两自由度风洞实验运动装置机械结构总体设计

两自由度风洞实验运动装置机械结构总体设计专 业：学 生：指导教师：完成日期：摘要风洞试验设备是一个国家航空航天事业发展的基础设施 ,对国家的航空航天事业、武器装备研制以及国民经济的发展发挥着非常重要的作用。风洞试验是研制新型飞行器必不可少的重要环节。每一种新型飞行器的研制都需要在风洞中进行大量的试验。串联机构的发展曾经带动了空间机构学的发展，近 20 年来并联机构的发展再次促进了空间机构学的发展。今天，为了我国的科技进步，自主创新性及在一些新兴产业和领域开辟自己独特的道路，基于串联机构与并联机构的特点，混联机构成为各种高端技术应用一个新的热点。本文对两（少）自由度机构的现状和发展趋势以及风洞试验进行了简略的阐述，在此基础上进行两自由度运动机构的结构设计；介绍 SolidWorks 软件和对所设计的两自由度运动机构装置进行的三维造型过程；对所设计的运动机构的主要节点进行的强度校核和力学性能的分析；在校核的基础上选择了合适的电机；最后对本课题做一个总结和展望。关键词：串联，两自由度，风洞试验，三维造型。AbstractWind tunnel testing facilities are infrastructures for the aeronautics and astronautics of a nation ,which are important for aviation and spaceflight career ,weapon development and national economy. It is an important and indispensable part of the development of new types of aircraft for the wind tunnel test. Development of each new aircraft needs carry out a large number of tests in a wind tunnel.The development of the series mechanisms have contributed to the study of space mechanism ,and nearly 20 years of the parallel mechanism have promoted the development of the space mechanism again. At the present,in order to advance of science and technology of China,independent innovation and open up the unique way in some new industries and fields,based on the characteristics of series mechanisms and parallel mechanism,parallel-series institutions become a hot new area of all high-end technology applications .In this paper, a brief description of current situation and development of two (few) degree of freedom mechanism and wind tunnel experiment, further for structure design to the two degrees of freedom motion mechanism; introduction of SolidWorks software and process for the design of two degrees of freedom movement mechanism unit for three-dimensional modeling ; strength check and mechanical properties analysis for the main nodes of movement mechanism, based on that select suitable motor; finally this project makes a summary and prospected.Key words:Series, Two degree of freedom, wind tunnel, Three-dimensional modeling.