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本科毕业论文（设计） 论文题目： 健身划船器的运动仿真 学生姓名： 所在院系： 机电学院 所学专业： 机械设计制造及其自动化 导师姓名： 完成时间： 摘 要 划船器是 增加和改善背阔肌及肩胛肌的肌肉体积和肌肉轮廓，提高人体全身运动的协调性，改善髋关节的灵活性和韧带的柔韧性的健身器材 。 本文在研究分析 划船器 的组成及其零件间相互关系的基础上，利 用 件对健身器材健骑机进行实体建模和运动仿真，从而为 划船器 的优化设计打下基础，使 划船器 真正起到其应有的锻炼作用。 关键词 ：划船器 ， ， 建模 is of of of on of on on , 目 录 1 绪论 . 1 身器材的研究现状 . 1 身器材的分类与功能 . 1 身器材的发展与品牌 . 2 题研究背景和意义 . 2 前研究中存在的问题 . 3 题研究结果 . 4 2 的功能介绍 . 5 言 . 5 的三维模型创建功能 . 5 的三维模型创建功能 . 5 建模的一般过程 . 6 用族表实现零件系列化设计 . 6 的特点及产品外观造型设计 . 7 3 划船器 模和分析 . 9 船器的组成 . 9 型零件建模 . 13 件装配 . 18 4 结论 . 19 致 谢 . 19 参考文献 . 19 1 1 绪论 身器材的研究现状 身器材的分类与功能 健身器材按其应用来说，有以下几种分类： ： 功能型健身器。适宜中老年使用，以健身长寿为目的身体健壮的，可选用跑步机和健身车及 飞标等；身体欠佳的，可选用各种按摩器，目前市场上有一种神效摇摆健身机就特别适合这类人使用。 健美型健身器。适合女子使用，如三四磅重的小哑铃 、 收腹器 、 健身转盘 、体操垫等小型用品，还有一些舒筋活血的小型磁疗机和按摩器等都可以起到健身减肥的效果。 休闲型健身器。上班族比较容易疲劳，可通过健身来醒脑提神，可选用登高器 、 健身车 、 划船器等。 成长型健身器。青少年的健身减肥更强调全面性 、 科学性，各种仰卧撑架 、拉力器 、 哑铃 、 握力器等都适合青少年使用。 综合型健身器。家中备有一台多功能综合型健身器，集跑步 、 划船 、 骑车 、登山为 一体，男女老少皆宜。 健身器材又常以训练功能多少来分为单功能和综合型多功能两大类 。 单功能器械，常见的有划船器、健美车、健步机、跑步机、美腰机等。它们的主要功能是： 划船器： 主要用来增强手臂力量及动作协调 。 健美车： 锻炼时 ，象骑自行车一样，主要用来增强腿部力量，增强心血管功能。 健步车 ：主要用以锻炼腿、腰、腹部肌肉及心肺功能。 跑步机：主要用以锻炼腿、臀、腰、腹部肌肉及心肺功能。 美腰机 ：可对腰部、背部作放松按摩。 综合型多功能器：一般都包括扩胸器、引体向上、仰卧推举、仰卧起坐等器械的功能。扩胸器、引体向上 、仰卧推举，主要是用来锻炼上肢力量及胸大肌力量；仰卧起坐，主要用来锻炼腰肌群，减少腰腹部多余脂肪。 我国健身器材行业尽管内外销市场趋旺 ，但在国际市场缺乏知名品牌却是一个不得不面对的事实。目前，我国出口的健身器材产品基本上是以“委托加工”和“贴牌生产”的方式进入国际市场，产品附加值较低。同时，与国际先进水平 2 相比，我国不少生产企业还处在仿制生产阶段，产品研发和技术创新能力不足，从而导致的健身器材起不到较好的锻炼作用 ，白白浪费资源。因此我们要不断创新，不断优化产品，使得健身器材起到其真正的作用。 身 器材的发展与品牌 健身器材工业起源于 20 世纪 70 年代初的美国及加拿大，所以美国及加拿大的健身设备厂是历史最悠久的厂商，他们经历了健身器材工业的低谷与高峰，经历了健身器材的诞生与发展过程，所以说美国及加拿大的健身器材是技术最优秀的最专业的产品，经过 30 年的工业创新，使得美国及加拿大的产品成为全球健身器材产品的全球领跑者 。 