机械系统仿真课程设计-机械系统仿真分析.doc

机 械 系 统 仿 真 课 程 设 计课程设计说明书课 程 名 称: 机械系统仿真课程设计 课 程 代 码: 题 目: 机械系统仿真分析 学 生 姓 名: 学 号: 年级/专业/班: 学院(直属系) : 机械工程自动化学院 指 导 教 师: 摘 要 2引 言 31 机械系统仿真概述 41.1 现代机械系统设计概述41.2 系统仿真概述41.3 机械系统仿真分析软件概述51.4 COSMOSMotion软件概述62 机构仿真 92.1平面四杆机构的仿真分析92.1.1、启动Solidworks2006SP0软件。92.1.2、打开模型92.1.3、机构仿真102.1.4、定义可动的和固定的零件102.1.5、运动副定义和属性设置112.1.6、机构的运动定义122.1.7、机构运动仿真132.1.8、仿真后处理132.2 凸轮机构运动仿真162.2.1、机构定义162.2.2、添加驱动172.2.3、曲线碰撞运动仿真172.2.4、3D碰撞接触状态仿真分析202.3 齿轮机构运动仿真222.3.1、机构定义222.3.2、三维碰撞接触状态模拟242.3.3、耦合运动模拟253 总结 26摘 要本课程设计是机械仿真课程设计，所采用的软件技术是SolidWorks下的cosmos三维仿真模块。随着时代的进步，社会的发展，机械仿真在工业上的运用越来越广泛，尤其是SolidWorks深受大家的喜爱，所以本次课程设计我要通过对平面四杆机构的仿真、凸轮机构的仿真以及齿轮的仿真来学习机械仿真软件的使用方法和技巧，用所学习到的知识来解释现实中的问题。关键字：机械仿真 SolidWorks 软件使用引 言随着时代的进步，社会的发展，机械仿真分析在工业上的运用越来越广泛。作为机械专业的学生，学习机械仿真技术知识是非常有用的，但我们缺少将实际与理论两者组合在一起使用，形成一个完整的系统的学习。机械仿真时一门恰好把两者结合起来的学科，学习机械仿真有助于我们了解现实中机械的运转情况。而且不需要实际的器件，就可以模拟出真实的运行结果，解决了机械方面实验的一大难题。所以这是一门值得学习的知识。1 机械系统仿真概述1.1 现代机械系统设计概述机械系统设计是对机械系统进行构思、计划并把设想变为现实的技术实践活动，过去的设计多数都采用传统设计方法。首先，绘制工程图纸，经过长时间的方案论证后，制造并试验物理样机，当发现结构和性能缺陷时，就修改设计方案，然后，改进物理样机并再次进行物理样机试验，通常，在试制出合格产品之前，要经过多次反复的过程。 这个过程，既延长了产品的开发周期，又增大了开发成本，且机械系统的结构越复杂，这种情况就越严重。但随着计算机技术的飞速发展，这一情况已得到了很大的改善，计算机技术已被运用到机械系统设计的整个过程中去，出现了许多新的方法和技术，如虚拟设计技术（Virtual Design Technology）、虚拟样机技术（Virtual Prototyping Technology）等。虚拟样机技术又称为机械系统动态仿真技术，是国际上20世纪80年代随着计算机技术的发展而迅速发展起来的一项计算机辅助工程(CAE)技术。借助于这项技术，工程师可以在计算机上建立机械系统的模型，对模型进行各种动态性能分析，然后改进或优化样机设计方案。 虚拟样机技术的其核心是利用计算机辅助分析技术进行机械系统的运动学和动力学分析，以确定系统及其各构件的在任意时刻的位置、速度和加速度，同时通过求解代数方程组来确定引起系统及其各构件运动所需要的作用力和反作用力。虚拟样机技术的研究对象是机械系统，它可以视为多个相互连接、彼此能够相对运动的构件的组合。运用虚拟样机技术，可以大大简化机械产品的设计开发过程，大幅度的缩短产品的开发周期，大量减少产品开发费用和成本，明显提高产品的质量，提高产品的性能，获得最优化和创新的设计产品。虚拟模型技术的应用贯串在整个设计过程当中。