目录摘要Abstract第一章 绪论 .11.1 课题背景、目的及意义 .11.1.1 课题背景 .11.1.2 课题目的及其意义 .21.2 本课题研究内容 .3第二章 风动，两（少）自由度运动机构的基础理论研究 .42.1 风洞试验及应用 .42.2 两（少）自由度运动机构的基础理论 .72.3 两（少）自由度运动机构的发展趋势 .8第三章 两自由度运动机构的结构方案设计和分析 .93.1 五自由度风洞试验设计方案机构原理 .93.2 两自由度弯刀运动机构的机构原理 .10第四章 两自由度运动机构的三维造型及结构分析 .144.1 三维造型软件 SolidWorks 简介 .144.1.1 启动 SolidWorks 和界面简介 .164.1.2 快捷键和快捷菜单 .194.1.3 模块简介 .204.2 自由度运动机构的三维造型过程 .214.2.1 用 SolidWorks 对各零部件进行造型 .214.2.2 用 SolidWorks 各零部件进行装配 .26第五章 电机的选择 .285.1 电机的简述 .285.2 电机的选择 .305.3 本章小结 .30总结 .31参考文献 .32致 谢 .34 两自由度风洞实验运动装置机械机构总体设计 两 自 由 度 风 洞 实 验 运 动 装 置 机 械 结 构总 体 设 计 专 专专专专专专专专专专专专专 专 专专专专专 专专专专专专专专 专专专专专2014专5专30专 扬 州 大 学 机 械 工 程 学 院 1第一章 绪论1.1课题背景、目的及意义因为空气看不见、摸不着,要对其进行测量并不是那么容易,尤其是飞行器在空中飞行的时候，很难去测量气流对飞行器的作用力,釆集飞行器在飞行时的数据点,并且建立气动和运动学模型的计算机数值仿真,对于某些模型有时候难以建立,于是想到能否将飞行器的模型或实物固定在地面人工环境中,人为制造气流流过,即是在地面上人为地创造一个“天空”,以此来模拟飞行器在空中各种复杂的飞行状态,获取试验数据,并且实现多次反复试验采集数据,从而缩短飞行器研发的时间、降低飞行器的制造成本,得到更为准确可靠的数据结果。随着现代化工业进程的发展，两（少）自由度运动机构在各领域的运用也日益增加，其作用也越来越显著，通过本次设计一方面可以锻炼自己的动手和学习能力，把书本知识运用到实际，另一方面也可以让我们把握住现代信息社会的脉搏，为以后工作和学习确立明确的方向与目标。1.1.1课题背景国外从上世纪九十年代开始,提出了一种能够揭示大迎角高机动飞行时气动/运动的非线性耦合特性,进而进行过失评估,且低成本、低风险的风洞虚拟飞行试验(Wind TunnelBased Virtual Flight Testing, WTBVFT)的概念风洞虚拟飞行试验是指把飞行器模型安装在风洞巾具有 2 个旋转自由度的专用支撑裝置上,在保持模型质心位置不变的同时,让模型的 2 个姿态角可以自由运动或者按照飞行器的飞行要求加以实时舵面操纵控制,较为真实地模拟飞行器的机动运动过程,可同时测量飞行器气动和运动参数,检验飞行器响应和操纵控制特性,从而达到气动/运动一体化研究,探索气动/运动耦合机理的目的。随着现代科学技术（如制造技术、机器人技术、生物科学技术等）的发展，对各种机械设备性能的要求越来越高，航空航天事业这种需求更为严格，混联机构在这种需求下就产生和演化了。目前国内外的机构选型主要呈现以下两种趋势: 一种是传统的串联机构， 串联式机构组合是指若干个单自由度的基本机构顺序联接，每一个前置机构的输出运动是后置机构的输人，若联接点设在前置机构中作简单运动的构件上，即形成所谓的串联式组合。其主要优点是工作空间大，灵活性与可操作性 两自由度风洞实验运动装置机械机构总体设计 两 自 由 度 风 洞 实 验 运 动 装 置 机 械 结 构总 体 设 计 专 专专专专专专专专专专专专专 专 专专专专专 专专专专专专专专 专专专专专2014专5专30专 扬 州 大 学 机 械 工 程 学 院 2较好, 技术积累较成熟, 但刚度差、定位精度低是应用于装置的致命不足；另一种是选用并联机构 , 并联机构，可以定义为动平台和定平台通过至少两个独立的运动链相连接，机构具有两个或两个以上自由度，且以并联方式驱动的一种闭环机构。并联机构的特点：（1）与串联机构相比刚度大，结构稳定；（2）承载能力大;（3）微动精度高;（4）运动负荷小;（5）在位置求解上，串联机构正解容易，但反解十分困难，而并联机构正解困难反解却非常容易。其主要优点具有高力/ 力矩输出 , 刚性好, 无积累误差, 输出加速度大, 响应比串联机构快, 但工作空间小, 灵活性差。人们为克服并联机构工作空间小和串联机构响应较慢的缺点, 提出了集串、并联机构优点的一身的串并联混联机构。混联机构的应用已经涉及到多个领域，如串并联微操作机器人系统的研究，PRS- XY 型混联机床机构的研究，实现滚法中医推拿并串混联机器人的研究等等。混联机构混合了并联机构和串联机构, 并兼具两者优点,在很大程度上解决了纯并联机构空间小的缺点。