包括有氧的 力量设备 以上品牌开始 ， 美洲大地开始了健身器材工业化 。 人们意识到了健身器材工业是一个朝阳产业 ， 而且越来越为广大使用者接受 。 之后美国出现了众多厂商众多品牌的工业化生产 ， 包括目前 “ ” 等等品牌， 而且每个厂家都看到了这一市场的巨大 ， 同样 70 年代中叶在英国 意大利有一批生产商开始效仿美国及加拿大的产品 ， 于是在欧洲便诞生了第一批健身器材生产商3B， 开始了欧洲健身器材品牌的发展。 接下去在 70 年代末 80 年代初的台湾 后为中国产） , 开始进入市场，其中的许多厂商因为为美国及英国厂商进行合作生产配件，随后发展为自创品牌或贴牌生产（使用美，英产品商标，在台湾进行生产），之后日本的 型过于粗糙，而在全球范围销售不成功成为一个反面教材 ， 但 90 年代中叶的韩国发挥了电子行业上的优势 ，开始电跑生产“ ”等都产生于那时。而在电跑制造上，我国直到 90 年代末才出现了国内的万年青， 英派斯， 汇祥， 乔山等品牌，这是中国健身器材工业的真正开始。 题研究背景和意义 中国自从 80 年代开始，确立改革开放的路线，由于庞大内需市场（近 14亿人口）与相对廉价的人工、土地、厂房等有利因素的吸引，使得先进国家纷纷将各种成熟产品，转移至中国生产。而在中国成为“世界工厂”的初期，虽然许多世界五百强的企业均已在中国设厂制造产品，可是不容 讳言，这些企业并未将 3 所谓的“核心技术”引进中国。充其量，只是将中国视为一个“组装工厂”，将半成品自国外进口，在中国组装完成后，再行销售。其主要目的，是要占有庞大的中国国内市场，以寻求企业的最大利益为宗旨，而非以建立中国自主的工业生产技术为目标。 在我国，虽然很久以前就提出“甩图板”的口号，但至今计算机虚拟设计技术在国内的普及程度仍然很低，发达国家机械企业 术的普及率接近100 ，而我国还不到 30 。目前国内用于机械 微机台数超过 50 万台，企业中还有相当一部分在图板上进行手工绘图设计；用微机开展 作的企业中，绝大多数使用的是初级平台的国内外软件，实用性不高。因此，国内 相对于硬件投资、人力投入来讲无疑是一个巨大的浪费。根据世界经济黄皮书的统计数字， 我国机械工业主导产品达到 90 年代国际水平的仅占 30 ；我国制造业的新产品贡献率仅为国内生产总值的 11 （ 2002 年），而美国在 1995 年就已达到 52 ；美国、西欧各国及日本机械工业企业的专业化水平为 75 95 ，而中国仅为 15 30 。因此从技术层面上来讲，加速推进虚拟设计技术将是解决制造业持续发展的一个关键。 前研究中存在的问题 多体系统是对实际工程研究对象的高度概括，如航天飞机、车辆、机器人以及各种机械设备等， 都属于多体系统的研究范畴。柔性多体系统结构动力多体系统结构动力学特性。并且， 传统结构动力学大都研究的是单一柔体的振动理论， 即使是由多个杆件铰接而成的桁架结构， 其建模方法也只是描述外力作用下， 系统的振动特性， 无法表述振动是如何将速度、加速度以及力 内力和外力通过各种铰链进行传递的。如果将多体系统各种组成铰链拆开后建立动力学模型， 其计算量为 为多体系统中连接体的数量，这样就使柔性多体系统研究 无法深入。因此， 研究多体系统结构动力学建模方法是必要的。近年来，柔性多体系统动力学研究有了长足的进展， 而在多体系统结构动力学研究中，有关的科学文献， 技术资料却较为鲜见。绝大多数是关于多自由度系统振动分析、局部模态分析方法的研究。多自由度系统振动分析是建立在 矢量力学和分析力学基础之上的， 和 用广义速率代替广义坐标作为独立 量来描述树形柔性多系统的运动， 直接利 理建立伪坐标形式的 动力 方程。