机构的驱动力/力矩 等。如果需要绘制“连杆-1(part-1)”的运动参数,可在图形窗口的“Motion”管理器选中“连杆-1(part-1)”后单击鼠标右键,

弹出如图 2.17 所示的菜单。 图 2.16

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图 2.17 (1) 选择弹出菜单中的“Plot”,则弹出供用户选择绘制的参数如图 2.17。

软件的大体操作步骤, 需要改变或者添加的, 以上为 Solidworks2006SP0 软件的大体操作步骤, 需要改变或者添加的, 会在以下两个零件 进行说明。 进行说明。
选择“CMPosition”绘制“part-1 曲柄”质心处“X、Y、Z”三个方向的位移如图 2.18 所示。 选择“CMVelocity”则可绘制“part-1”质心处“X、Y、Z”三个方向的速度如图 2.19 所示。 选择“CMAcceleration”则可绘制“part-1”质心处“X、Y、Z”三个方向的加速度如图 2.20 所示。

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曲柄质心处 , , 图 2.18 part-1 曲柄质心处 X,Y,Z 方向的位移

图 2.19 part-1 曲柄质心处 X,Y,Z 方向的速度

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part图 2.20 曲柄 part-1 质心处 X、Y 方向的加速度
(2)同理选择弹出菜单中的 part-2 的“Plot”,则可以绘制出 part-2 连杆的质心处 X.Y.Z 方向的位移,速度,加速度。

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图 2.21 连杆 patt-2 质心处 X、Y 方向的位移 、

图 2.22 连杆 patt-2 质心处 X,Y,Z 方向的 , , 方向的速度

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, , 图 2.23 连杆 patt-2 质心处 X,Y,Z 方向的加速度 .23
3) 同理选择弹出菜单中的 part-3 的“Plot”,则可以绘制出 part-3 摇杆的质心处 X.Y.Z 方向的位移,速度,加速度。图如下所 示:

part-3 摇杆的质心处 X.Y.Z 方向的位移

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part-3 摇杆的质心处 X.Y.Z 方向的速度 方向的速度

part-3 摇杆的质心处 X.Y.Z 方向的加速度 方向的加速度
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在“Motion”管理器中选中“Revolute”,选择弹出菜单中的“Plot”,则弹出供用户选择绘制的参数,此处可绘制机构的主运 动副的驱动力/力矩。如下图:

平面四杆机构的驱动力矩 reaction force

曲柄滑块机构运动与动力学仿真 三 曲柄滑块机构运动与动力学仿真

软件操作步骤如平面四杆机构,选择零件 arm-1,crank-1,link-2 为代表零件,仿真结束后,利用“plot”来绘制这三个零件 的位移,速度,加速度图。图如下
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曲柄滑块 arm-1 质心处 X,Y,Z 方向的位移

曲柄滑块 arm-1 质心处 X,Y,Z 方向的速度 方向的速度
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方向的加速度 曲柄滑块 arm-1 质心处 X,Y,Z 方向的加速度

曲柄滑块 crank-1 质心处 X,Y,Z 方向的位移 方向的位移
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方向的速度 曲柄滑块 crank-1 质心处 X,Y,Z 方向的速度

曲柄滑块 crank-1 质心处 X,Y,Z 方向的加速度 方向的加速度
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方向的位移 曲柄滑块 link-2 质心处 X,Y,Z 方向的位移

曲柄滑块 link-2 质心处 X,Y,Z 方向的速度 方向的速度
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方向的加速度 曲柄滑块 link-2 质心处 X,Y,Z 方向的加速度

曲柄滑块 Reaction force 图
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配气凸轮机构运动与动力学仿真 四,配气凸轮机构运动与动力学仿真

操作步骤如以上两个零件,但需要在 rocker-1 和 valve-1 交点处,以及 camshaft-1 和 rocker-1 处设置两个曲线碰 撞两个运动仿真设置。以及添加弹簧(spring). 首先,右键 Constraints,选择 Add Curve/Curve Contact,将弹出对话框设置成如下形式: :