同时混联机构的运动学正、逆解求解时需要建立复杂的方程, 求解困难是困扰专家学者的主要问题之一。1.1.2课题目的及意义发展机器人技术是推进经济结构战略性调整、以信息化提升我国制造与自动化技术水平、加快实现工业化的迫切需要;是促进我国传统制造行业与老工业基地的技术改造与产业升级，推动我国制造业“两个根本性转变”,实现跨越式发展的迫切需求;是瞄准国际前沿,力求超越提高综合国力,增强国际地位的迫切需求因此开发具有自主知识产全的产品也显得尤为重要。本课题主要内容是研究两自由度运动机构的设计。根据风洞动态实验的要求，设计两自由度动态运动装置。该装置为串联和并联的混合机构，要求实现空间两自由度冗余运动。利用三维造型软件对装置进行造型设计，ADAMS 对其进行仿真，模拟出装置的运动状态以及求解出各部件的位移、速度、加速度。并联机构刚度大、运动惯性小、精度高的优点十分明显。尽管它的工作空间和灵活性受到一定限制, 但与串联机构能够在结构和性能上形成互补关系, 可完成串联机构难以完成的任务, 从而扩大了机构的应用范围, 可以相信随着并串联机构理论和设计方法的研究的成熟必将促进机构在各领域的应用。 两自由度风洞实验运动装置机械机构总体设计 两 自 由 度 风 洞 实 验 运 动 装 置 机 械 结 构总 体 设 计 专 专专专专专专专专专专专专专 专 专专专专专 专专专专专专专专 专专专专专2014专5专30专 扬 州 大 学 机 械 工 程 学 院 31.2本课题研究内容本文首先利用三维造型软件 SolidWorks 对两自由度风洞实验运动装置机械结构进行三维造型，然后运用虚拟样机技术对其进行几何学建模，并对其进行初步的运动学和动力学分析。在具体操作时，采用了 ADAMS 软件作为辅助分析工具。ADAMS 软件是目前在机构运动学、动力学以及样机参数化分析等方面功能比较强大的软件之一，并联机构运动的复杂性可以利用 ADAMS 提供的这些功能进行分析，并可以方便、快捷地得到可视化的结果和分析过程中的各种参数及线图，为后继的研究分析工作提供比较直观的可参考依据。本文具体研究工作主要包括以下几个方面：第一章论述了课题的背景及课题研究的意义，提出本文的主要研究的内容。第二章简要介绍风洞，两（少）自由度运动装置的基础理论研究第三章简要介绍了设计的两自由度运动装置的机械原理，校核几处连接处的强度和载荷第四章简述了三维造型软件和设计的两自由度运动机构的三维造型过程第五章是简要介绍选择的电机及其性能最后是结论部分，对全文进行总结，并对进一步研究进行一些展望。 两自由度风洞实验运动装置机械机构总体设计 两 自 由 度 风 洞 实 验 运 动 装 置 机 械 结 构总 体 设 计 专 专专专专专专专专专专专专专 专 专专专专专 专专专专专专专专 专专专专专2014专5专30专 扬 州 大 学 机 械 工 程 学 院 4第二章 风动，两（少）自由度运动装置的基础理论研究2.1风洞试验及应用风洞（wind tunnel） ，是能人工产生和控制气流，以模拟飞行器或物体周围气体的流动，并可量度气流对物体的作用以及观察物理现象的一种管道状实验设备，它是进行空洞动力实验最常用、最有效的工具。其中风洞实验是飞行器研制工作中的一个不可缺少的组成部分。它不仅在航空和航天工程的研究和发展中起着重要作用，随着工业空气动力学的发展，在交通运输、房屋建筑、风能利用和环境保护等部门中也得到越来越广泛的应用。风洞作实验的依据是运动的相对性原理。实验时，常将模型或实物固定在风洞内，使气体流过模型。这种方法，流动条件容易控制，可重复地、经济地取得实验数据。为使实验结果准确,实验时的流动必须与实际流动状态相似,即必须满足相似的要求。但由于风洞尺寸和动力的限制，在一个风洞中同时模拟所有的相似参数是很困难的，通常是按所要研究的课题，选择一些影响最大的参数进行模拟。此外，风洞实验段的流场品质，如气流速度分布均匀度、平均气流方向偏离风洞轴线的大小、沿风洞轴线方向的压力梯度、截面温度分布的均匀度、气流的湍流度和噪声级等必须符合一定的标准，并定期进行检查测定。航空航天飞行器研制的发展与风动试验设备密切相关，对空气动力学问题的探究促进了风洞的诞生。风洞试验设备的发展随着风洞的建设分别经历了低速风洞、高速风洞、超声速风洞、跨声速风洞、超高速风洞和特种风洞的发展阶段。为了满足航天事业的需求，风洞设备的发展又经历了更新改造、稳定发展和新概念的发展。世界上大部分的发达国家都对空气动力试验机构的研究给予了高度的重视。1871 年，英国的温霍姆建造了世界上第一座风洞试验设备。德国于 1907 年成立了哥庭根空气动力试验院，并花巨资建立了许多低速、高速、超高速和特种风洞试验设备，同时也是世界上领先先研制出弹道导弹和喷气式飞机的国家。美国在上个世纪 80 年代推出了“星球大战”计划，于 1915 年成立了国家空气动力研究机构并把作为基础学科的空气动力学放在了主要学科的位置上。 