在此方程组中含有多个 乘子， 以 足系统的约束条件和方程求解条件。为了研究更复杂的多体系统结构动力学问题，许多学者提出了多体系统离散化方法， 即用变形场的理论描述多体链上每一个柔性体的变形状态。离散化方法主要有两方面的研究 : 1 单一 4 柔性体的有限元分析方法 ;2 模态分析方法。早在 20 世纪 60 年代， 就 9 在模态选择方面进行了深入的研究， 以提高柔性体模态的收敛性。在模态分析的同时， 12、 和等人对有限元在多 系统结构动力学中的运用作了深入广泛的研究，提出了具体的形函数选择方法。这些方法分别从不同方面提高了柔性多体系统结构动力学的建模精度和计算效率。但是， 由于这些研究只是针对某个具体柔性体进行的研究和建模， 不能描述柔性多体系统内在的结构动力学特性， 只能在一定程度上提高计算效率和计算关于多自由度系统振动分析、局部模态分析方法精度，很难在计算效率和计算精度上突破 ， 仅仅靠提高计算机的计算量运算速率， 也无法从根本上解决计算效率问题。 20 世纪 90 年代， 美国 科学家 发了柔性多体系统动力学算子代数 ， A 算子代数建立在 动力学基础上，采用 推算法分别对柔性多体系统速度、加速度、广义力以及广义质量进行递推运算。避免了速度、加速度、广义力等物理量的交叉运算， 将运算量由原来的 降低到 。更重要的是，沿多体链的递推过程， 完整地描述了动力学特性是如何通过铰链传递的， 并形成柔性多体系统的外在表现。本文把该算子代数引入多体系统结构动力学研究，并把它同有限元分析和模态分析法结合起来，为 从整体上建立新的多体系统结构动力学分析模型和解 决结构动力学 分析中计算效率问题提供有效途径。 题研究结果 以上的材料都是我精心挑选的 。在挑选材料的过程中，我才深刻体会到有一句话是那么的贴切。一直在你身边的东西，你并不一定了解它。在选材过程中，我了解到了许多我经常看见的健身器材和我没有见过的，由于篇幅有限，我并没有全部列出，敬请见谅。 国家科学技术部在“十五”期间将“ 用工程技术开发和应用示范”作为重中之重项目， 在全国范围内推广普及应用 术，取得了丰硕成果。三维 模技术取得一定成绩 ，三维造型设计已有少量应用。 快速成型技术（ 近几年来发展的新的先进制造技术，我国对分层实体制造 立体印刷 择性激光烧结 化沉积制造 工艺方法开展了研究， 并开发出相应的装备及配套元器件 、软件、造型材料等。对上游技术，反求工程、新产品造型设计和 术及三维图形信息处理技术和 下游技术，快速制模工具及产品制造技术均进行了研究，并有一定的应用，目前在国家科技部的组织下，已成立了 5 个 术服务中心。 5 本论文基于我国国情 ，在简单的反求工程基础上进行产品的三维 虚拟设计、加工过程仿真和产品装配仿真，在产品设计阶段能够以较高的置信度预测所设计产品的最终性能和可制造性，在对产品性能要求较高的行业中，如航空航天、军事、精密机床、微电子等领域，虚拟制造与快速成形技术必将得到日益广泛的应用。 2 的功能介绍 言 是全方位的 3D 产品开发软件包，和相关软件 型设计）， 能仿真），集合了零件设计、产品装配、模具开发、加工制造、钣金件设计、铸造件设计、工业设计、逆向工程、自动测量、机构分析、有限元分析 、产品数据库管理等功能，从而使用户缩短了产品开发的时间并简化了开发的流程；国际上有 27000 多企业采用了 件系统，作为企业的标准软件进行产品设计。 的三维模型创建功能 的三维模型创建功能 特征造型是几何造型技术的发展 ，它对诸如零件形状、尺寸、工艺、功能等相关信息的综合描述更直观和更具工程含义。基于特征的造型系统一般先将大量的标准特征或用户自定义特征存入数据库，在设计阶段调用特征库中的特征作为基本造型单元进行建模，再逐步输入几何信息、工艺信息， 建立零件的特征数据模型，并将其存入数据库。