它甚至可以用在概念设计和方案论证中，设计师可以把自己的经验与想像结合在计算机里的虚拟模型里，让想像力和创造力充分发挥。1.2 系统仿真概述系统仿真就是建立系统的模型并在模型上进行试验。试验的方法基本上可分为两大类，一种是直接在真实系统上进行，另一种是先构造模型，通过对模型的试验来代替或部分代替对真实系统的试验。传统上大多采用第一种方法，随着科学技术的发展，尽管第一种方法在某些情况下仍然是必不可少的，但第二种方法日益成为人们更为常用的方法，因而建模技术也就随之发展起来。模型可分为两大类，一类是物理模型，另一类是数学模型。物理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。静态的物理模型最常见的是比例模型，如用于风洞试验中的比例模型及试验水槽中的船体比例模型。动态物理模型如飞行器姿态运动仿真中的三自由度飞行运动仿真器。在物理模型上进行试验称之为物理仿真。数学模型是对研究系统的数学描述。简单的数学模型的研究，可以采用分析的方法。对于复杂的数学模型，则采用仿真的方法进行研究，即在计算机上构成计算机模型(仿真模型)进行试验。计算机为模型的建立和试验提供了巨大的灵活性和方便。它实际上是一个“活的数学模型”。现代仿真技术均是在计算机支持下进行的，因此，数学仿真又称计算机仿真。综上所述可知，“系统、模型、仿真”三者之间有着密切的关系。系统是研究的对象，模型是系统的抽象，仿真是通过对模型的试验以达到研究系统的目的。计算机仿真的三个基本要素是：系统、模型、计算机。联系着它们的有三个基本的活动：模型建立、仿真模型建立、仿真试验(运行)，如图1.1所示。图1.1 计算机仿真三要素1.3 机械系统仿真分析软件概述20世纪50年代以前，还没有专门的仿真语言，仿真者针对系统仿真的要求，用高级语言编制仿真程序。这种仿真程序功能简单，通用性差，使用不方便，且要求仿真者不仅对系统建模有专门知识，同时还要熟识仿真算法和计算机语言。到了60年代，出现了一些直接用于仿真的专用仿真语言，这类仿真语言由高级语言编制，针对仿真的通用性要求，提供了专门的输入、输出、初始化、结果统计等模块，提供了系统模型描述的语言、控制仿真过程的语言等。具有代表性的仿真语言有：CSMP，CSSI，GPSS，SIMSCRIPT等。近二十多年，仿真语言又进一步发展，形成了功能更加强大，使用更加灵活方便的仿真软件系统。这些软件系统不仅包括建模、仿真运行和结果输出，还包括模型分析、系统规划设计和统计分析等功能。用户界面更直观和灵活。系统模型可以用动画显示，以便对系统仿真过程进行实时的跟踪和分析。这些仿真语言不需要仿真者有很多的计算机知识和编程技巧，也不需要了解很多的仿真理论和算法。仿真的主要精力可以放在系统建模和系统分析上。这既有利于提高仿真的效率，又有利于提高仿真的质量。如MatLab，DDM，ROBCAD，ADAMS等均可用于有关的机械系统设计。ADAMS是当前世界上应用最广泛的机械系统仿真(MSS)软件之一，它最初是由美国的Chace编制的。Chace于1977年在密西根大学成立了MDI公司，专门从事计算机辅助工程(CAE)中的机械系统仿真的研究工作，并使ADAMS进一步成为享誉世界的用于进行机械系统仿真软件。ADAMS软件以多刚体动力学理论为基础，采用拉格朗日方法，以系统内每个刚体质心在惯性坐标系中的三个直角坐标和确定刚体方位的三个欧拉角作为广义坐标列写系统的运动微分方程。ADAMS软件的10版本于1977年发布以后，经过近30年的积累和发展，现已正式发布了120版，并且实现了与其他常用的计算机辅助设计(CAD)、有限元分析软件(FEA)和控制系统软件包进行双向数据通信。ADAMS软件在设计的早期阶段利用虚拟样机的优势，从系统水平上真实地预测机械的工作性能，实现系统水平的最优化设计，在地面车辆、航空航天、铁路、造船、通用机械制造业、机械电子工业、人机工程学、运动器械及娱乐设备等领域具有广泛的应用。