两自由度风洞实验运动装置机械机构总体设计 两 自 由 度 风 洞 实 验 运 动 装 置 机 械 结 构总 体 设 计 专 专专专专专专专专专专专专专 专 专专专专专 专专专专专专专专 专专专专专2014专5专30专 扬 州 大 学 机 械 工 程 学 院 520 世纪 80 年代，各国家开始对风洞的各种性能进行改造，美国计划将20m36m 的全尺寸风洞改造为无回声试验段。NASA 的高空风洞（AWT）也进行了改造，风速由 Ma=0.6 增加到了 0.9，增加了声学试验和风洞结冰的能力。1999 年，法国完成了直径 8m 的 SIMA 风洞声学试验段的改造，有效的抑制了飞速在 0.85Ma 内，频率为 200HZ 到 2kHZ 风洞的噪声。2001 年，法国对 F1 低速风洞进行了试验改造，可吸收声音的频率范围达到 600HZ 到 25kHZ。英国为了改善飞机及其增升系统在空气动力风洞试验的精度，英国皇家航空研究院在法恩巴勒建立了一座大型增压的 5m 低速风洞，该风洞可以在恒定的 M 数下改变Re，可以在接近于真实的 Re 数下进行大尺度发动机短舱或半模试验。随着航空航天领域的快速发展，一些新兴的经济强国也开始重视风洞设备的建设。1996 年，日本三菱重工建立了一座试验段的出口 3m 高 2.5m 的静音风洞，该风洞设计制造过程中使用了降低噪声的新技术。1998 年，韩国在大田市建立了一座在设计、扩展性及流场等方面功能比较强大的现代化的 4m3m 风洞试验设备。20 世纪 60 年代，我国风洞试验设备的建设才开始起步，于 1977 年建造了亚洲最大的低速风洞，该风洞先后进行了上海东方明珠电视塔、杨浦大桥、多枚通信卫星等近千项风洞试验。1980 年 5 月 18 日，我国在南太平洋海域成功的发射了一枚远程运载火箭，从此就向世界宣告我国是高水平的飞行器空气动力试验机构的国家。图 2-1 运-8 风洞试验 图 2-2 全机震颤试验 两自由度风洞实验运动装置机械机构总体设计 两 自 由 度 风 洞 实 验 运 动 装 置 机 械 结 构总 体 设 计 专 专专专专专专专专专专专专专 专 专专专专专 专专专专专专专专 专专专专专2014专5专30专 扬 州 大 学 机 械 工 程 学 院 6在我国最受关注的是被航空航天界誉为“功勋风洞”的位于川西的风洞群，该风洞群累计完成了 50 万余项课题和型号研究试验，是我国综合实力最强、规模最大的国家级空气动力试验、开发和研究机构，其综合的风洞试验能力达到世界先进行列。 该风洞群为我国的国民经济建设和军事武器装备发展等作出重大贡献，如中国空军的主力运输机运-8（图 2-1） 、 “枭龙”战机、 “神舟”系列飞船、磁悬浮高速列车等都在这里做过过风洞试验。 2012 年 3 月 15 日，我国的的 8 米6 米风洞全机颤振悬挂系统成功的完成某飞机全机颤振试验如图 2-2，标志着我国已经具有在大型风洞进行全机颤振试验的能力。该系统可验证飞机颤振的特性能否满足适航性气动弹性要求，为飞机飞行包线的确定提供了重要依据。 风洞试验的发展将是进一步提高流场品质和增加风洞的模拟能力，减小在跨音速下情况下的洞壁干扰等问题，将风洞发展成为自修正的智能形式。风洞实验既然是一种模拟实验，不可能完全准确。概括地说，风洞实验固有的模拟不足主要有以下三个方面。与此同时，相应也发展了许多克服这些不足或修正其影响的方法。1.边界效应或边界干扰：真实飞行时，静止大气是无边界的。而在风洞中，气流是有边界的，边界的存在限制了边界附近的流线弯曲，使风洞流场有别于真实飞行的流场。其影响统称为边界效应或边界干扰。克服的方法是尽量把风洞试验段做得大一些(风洞总尺寸也相应增大)，并限制或缩小模型尺度，减小边界干扰的影响。但这将导致风洞造价和驱动功率的大幅度增加，而模型尺度太小会便雷诺数变小。近年来发展起一种称为自修正风洞的技术。风洞试验 两自由度风洞实验运动装置机械机构总体设计 两 自 由 度 风 洞 实 验 运 动 装 置 机 械 结 构总 体 设 计 专 专专专专专专专专专专专专专 专 专专专专专 专专专专专专专专 专专专专专2014专5专30专 扬 州 大 学 机 械 工 程 学 院 7段壁面做成弹性和可调的。试验过程中，利用计算机，粗略而快速地计算相当于壁面处流线应有的真实形状，使试验段壁面与之逼近，从而基本上消除边界干扰。2.支架干扰：风洞实验中，需要用支架把模型支撑在气流中。支架的存在，产生对模型流场的干扰，称为支架干扰。虽然可以通过试验方法修正支架的影响，但很难修正干净。近来，正发展起一种称为磁悬模型的技术。在试验段内产生一可控的磁场，通过磁力使模型悬浮在气流中。3.相似准则不能满足的影响：风洞实验的理论基础是相似原理。相似原理要求风洞流场与真实飞行流场之间满足所有的相似准则，或两个流场对应的所有相似准则数相等。风洞试验很难完全满足。最常见的主要相似准则不满足是亚跨声速风洞的雷诺数不够。