基于特征的造型方法大大地提高了设计效率和质量，同时在设计过程中设计人员可方便地进行特征的合法性、相关性检查，便于组织复杂的特征。特征建模过程实际上是一系列特征的累加过程。 在三维建模中主要有以下 3 种特征： (1)实体特征 它是构建三维模型的基本单元和主要设计对象。实体特征可以是正空间特征 (如实体的突出部分 )，也可以是负空间特征 (如实体上的孔、槽等 )。在 中，根据建模方式和原理的差异，把实体特征进一步分为基础特征和工程特征基础特征是三维模型设计的起点，包括拉伸 特征、旋转特征、扫描特征和混合特征等。工程特征是在基础特征上的附加特征，它的创建依赖于已存在的基础特征，是有一定工程应用价值的特征，包括孔特征、肋特征、倒角特征和拔模特征等。 6 (2)曲面特征 它是一种没有质量和体积的几何特征，对曲面的精确描 述比较复杂，在目前三维造型中通常采用“ B 样条曲线”为基础，通过曲率分布图对曲线进行编辑，进而得到高质量的曲面造型曲面特征主要用于产品的概念设计、外形设计和逆向工程等设计领域。 (3)基准特征 指参数化设计的基准点、基准轴、基准曲线、基准平面和坐标系等。一般来说，基准特征主 要用于辅助三维模型的创建。 建模的一般过程 E 是美国 公司推出的 体化软件，该软件集机械设计、模具设计、加工制造、钣金设计、机构分析、有限元分析和关系数据库管理等功能于一体，是目前国际上专业设计人员使用最为广泛、功能强大的新一代产品造型和动态仿真软件。利用 建模首先从整体研究将要建模的零件，分析其特征组成，明确不同特征之间的关系和内在联系，确定零件特征的创建顺序，在此 基础上进行建模、添加工程特征等设计。通过二维平面草绘图的旋转、拉伸、扫描和混合等工具来实现三维实体模型的构建。 三维模型将线框、曲面和实体三者有机地结合起来，形成一个整体，整个建模过程是基于特征为基本单位的参数化设计过程。其中参数包括几何参数和尺寸参数。几何参数确定了实体特征基本位置的固定关系，尺寸参数决定了产品外观尺寸和相对距离。利用参数可以准确控制和修改所建立的三维模型。 建模的一般过程如下 : (1)建立或选取基准特征作为模型空间定位的基准：如基准面、基准轴和基准坐标系等。建立每个实体 特征时，都要利用基准特征作为参照； (2)建立基础实体特征：拉伸、旋转、扫描、混合等； (3)建立工程特征：孔、倒角、肋、拔模等； (4)特征的修改：特征阵列、特征复制等编辑操作； (5)添加材质和渲染处理。 用族表实现零件系列化设计 系列化设计是指对于某些基本形状相似的零件，通过修改参数即可自动生成新的系列化零件的设计方法，系列化设计可大大节省设计时间，提高设计效率。 E 提供的族表实质上是一电子表格，该表格由行和列组成。族表中由用户建立的零件为基础零件 (父零件 )，以基础零件为 基础，通过控制参数驱动生成 7 的零件为族成员 (子零件 )，所有基础零件和族成员的集合即为族表。 的特点及产品外观造型设计 独树一帜的软件功能直接影响了我们工作中的设计、制造方法。与其他同类三维软件（ ）相比， 不同之处在于以下几点： （ 1）基于特征的（ 一个基于特征的（ 体模型建模工具，利用每次个别建构区块的方式构建模型。设计者根据每个加工过程，在模型上构 建一个单独特征。特征是最小的建构区块，若以简单的特征建构模型，在修改模型时，更有弹性。 （ 2）关联的（ 通过创建零件、装配、绘图等方式，可利用 证模型。由于各功能模块之间是相互关联的，如果改变装配中的某一零件，系统将会自动地在该装配中的其他零件与绘图上反映该变化。 （ 3）参数化（ 一参数化系统，即特征之间存在相互关系，使得某一特征的修改会同时牵动其他特征的变更，以满足设计者的要求。