此外，随着CAD技术的发展，各商品化三维CAD软件已开发出具有机构运动分析的功能模块，如Pro/E的MOTION模块、UG的MOTION模块以及Solidworks的COSMOSMotion插件等等。1.4 COSMOSMotion软件概述COSMOSMotion 是用于 SolidWorks 的最流行的虚拟原型机仿真工具，使您可以确保您的设计在实现前可以正确工作。ADAMS 支持 COSMOSMotion，ADAMS是世界上最广泛使用的机械模拟软件。 COSMOSMotion 完全嵌入在 SolidWorks 中，是标准虚拟原型机仿真程序包，用于对理解其 SolidWorks 模型的性能感兴趣的工程师和设计人员。 COSMOSMotion 使工程师能够调整马达/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。 该软件令客户可以大幅降低物理原型机仿真的成本，缩短产品开发时间。COSMOSMotion 还提供一些定性的好处，例如有能力考虑更多设计、降低风险，以及在设计初期提供重要信息的能力等等。COSMOSMotion可以模拟机动化装配体的机械动作以及它们产生的作用力。通过确定各种相关因素（如能量消耗、运动零件之间的干涉），COSMOSMotion有助于确定设计方案是否会失效、零件将在何时断裂以及它们是否存在安全隐患。COSMOSMotion具有以下功能和优点：（1） SolidWorks的强大功能得到了充分利用作为 SolidWorks Office Premium 的一部分，COSMOSMotion 使用现有的 SolidWorks 装配体信息来构建运动模拟算例。 通过集成到功能强大的基于时间表的 Motion Manager 中，COSMOSMotion 将可以基于定义的配合信息自动派生零件交互。自动映射 SolidWorks 配合以派生运动副条件。 自动传送 SolidWorks 中定义的材质属性。 重用 COSMOSMotion 中的物理模拟数据，进行逼真的物理运动模拟。 （2）将载荷无缝传入COSMOSWorks以进行应力分析。通过将载荷从COSMOSMotion无缝传入COSMOSWorks，可以直观显示零部件在单个时间点或整个模拟周期内的应力和位移。（3）模拟现实运行环境。COSMOSMotion可将物理运动与SolidWorks中的装配体信息相结合，因而能够广泛应用于各个行业。在执行天线反射器定位、打开和关闭安全门、材料处理以及抬升和降低升降台铣床等任务时，可预估马达扭矩峰值。另请参阅摩擦是如何增加功率要求以及驱动器大小的。 了解运转（如安装挡风玻璃或挑选电子零部件并在电路板上装配）期间机器人的性能。 优化或最小化平板砂光机、缝纫机、分离筛和传动轴等设备中的旋转系统的作用力失衡。 更改反铲联动装置的设计长度，提供更优的挖掘性能。 生成自动进给机械装置和缝纫机中运用的CAM曲线（轮廓）。 描绘各种动力传送或运动控制中使用的各种齿轮（正齿轮、工作齿轮、螺施齿轮和齿条及小齿轮）之间的相互作用。 执行各类比赛应用中的基本悬架调整。（4）将物理模型与工程环境相关联。COSMOSMotion提供了多种代表真实环境的运动副和作用力选项。 创建各种复合运动副，可代表铰链、螺纹副、球面副、圆柱副、平面副和万向节副等各种条件。 构造运动副素材，从而强制使用标准的几何约束。 在设计驱动器时使用纯正向力来控制加速度和速度。 将常数函数、谐函数、数据点（样条）函数和步进施力函数应用于运动副和作用力。 创建运动副耦合器（运动齿轮），以便实现各种类型齿轮之间的运动，从而进行动力传送。 定义在延展时缺乏扭转和柔性刚性的应用中使用的线性和非线性弹簧。 表现正向/反向作用力和力矩。 使用点到曲线和曲线到曲线（具有静摩擦和动摩擦）来表示CAM约束。 定义3D接触（具有静摩擦和动摩擦）来捕获两个或多个接触零件之间的相互作用。 使用各向同性或正交各向异性轴衬套来增加机械运动副的柔性。 考虑重力的影响。 （4）使用功能强大且直观的可视化工具来解释结果。完成运动模拟运行后，COSMOSMotion可提供各种结果可视化工具。通过这些工具，您可获得有关设计性能的高价值分析信息。创建整个模拟周期的数值数据的XY坐标图。 在同一图表中描绘多个XY坐标图。 可以在运动副位置处显示位移、速度、加速度和力矢量。 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。 比较不同设计的坐标图，以便生成关于装配体内分析结果如何变化的信息历史记录。 装配体移动时检查碰撞的零件。在模拟过程中以动画形式展现3D弹簧。 2 机构仿真2.1平面四杆机构的仿真分析智能运动学生成器（Intellimotion Builder）是COSMOSMotion软件构建机构最简单的一种方法。但用CAD软件建立了机械系统装配模型后，我们可以使用智能运动学生成器快速生成仿真模型。下面以平面四杆机构的仿真分析为例进行说明2.1.1、启动Solidworks2006SP0软件。2.1.2、打开模型在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 打开文件图2.2 平面四杆机构的装配模型2.1.3、机构仿真单击图2.2中管理器的按钮进行仿真，管理器发生变化如图2.3所示。图2.3 Motion管理器2.1.4、定义可动的和固定的零件图2.4 定义后可动与固定的菜单定义机构的可动的和固定的零件具体操作如下：若要设置固定的零件（机架）“Ground Parts”，则用鼠标选中右边框Assembly Components下的“机架-1”并按住鼠标左键拖动鼠标到“Ground Parts”处释放，如图2.4所示。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”，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，如图2.4所示。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2.5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2.5 定义后的图像2.1.5、运动副定义和属性设置图2.6 Joints菜单展开如图2.6中的“Joins”所示界面上可对机构的运动副进行一些设置和定义。这些是从SolidWorks中映射的约束，我们不必添加任何约束。因此可不对机构的运动副作定义，由系统自动完成。2.1.6、机构的运动定义展开“Revolute”如图2.6所示，选取“Revolute2”由“机架-1”和“摇杆-1”所组成的运动副。此时需要在右边选项中进行设置。右键单击“Revolute2”将弹出如图2.7所示的对话框，这是我们在对话框中进行设置，其中设置如下：图2.7 定义驱动的motion菜单在“Motion ”处选择“Rotate Z”，因为平面四杆机构绕其Z轴旋转。在“Motion Type”处选择“Velocity”。在 “Function”处设置“Constant”。在 “Angular Velocity”处设置“360”，即机构的指定角速度约束为360 deg/sec 。完成上述设置后，单击“Apply”保存设置。设置完成后“机架-1”和“摇杆-1”连接处出现如图2.8所示箭头，说明定义成功。图2.8 定义驱动后的图像效果2.1.7、机构运动仿真单击工具栏中的运行按钮，机构开始仿真，仿真过程中观察机构的运动关系是否正确，是否达到要求的运动状态。2.1.8、仿真后处理仿真完成后，需要采集的仿真结果有机构各构件的位移、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。而且需要绘制“连杆-1”和“摇杆-1”的运动参数，具体操作如下：图2.9 plot的下拉菜单选择弹出菜单中的“Plot”，则弹出供用户选择绘制的参数如图2.9。