风洞实验尽管有局限性，但有如下四个优点：能比较准确地控制实验条件，如气流的速度、压力、温度等；实验在室内进行,受气候条件和时间的影响小,模型和测试仪器的安装、操作、使用比较方便；实验项目和内容多种多样，实验结果的精确度较高；实验比较安全，而且效率高、成本低。因此，风洞实验在空气动力学的研究、各种飞行器的研制方面，以及在工业空气动力学和其他同气流或风有关的领域中，都有广泛应用。2.2两（少）自由度运动机构的基础理论一个不受任何约束的自由体在空间有 6 个自由度，即 3 个方向移动的自由度和 3 个方向的转动的自由度。如果构件受到不同程度的约束，自由度将不同程度地减少，这类机构的自由度在 2-5 之间。在机器人的运动机构中，少自由度运动机构占着很大的比重。少自由度运动机构的特点是：1.工作空间大；2.驱动件少，构件少；3.控制方便简单；4.制造容易，价格低廉；5.正向求解容易。也正是因为以上特点，少自由度运动机构在实际领域中有着广泛的应用前景。而在机器人运动机构中，两自由度运动机构可以根据需要可以采用不同结 两自由度风洞实验运动装置机械机构总体设计 两 自 由 度 风 洞 实 验 运 动 装 置 机 械 结 构总 体 设 计 专 专专专专专专专专专专专专专 专 专专专专专 专专专专专专专专 专专专专专2014专5专30专 扬 州 大 学 机 械 工 程 学 院 8构。比如两自由度解耦球面机构、两自由度闭链机构和平面两自由度机构等等。香港科技大学研制的并联机器人样机采用的就是平面 2 自由度驱动冗余机构。通过增加一个串联分支同时增加一个驱动，构建了平面 2 自由度驱动冗余并联机器人，这种驱动冗余并联机器人的特点在于能克服瞬时自运动奇异而改善机构的灵巧性，同时减小了原非驱动冗余机构的理论可达工作空间。由于由于驱动冗余可以改善机器人力传递的一致性，既减少了工作空间内的奇异，同时增加了机器人的承载能力和刚度，能够有效完成非冗余并联机器人的工作任务。2.3两（少）自由度运动机构的发展趋势由于多自由度运动机构存在建模困难，运动耦合和对元件精度要求高等不足，而且在许多情况下并不需要六自由度机构，低于六自由度即可满足实际要求。因此，近年来一些少自由度机构成为新的研究热点，少自由度机构具有结构简单、造价低等特点，在实际领域中有着广泛的应用前景。同时少自由度机构的出现，大大丰富了运动机构的机理，拓宽了这些新机理的应用前景。但有些少自由度机构的许多结构、运动学等方面的性质尚未被认识，目前国内外现有的空间机构综合与组成原理不成熟，仍存在许多待解决的问题。因此分析少自由度机构的结构特性及运动特性，对少自由度机构的应用具有重要的理论意义，而且具有极高的研究价值。 两自由度风洞实验运动装置机械机构总体设计 两 自 由 度 风 洞 实 验 运 动 装 置 机 械 结 构总 体 设 计 专 专专专专专专专专专专专专专 专 专专专专专 专专专专专专专专 专专专专专2014专5专30专 扬 州 大 学 机 械 工 程 学 院 9第三章 两自由度运动机构的结构方案设计和分析3.1五自由度风洞试验设计方案机构原理本课题的两自由运动机构的设计是基于“五自由度风洞模拟试验平台”为背景，对五自由度串-并混联机构中的两自由度运动机构-弯刀部件进行设计和分析。“五自由度风洞模拟试验平台”的五自由度采用串-并混联机构实现实验模型质心在风洞固定点的五自由度的运动。风洞试验模拟运动平台的结构原理图如图 3-1 所示。3-1 五自由度风洞试验模拟运动平台的结构原理图动平台 10 和下平台 1 之间由三条运动链并行连接，与下平台 1 相连的转动关节 2、14、15，与动平台 10 相连的转动关节 4、5、11，连接转动关节 2和 4 的是移动关节 3，连接转动关节 14 和 5 的是移动关节 12，连接转动关节15 和 11 的是移动关节 13。这三条运动链具有相同的结构，均为 RPR 形式的运 两自由度风洞实验运动装置机械机构总体设计 两 自 由 度 风 洞 实 验 运 动 装 置 机 械 结 构总 体 设 计 专 专专专专专专专专专专专专专 专 专专专专专 专专专专专专专专 专专专专专2014专5专30专 扬 州 大 学 机 械 工 程 学 院 10动链。三条运动链、基座 1 和动平台 10、以及底座 16 和下平台 1 同处于 XOY平面内。动平台 10 上有一个转动关节，连接了动平台 10 和弯刀 9，使弯刀 9相对于动平台 10 绕 XOY 平面内的直线 MN 转动。弯刀 9 的另一端通过转动关节8 连接末端执行器 7，末端执行器的轴线 MP 与直线 MN 垂直相交于 M 点。M 点即为末端执行器转动时所围绕的固定点。3.2两自由度运动装置的机构原理两自由度运动机构只需完成 2 个自由度转动，完成绕末端执行器上某固定点的空间两自由度转动。动平台 10 上有一个转动关节，连接了动平台 10 和弯刀9，使弯刀 9 相对于动平台 10 绕 XOY 平面内的直线 MN 转动。