如果 某一特征参考到其他特征时 ，特征之间即产生父 /子（ 系。 （ 4）构造曲面（ 复杂曲面的生成主要有三种方法： 1）由外部的点集，生成三维曲线，再利用 下 功能生成曲面。 2）直接输入由 型设计）产生的曲面。 3）利用 入）功能，以 格式，输入由其他软件或三维测量仪产生的曲面。 （ 5）在装配图中构建实体 根据已建好的实体模型，在装配（ ，利用其特征（平面，曲面或轴线）为基准，直接 构建（ 的实体模型。这样建立的模型便于装配，在系统默认（ 态下，完成装配。二、软件在产品开发过程中的应用 在产品进行设计之前，首先要搞清楚利用软件进行设计的步骤或流程。使用 一般要遵循一定的流程。 （ 1）确定产品的基本结构 分析产品的基本结构，确定将产品分为几部分，根据产品的特征，建立特征曲线；使用 可接受的造型方法，构建产品的主体轮廓。如图 2 所示，可将 8 电饭煲分为三部分：锅盖总成、按键总成、锅体总成构成。在设计时，可先将锅盖、锅体、按键作为一体来考虑，设计完成后 ，用分模的方法分为三部分，按键的形状及装配位置要同锅体的曲面配合；因此，该产品应按照锅盖部分、锅体部分、按键部分的顺序进行设计。 （ 2）建模 按照 建模的规则，使用各种适当的建模方法，建立主体模型。其设计思路是由简到繁，由基本到复杂。复杂的几何体都是由一个简单的几何特征组合构成的。 （ 3）修剪曲面 使用 单下的各种选项，如 合曲面，包括： 接）、交）、 剪曲面）、 伸曲面）等，对曲面进行修剪、编辑，完成模型的初步设计。 （ 4）曲面检测 检查曲面光滑度、曲率变化的连续性等项目，来确认曲面是否符合设计要求。一般情况下，对曲面进行渲染 理，通过 见度）、明度）、 光设置）等手段，产生高清晰度的曲面，判断曲面的光滑性。此外，还可以用 具，对曲面的最小曲率半径、最大曲率半径、高斯曲率（ 项目进行检测，从曲率图表、彩色图象的颜色变化，可以直观地了解曲面的光滑性。如 果曲面的外观质量不符和设计要求，可以修改曲面的参数，以得到效果符合要求的曲面。由于 软件的基本特征之一就是参数化，通过改变参数实现曲面的变化是很容易的。 （ 5）圆顺边角 在建立 型时，特征与特征之间存在父 /子关系，如果增加特征或修改特征，则会引起边、面的改变，从而导致圆角特征失败。因此，边、面的圆角或光滑过度一般在模型设计的后期进行。 提供强大的圆角功能，可以完成单一边界、多边界，单一半径、变半径的圆角。此外利用软件提供的 级圆角功能），通过指定圆角的形 式、圆角相交时截面的形状，可达到圆顺部分不同的外观效果，是区别于其他三维软件的特色之一。在实际使用过程中，笔者发现倒圆角有一定的先后顺序，遵循由大到小、先凹后凸的原则，一般可获得成功。如果产生失败，采用改变圆角顺序、 界曲面）和特征结合使用的方法，往往能得到满意的效果。 最后， 本更加完善了软件的用户界面和功能，其中包含了目前国际上先进的工程设计理念和设计思想，如 计、并行设计、 9 柔性设计，系统灵敏度设计技术，在进一步推广和使用 软件的同时，这些先进的设计技术也将引入到工业产品造型设计中，与其他三维造型设计软件相比， 在结构设计上具有特殊的优势，将 运用到产品造型设计和结构设计的各个环节必将全面推动产品设计的发展和进步，与世界先进计算机辅助设计技术接轨。 3 划船器 模和分析 船器的组成 划船器共由 6 个零件组成，分别是底座、 3 个连接杆、座架、摇臂架，其整体图和零件图如下所示： 图 1 划船器实体图 10 图 2 划船器 连接杆 图 3 划船器 底座 11 图 4 划船器座架 图 5 划船器 摇臂架 12 图 6 划船器连接杆 图 7 划船器连接杆 13 型零件建模 下面以底座的建模为例讲解建模过程，底座效果图如下图 8 所示。 