如选择“CM Position”则可绘制“连杆-1”质心处“X、Y、Z”三个方向的位移如图2.10所示。如选择“CM Velocity”则可绘制“连杆-1”质心处“X、Y、Z”三个方向的速度如图2.11所示。如选择“CM Acceleration”则可绘制“连杆-1”质心处“X、Y、Z”三个方向的加速度如图2.12所示。 图2.10 连杆-1质心处X、Y、Z方向的位移 图2.11 连杆-1质心处X、Y、Z方向的速度 图2.12 连杆-1质心处X、Y、Z方向的加速度在“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/力矩如图2.13所示，也可绘制该运动副的反力和反力矩如图2.14所示。图2.13 机构的主运动副的驱动力/力矩图2.14 机构的主运动副的反力/力矩同上选择弹出菜单中的“Plot”，绘制“摇杆-1”质心处“X、Y、Z”三个方向的位移如图2.15所示；“摇杆-1”质心处“X、Y、Z”三个方向的速度如图2.16所示。“摇杆-1”质心处“X、Y、Z”三个方向的加速度如图2.17所示。 图2.15 摇杆-1质心处X、Y、Z方向的位移 图2.16 摇杆-1质心处X、Y、Z方向的速度 图2.17 摇杆-1质心处Z方向的加速度2.2 凸轮机构运动仿真对摆动从动件盘型凸轮进行运动和动力学仿真分析。凸轮机构如图5.24所示，该凸轮机构运动件匀速转动，输出运动为摆杆的来回摆动。其初始条件如下：中心矩150mm，摆杆长120mm，基于半径50mm，滚子半径12mm，凸轮转速72r/min。要求进行曲线碰撞运动仿真和3D碰撞接触状态动力学仿真分析，摆杆上的阻力矩为2N，绘制出摆杆任意时刻的位置、角速度和角角速度。图2.18 凸轮机构图2.2.1、机构定义定义机构的可动和固定零件，方法同四杆仿真，定义同图2.19所示的可动和固定机构图2.19 定义可动和固定机构后的图示2.2.2、添加驱动单击“Constraints”前面的+号，右击“凸轮-1”与“机架-1”的旋转副(Revolute)，选择“properities”命令如图2.20所示，在弹出对话框中填写相应数据如图2.21所示。 图2.20 joints菜单 图2.21 定义驱动motion菜单由于凸轮转速为：因此给原动件凸轮加上角速度为的驱动。最后单击“Apply”。2.2.3、曲线碰撞运动仿真右击“Constraints”/“Add Contact”，选择“Curve/ Curve Contact”命令如图2.22所示，选择滚子和凸轮在弹出对话框进行设置如图2.23所示。图2.22 constraints下的菜单图2.23 定义曲线碰撞菜单设置完成后单击仿真按钮进行仿真分析，如图2.24仿真过程。图2.24 仿真过程中的图像计算机完成仿真后，右击“Result”/“Angular Disp”选择“Create Angular Displacement”命令如图2.25所示，然后弹出如图2.26所示对话框，然后如图图示的参数进行设置。 图2.25 Angular Disp菜单 图2.26 定义摆杆与机架角的菜单完成上述设置后得到摆杆与机架的夹角，摆杆角位移变化情况如图2.27所示：图2.27 定义摆杆与机架角后的图像右击“parts”/“moving parts”/“摆杆-1”，选择“plot”，绘制出角速度和角加速度的Z轴分量曲线如图5.31、5.32所示。图2.28 依次为摆杆角位移、角速度、角加速度变化曲线2.2.4、3D碰撞接触状态仿真分析前述仿真分析是根据凸轮曲线与滚子曲线碰撞得到的二维仿真，与凸轮工作的真实情况差距较大。下面我们分析3D碰撞接触状态动力学仿真，并给摆杆加上一个使摆杆与凸轮保持接触的力矩，分析该力矩的值对摆杆加速度的影响。选择“Constraints”/“Contact”，右击CvCv，选择“Suppress”命令，取消其选中状态，冻结曲线碰撞，如图2.29所示。 