弯刀 9 的另一端通过转动关节 8 连接末端执行器 7，末端执行器的轴线 MP 与直线 MN 垂直相交于M 点。M 点即为末端执行器转动时所围绕的固定点。两自由度弯刀运动机构的机构原理如图 3-2 所示。3-2 两自由度弯刀运动机构的机构原理 两自由度风洞实验运动装置机械机构总体设计 两 自 由 度 风 洞 实 验 运 动 装 置 机 械 结 构总 体 设 计 专 专专专专专专专专专专专专专 专 专专专专专 专专专专专专专专 专专专专专2014专5专30专 扬 州 大 学 机 械 工 程 学 院 11本设计的特点是：利用空间串联两自由度转动装置，完成绕末端执行器上某固定点的空间两自由度冗余转动。结构简单、成本低、容易实施。本设计的两自由度运动机构中，所涉及到的强度校核和受力分析较少，只需要对几处连接处进行强度校核和受力分析即可。 两自由度风洞实验运动装置机械机构总体设计 两 自 由 度 风 洞 实 验 运 动 装 置 机 械 结 构总 体 设 计 专 专专专专专专专专专专专专专 专 专专专专专 专专专专专专专专 专专专专专2014专5专30专 扬 州 大 学 机 械 工 程 学 院 12弯刀钢管部件和轴套是通过螺栓连接的，选择拧紧螺栓使连接在承受工作载荷之前预先受到预紧力作用。预紧的目的在于增强连接的可靠性和紧密性，以防止受载后被连接件出现缝隙或发生相对位移。经验也证明适当选用较大的预紧力对螺纹连接的可靠性以及连接件的疲劳强度都是有利的。通常规定，拧紧后螺纹连接件在预紧力作用下产生的预紧应力不得超过其材料屈服极限 的s80%。对于一般连接用的钢制螺栓连接的预紧力 ，按下列关系确定：0F碳素钢螺栓 1s0A7.6）（合金钢螺栓 （3-1）s5）（式中： 螺栓材料的屈服极限s螺栓危险截面的面积，1A4/dA21在承受预紧力和工作拉力的紧螺栓连接下，螺栓的总拉力（3-2）FCFmb02上式中 称为螺栓的相对刚度，则螺栓危险截面的拉伸强度条件为mbC 两自由度风洞实验运动装置机械机构总体设计 两 自 由 度 风 洞 实 验 运 动 装 置 机 械 结 构总 体 设 计 专 专专专专专专专专专专专专专 专 专专专专专 专专专专专专专专 专专专专专2014专5专30专 扬 州 大 学 机 械 工 程 学 院 13（3-21F3.4d3）查相关资料，选择螺栓的材料为 35#钢，屈服强度 和抗拉强度MPa315s，在末端 15kg 载荷下：MPa50N6.48dMPa3156.0A6.0F21s m.F.4d21。所选择的 M5 螺栓符合强度要求。m52.3d1 两自由度风洞实验运动装置机械机构总体设计 两 自 由 度 风 洞 实 验 运 动 装 置 机 械 结 构总 体 设 计 专 专专专专专专专专专专专专专 专 专专专专专 专专专专专专专专 专专专专专2014专5专30专 扬 州 大 学 机 械 工 程 学 院 14第四章 两自由度运动机构的三维造型及结构分析4.1三维造型软件 SolidWorks简介风洞虚拟飞行试验是指把飞行器模型安装在风洞中具有 2 个旋转自由度的专用支撑装置上,在保持模型质心位置不变的同时,让模型的 2 个姿态角可以自由运动或者按照飞行器的飞行要求加以实时操纵控制舵面,较为真实地模拟飞行器的机动运动过程,可同时测量飞行器气动和运动参数,检验飞行器响应和操纵控制特性,从而达到气动/运动一体化研究和探索气动/运动耦合机理的目的。通常在进行机构动力学仿真时,所建立的模型构件为刚性构件,在做运动分析时不会发生弹性变形。而实际上,在高速、重载的工作条件下,轻质、细长杆件在高速运动时表现出了刚性机构所没有的柔性性能,杆件的弹性变形会导致系统的运动误差和弹性振动。因此考虑构件的柔性以提高仿真分析精度成为风洞试验平台研究的一项重要内容。目前对于复杂并联机构动力学的精确仿真分析,多数都是采用有限元法将构件柔性化实现的。本章利用 Solidworks 对该风洞试验平台进行实体建模,借助于 ANSYS 软件生成柔性机构的模态中性文件,在 ADAMS 中引入 ANSYS 模态中性文件,构建机械系统仿真的刚柔耦合动力学模型,然后在ADAMS 中对该试验平台进行动力学仿真分析,通过仿真分析所生成的数据曲线来分析样机的运动性能。SolidWorks 是特征造型软件的新秀，向广大机械设计人员提供用户界面更好、运行环境更大众化的实体造型实用功能，它将零件三维造型与装配设计、二维出图融为一体，可使工业界迅速普及三维产品设计技术。Solidworks 软件功能强大，组件繁多。 Solidworks 功能强大、易学易用和技术创新是SolidWorks 的三大特点，使得 SolidWorks 成为领先的、主流的三维 CAD 解决方案。SolidWorks 能够提供不同的设计方案、减少设计过程中的错误以及提高产品质量。SolidWorks 不仅提供如此强大的功能，同时对每个工程师和设计者来说，操作简单方便、易学易用。