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添加弹簧,右键 Spring ,选择添加,之后选择 3D 模型上起始点,之后单击 Apply 应用. 由于如果运动参数和上两个零件设置相同,那么,配气凸轮将只运行一个很小的距离,不方便截取图片,因此 将运动参数设置成 15290,这样凸轮可以运动将近两圈,方便截图。 选择 valve-1,rocker-1,camcraft-1 为代表零件,可得以下截图:

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配气凸轮 valve-1 零件质心处 X,Y ,Z 方向的位移

配气凸轮 valve-1 零件质心处 X,Y ,Z 方向的速度 方向的速度

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方向的加速度 配气凸轮 valve-1 零件质心处 X,Y ,Z 方向的加速度

配气凸轮 rocker-1 零件质心处 X,Y ,Z 方向的位移 方向的位移

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方向的速度 配气凸轮 rocker-1 零件质心处 X,Y ,Z 方向的速度

配气凸轮 rocker-1 零件质心处 X,Y ,Z 方向的加速度 方向的加速度

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方向的位移 配气凸轮 camshaft-1 零件质心处 X,Y ,Z 方向的位移

配气凸轮 camshaft-1 零件质心处 X,Y ,Z 方向的速度 方向的速度

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方向的加速度 配气凸轮 camshaft-1 零件质心处 X,Y ,Z 方向的加速度

配气凸轮的 Reaction force 图



总结

通过长达一个星期的仿真实习,让我对系统仿真的基本原理有了一定的认识;系统仿真就 是建立系统的模型并在模型上进行试验。试验的方法可以分为两大类,一种是直接在真实系统 上进行,另一种是先构造模型,通过对模型试验来代替或部分代替对真实系统的试验;模型分 为物理模型和数学模型,无力模型与系统之间具有相似的物理属性,它常常是一种专用仿真器, 其中静态的物理模型最常见的是比例模型。 对于我们这次上机所使用的 SolidWorks 虚拟原型机仿真工具。COSMOSMotion 是用于 SolidWorks 的 最 流 行 的 虚 拟 原 型 机 仿 真 工 具 , 可 以 确 保 设 计 在 实 现 前 可 以 正 确 工 作 。 COSMOSMotion 使我们可以调整马达、驱动器的尺寸,确定能量消耗情况,设计联动布局,模 拟凸轮运动,了解齿轮传动,调整弹簧/减震器的尺寸,确定接触零件的动作方式等。该软件可
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以大幅降低物理原型机仿真成本,缩短开发时间。COSMOSMotion 可将物理运动与 Solidworks 中的装配体信息相结合,例如:创建各种复合运动副,课代表铰链,螺纹副,球面副,圆柱副, 平面副和万向节副等各种条件;在设计驱动器时使用纯正向力来控制加速度和速度以及表现正 向/反向作用力和力矩。而 COSMOSMotion 软件的强大之处更体现在它可以再同一个图表中绘 制多个 XY 坐标图,可以显示运动副位置处位移,速度,加速度以及力矢量,可以在模拟过程 中显示实体上任意一点的轨迹并在 Solidworks 零件上直接生成参考曲线。在以上三个零件中我 已经介绍到简单的应用,由此可以看出来此软件的可操作性以及简单简便的操作方法。 在平面四杆机构和曲柄滑块机构的操作过程中,主要是进行简单的零件分析,哪些是固定 零件,哪些是运动零件,以及各种运动副的存在,这些简单的运动副可以由系统进行智能分析, 而我们只需要在仿真运动后进行验证就可以了;对于第三个配气凸轮结构,稍微麻烦些,需要 我们自己添加两个曲线碰撞点,在选择碰撞点的时候,避免选择错误,可以先将相碰的两个零 件周边曲线都选上,之后系统会自动选取正确的两个,而对于弹簧的添加,则需要放大模型, 找到正确的起始点,配置好长度以及弹性,这样才不会影响零件的正常运动,从而生成正确的 运动曲线。由所截 XY 曲线图可知,当零件在 XY 平面运动时,Z 图为一条直线或不存在,同 理,当零件在 YZ 平面运动时,X 图为一条直线或不存在,依次类推。 对于日益趋向计算机模拟的时代,掌握好机械仿真的技术,可以方便我们设计制造,不仅 可以大幅缩短设计时间同时也减少了成本的消耗。

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