图2.29右击“Constraints”/“Contact”，选择“Add 3D Contact”命令，如图2.30所示，分别选择滚子和凸轮，定义碰撞参数，如图2.31所示，然后点Apply确定。图2.30 contact下拉菜单图2.31定义3D碰撞接触和碰撞接触参数设置摆杆不加力矩。摆杆角位移如图2.32，角速度如图2.33，角加速度如图2.34。与曲线碰撞仿真比较，其角位移基本不变，角速度存在瞬时波动，角角速度则变化较大，在一些位置存在突变。图2.32 摆杆角位移变化曲线 图2.33 摆杆角速度变化曲线 图2.34摆杆角加速度变化曲线摆杆加力矩右击“Force”/“Action Only”,选择“Add Action Only Forec”，在弹出对话框进行如图2.35所示的设置。 图2.35力矩添加菜单下参数设置 图2.36力矩大小设定给摆杆加上一个使摆杆与凸轮保持接触的力矩，如图2.36所示若加上一个2N的力，摆杆角位移、角速度、角加速度如图2.37所示，与前面不加力矩相比，角速度基本不变，角加速度最大值减少一半，因此其惯性力减小，振动、冲击将降低，凸轮运转更加平稳。图2.37 2N力矩下依次为摆杆的角位移，角速度，角加速度曲线变化若加上一个4N的力，摆杆角位移、角速度、角加速度如图2.38所示，与前面力矩为2N相比，角速度变化范围加大，角加速度最大值增加很多，因此并非力矩越大越好。图2.38 4N力矩下依次为摆杆的角位移，角速度，角加速度曲线变化2.3 齿轮机构运动仿真模拟三个齿轮的啮合运转。分两种情况进行仿真分析：一是给出一个主动轮，三个齿轮之间添加三维碰撞约束，在碰撞力作用下主动轮带动其余两个齿轮转动，观察碰撞过程中齿轮角速度波动情况，二是用耦合方式仿真分析三个齿轮的理想运转情况。图2.39 齿轮仿真图形2.3.1、机构定义在“motion”管理器内将三个齿轮均设置为“moving part”，如图2.40所示。然后给每个齿轮添加一个旋转副，按图2.41所示步骤。 图2.40 定义可动和固定机构后的图 图2.41 constraints的下拉菜单分别对齿轮1-1、1-2、2-1添加旋转副如图2.42所示：图2.42 分别对每个齿轮添加旋转副右键单击“Revolute”选中“Properties”如图2.43所示，弹出如图2.44所示对话框对齿轮1-1添加一个驱动。 图2.43 添加旋转副菜单 图2.44 旋转副参数设置2.3.2、三维碰撞接触状态模拟齿轮1带动齿轮2转动，齿轮2又带动另一个齿轮1转动，实际情况下刚体之间的碰撞产生的。下面对这种情况进行模拟。右击“Constraints”/“Contact”，选择“Add 3D Contact”命令，进行如图2.45所示的设置，并定义碰撞参数如图2.46所示。仿真模拟结果可以看出，初始状态如图2.47所示，中间状态如图2.48所示。从运行中可以看出各齿轮保持了良好的啮合状态，没有干涉或脱离啮合现象，如图2.49所示。 图2.45 设定3D碰撞的各齿轮 图2.46定义碰撞参数 图2.47仿真中的齿轮 图2.48仿真中的齿轮 图2.49仿真中的齿轮齿轮1-1、1-2、2-1角速度曲线依次如图2.50所示。齿轮1-1应为，齿轮1-2应为，齿轮2-1应为，由于碰撞影响，实际结果是角速度有一定范围的波动，在一定程度上反映了齿轮的真实情况。图2.50 依次为齿轮1-1、1-2、2-1角速度变化曲线2.3.3、耦合运动模拟右击“Constraints”/“Couplers”，选择“Add Coupler”命令，在“When Joint”和“Joint”栏，分别用鼠标选择左边设计树“Joint”下面的“Revolute”和“Revolute2”。主动齿轮1-1和从动齿轮2-1转动角度之比为两齿轮齿数之比为42：-21，如图2.51所示。同样齿轮2-1和从动齿轮1-2转动角度之比为