ADAMS 软件是世界上应用最广泛且最具权威性的机械系统运动学和动力学仿真分析软件, 该软件以多体系统动力学理论为基础。利用 ADAMS 软件可以建 两自由度风洞实验运动装置机械机构总体设计 两 自 由 度 风 洞 实 验 运 动 装 置 机 械 结 构总 体 设 计 专 专专专专专专专专专专专专专 专 专专专专专 专专专专专专专专 专专专专专2014专5专30专 扬 州 大 学 机 械 工 程 学 院 15立和测试虚拟样机, 可在计算机上实现复杂机械系统的运动学和动力学仿真分析。本课题通过 ADAMS 对混联机构进行运动学正、逆解求解, 避免了繁琐的计算工作, 且快速准确, 节省了大量的时间和人力。ADAMS 的模型构架决定了在ADAMS 中将曲线转换成样条函数具有很高的精度, 这一点保证了求正解时的准确性。该种方法对于研制新型机构具有重要意义, 不但可以验证科研人员计算的正确性, 而且可以进行运动学和动力学仿真。SolidWorks系统有以下特点：1.Solidworks是一个基于造型的三维机械设计软件，它的基本设计思路：实体造型-虚拟装配-二维图样。通过零件三维造型可以画出3D效果的零件图，并可以用这些3D零件生成二维的工程图和三维的装配体。2.SolidWorks是通过给点尺寸来驱动的。改变尺寸就可以改变零件的大小和形状。3.SolidWorks模型包括零件、装配及工程图等。零件、装配和工程图是一个模型的不同表现形式，对其中任意一个的改动都会使其它两个自动跟着改变。4.SolidWorks可以利用特征造型来建立零件的模型。用来生成零件的特征包括形状特征（圆角、倒角、孔等）和操作特征（拉伸、扫描、旋转、放样等） 。 两自由度风洞实验运动装置机械机构总体设计 两 自 由 度 风 洞 实 验 运 动 装 置 机 械 结 构总 体 设 计 专 专专专专专专专专专专专专专 专 专专专专专 专专专专专专专专 专专专专专2014专5专30专 扬 州 大 学 机 械 工 程 学 院 164.1.1启动 SolidWorks和界面简介安 装 SolidWorks 后 ， 在 Windows 的 操 作 环 境 下 ， 选 择 【 开 始 】 【 程 序 】 【 SolidWorks 2012】 【SolidWorks 2012】命令，或者在桌面双击SolidWorks 2012 的快捷方式图标 ，就可以启动 SolidWorks 2012，也可以直接双击打开已经做好的 SolidWorks 文件，启动 SolidWorks 2012。图 4-1 是SolidWorks 2012 启动后的界面。图 4-1 SolidWorks 界面这个界面只是显示几个下拉菜单和标准工具栏，选择下拉菜单【文件】【新建】命令，或单击标准工具栏中按钮 ，出现 “新建 SolidWorks 文件”对话框，如图 4-2 所示。 两自由度风洞实验运动装置机械机构总体设计 两 自 由 度 风 洞 实 验 运 动 装 置 机 械 结 构总 体 设 计 专 专专专专专专专专专专专专专 专 专专专专专 专专专专专专专专 专专专专专2014专5专30专 扬 州 大 学 机 械 工 程 学 院 17图 4-2 “新建 SolidWorks 文件”对话框这里提供了类文件模板，每类模板有零件、装配体和工程图三种文件类型，可以根据自己的需要选择一种类型进行操作。这里先选择零件，单击【确定】按钮，则出现图 4-3 所示的新建 SolidWorks 零件界面。图 4-3 新建 SolidWorks 零件界面 两自由度风洞实验运动装置机械机构总体设计 两 自 由 度 风 洞 实 验 运 动 装 置 机 械 结 构总 体 设 计 专 专专专专专专专专专专专专专 专 专专专专专 专专专专专专专专 专专专专专2014专5专30专 扬 州 大 学 机 械 工 程 学 院 18这里有下拉菜单和工具栏，整个界面分成两个区域，一个是控制区，另一个是图形区。在控制区有三个管理器，分别是特征设计树、属性管理器和组态管理器，可以进行编辑。在图形区显示造型，进行选择对象和绘制图形。特别是下拉菜单几乎包括了 SolidWorks 2012 所有的命令，如果在常用工具栏没有显示的不常用的命令，可以在菜单里找到；常用工具栏的命令按钮，可以自己根据实际使用的情况自己确定，后面将介绍工具按钮的设置。其中图形区的视图选择按钮，是 SolidWorks 2012 新增功能，单击倒三角按钮，可以选择不同的视图显示方式，如图 4-4 所示。若在图 4-3 中单击下拉菜单【文件】【打开】命令，或单击标准工具栏中按钮 ，出现 “打开”文件对话框，如图 4-5 所示。其中具体操作就是Windows 界面的操作，相信大家自己应该会做的。图 4-4 视图选择按钮 图 4-5 “打开”文件对话框然后单击【文件】【保存】命令，或单击标准工具栏中按钮 ，出现“另存为”对话框，如图 4-6 所示。