图 8 划船器底座 建模过程： （ 1） 零件分析。模型包括六个特征：基准面 基准坐标系 拉伸特征。确定特征创建顺序：利用拉伸工具创建主体（基本特征） 利用拉伸工具剪切多余材料。 （ 2） 进入零件设计模式，将文件命名为 003。 具体过程：启动软件点击菜单上 文件）（ F） 新建文件（ N） 文件类型设定为“零件” 子类型设定为“实体” 输入文件名 点击“使用缺省模板” 选取 单击“确定” 进入零件设计界面，如图 3 （ 3） 创建与修改零件特征 a 点击界面上部命令菜单插入，选择扫描中的伸出项，在轨迹菜单总选择草绘轨迹，后选择 面进行草绘，选择矩形指令 ， 画一个长 7、宽 4 的矩形， 点击 ，再用拉伸工具对矩形草绘进行 53 的拉伸完成长方体的制作，通过径向指令，在对称位置做出一个相 同的长方体。如下图 9、 10 所示： 14 图 9 草绘 图 10 拉伸实体 然后点击草绘工具按钮 ，系统弹出图（ 11） 所示的草绘平面选择对话框，选择 为草绘平面，草绘视图方向为 ，单击“草绘”，进入参照选择对话框，参照为系统默认状态，单击“关闭”，进入草绘模式。 15 图 11 草绘平面选择对话框 图 10 草绘 b 在如图 10 所示的 面草绘矩形，其长 7、宽 4，通过拉伸指令在做出一个长方体。点击 就会生成如图（ 12）所示实体。 图 12 拉 伸实体 16 c 在如图 13 所示位置，草绘一个长 5 的矩形，进行拉伸。拉伸的实体如图 14 所示。 图 13 草绘 图 14 拉伸实体 17 d 在如图 15 所示的另外两条黄线所示位置做和 b 相同的操作，做出的实体如图 16 所示 图 15 草绘 图 16 草绘 在如图 16 所示所示在拉伸一个长 12、宽 4 的矩形，拉伸成实体。 在进行拔 18 模 ，角度为 30，如图 17。最后的实体就是底座的实体图如图 8。 图 17 拉伸实体 件装配 随着计算机三维技术的发展，在机械零件及机械系统设计中，零部件如何装配、加工、各零部件是否发生干涉，可视化设计等方面能否实现，都具有很实际的意义。虚拟装配技术就是在虚拟设计环境下，来完成三维实体模型的最终设计。它是按照一定的约束条件或连接方式，将各零件组织成一个整体并能满足功能的过程。 的装配模式提供了并行的、自下而上的、自上而下的产品开发方法。所谓自下而上的设计模式，即先在零件模块中构造各个零件的三维模型，然后在装配模块中建立零部件之间的连接关系，这种连接关系的建立是通过零部件之间建立约束关系来确定零部件在产品中的位置。在虚拟装配中，零部件的几何体是被装配利用， 而不是复制到装配中。基于 具有单一数据库的特性，不管如何编辑零部件，整个装配依然保持关联性，如果修改整个零部件，则引用它的装配件自动更新，反映零部件的最新变化。 进行零件装配时，最重要的步骤就是对零部件进行适当的约束，在 中建立装配关系是用面和面配合、平面和基准面对齐，坐标系各个轴相互对齐等约束命令将所有的零部件按要求装配在一起。 我们的划船器模型由六个零件装配而成 ， 其中主要用到销钉的连接方式，装配比较简单，在此就不在赘述其装配过程，装配好以后的效果就是如整体图 1 19 所示。 4 结论 本文主要完 成了以下几方面的工作： a 对滑船器的测量收集数据工作 b 零件的建模 c 快速成型机的装配 在完成了所有的零件的建模之后，利用 的装配模块 ，结合对“约束”概念的理解，使用“约束”完成了快速成型机的零件装配。 d 运动仿真和干涉分析 在完成了所有的零件的建模之后，利用 的装配模块 ，结合对“约束”概念的理解，使用“约束”完成了快速成型机的零件装配。 在完成了零件装配之后，利用 的装配模块，通过定义“驱动”，完成了快速成型机的运动仿真，并在