这时，读者就可以选择自己保存文件的类型进行保存。如果想把文件换成其他类型，只需单击【文件】【另存为】命令，在出现的“另存为”对话框中选择新的文件类型进行保存。 两自由度风洞实验运动装置机械机构总体设计 两 自 由 度 风 洞 实 验 运 动 装 置 机 械 结 构总 体 设 计 专 专专专专专专专专专专专专专 专 专专专专专 专专专专专专专专 专专专专专2014专5专30专 扬 州 大 学 机 械 工 程 学 院 19图 4-6 “另存为”对话框4.1.2快捷键和快捷菜单使用快捷键和快捷菜单及其鼠标是提高作图速度及其准确的重要方式，在Windows 操作里面有很多使用它们的，这里主要介绍 SolidWorks 快捷命令的使用和鼠标的特殊用法，简单介绍如下：（1）快捷键快捷键的使用和 Windows 的快捷格式基本上一样，用 Ctrl+字母，就可以进行快捷操作，这里就不详细介绍了。（2）快捷菜单在没有执行命令时，常用快捷菜单有四种：一个是图形区的，一个是零件特征表面的，一个是特征设计树里面单击其中一个特征，还有就是工具栏里面的，单击右键后就出现如图 4-7 所示快捷菜单。在有命令执行时，单击不同的位置，也会出现不同的快捷菜单，这里就不一一介绍了，读者可以自己在实践中慢慢体会。零件特征表面 特征设计树 图形区 工具栏图 4-7 快捷菜单（3）鼠标按键功能左键：可以选择功能选项或者操作对象。 两自由度风洞实验运动装置机械机构总体设计 两 自 由 度 风 洞 实 验 运 动 装 置 机 械 结 构总 体 设 计 专 专专专专专专专专专专专专专 专 专专专专专 专专专专专专专专 专专专专专2014专5专30专 扬 州 大 学 机 械 工 程 学 院 20右键：显示快捷菜单。中键：只能在图形区使用，一般用于旋转、平移和缩放。在零件图和装配体的环境下，按住鼠标中键不放，移动鼠标就可以实现旋转；在零件图和装配体的环境下，先按住 Ctrl 键，然后按住鼠标中键不放，移动鼠标就可以实现平移；在工程图的环境下，按住鼠标的中键，就可以实现平移；先按住 Shift 键，然后按住鼠标中键移动鼠标就可以实现缩放，如果是带滚轮的鼠标，直接转动滚轮就可以实现缩放。4.1.3模块简介在 SolidWorks 软件里有零件建模、装配体、工程图等基本模块，因为SolidWorks 软件是一套基于特征的、参数化的三维设计软件，符合工程设计思维，并可以与 CAMWorks 及 DesignWork 等模块构成一套设计与制造结合的CAD/CAM/CAE 系统，使用它可以提高设计精度和设计效率；可以用插件的形式加进其他专业模块（如工业设计、模具设计、管路设计等） 。其特征是指可以用参数驱动的实体模型，是一个实体或者零件的具体构成之一，对应一形状，具有工程上的意义；因此这里的基于特征就是零件模型是由各种特征生成的，零件的设计其实就是各种特征的叠加。参数化是指对零件上各种特征分别进行各种约束，各个特征的形状和尺寸大小用变量参数来表示，其变量可以是常数，也可以是代数式；若一个特征的变量参数发生变化，则这个零件的这一个特征的几何形状或者尺寸大小将发生变化，与这个参数有关的内容都自动改变，用户不需要自己修改。这里介绍一下零件建模、装配体、工程图等基本模块的特点。（1）零件建模：SolidWorks 提供了基于特征的、参数化的实体建模功能，可以通过特征工具进行拉伸、旋转、抽壳、阵列、拉伸切除、扫描、扫描切除、放样等操作完成零件的建模。建模后的零件，可以生成零件的工程图，还可以插入装配体中形成装配关系，并且生成数控代码，直接进行零件加工。（2）装配体：在 SolidWorks 中自上而下生成新零件时，要参考其他零件并保持这种参数关系，在装配环境里，可以方便地设计和修改零部件。在自下而上的设计中，可利用已有的三维零件模型，将两个或者多个零件按照一定的约束关系进行组装，形成产品的虚拟装配，还可以进行运动分析、干涉检查等， 两自由度风洞实验运动装置机械机构总体设计 两 自 由 度 风 洞 实 验 运 动 装 置 机 械 结 构总 体 设 计 专 专专专专专专专专专专专专专 专 专专专专专 专专专专专专专专 专专专专专2014专5专30专 扬 州 大 学 机 械 工 程 学 院 21因此可以形成产品的真实效果图。（3）工程图：利用零件及其装配实体模型，可以自动生成零件及装配的工程图，需要指定模型的投影方向或者剖切位置等，就可以得到需要的图形，且工程图是全相关的，当修改图纸的尺寸时，零件模型，各个视图、装配体都自动更新。4.2自由度运动机构的三维造型过程4.2.1用 SolidWorks对各零部件进行造型以简单的“轴套”为例（1）打开 SolidWorks 界面后，单击【文件】【新建】命令或者单击按钮 ，出现“新建 SolidWorks 文件”对话框，选择【零件】命令后单击【确定】按钮，出现一个新建文件的界面，首先单击【保存】按钮，将这个文件保存为“轴套”