【《某粮仓开窗机构的运动学与动力学仿真分析案例》3200字】

某粮仓开窗机构的运动学与动力学仿真分析案例1.1运动学仿真运动学，是从几何的角度描述和研究物体位置随时间变化规律的力学分支。通过研究质点与刚体这两类理想模型，并且对于变形体的运动进行研究分析。在研究变形体的运动时，需要分别对于变形体中每一个微团进行刚性形变与应变的单独分析。点的运动学研究的是点的运动特征，其中包括了轨迹、位移、速度、加速度等运动特征，这些随着所选参考系变化而变化；在眼睛缸体运动学士还需要研究刚体本身的运动过程，其中包括了角速度、角加速度扥更为复杂的运动特征。运动学仿真则是通过仿真的方法来计算整个结构体的运动过程，及时通过数值分析方法计算得出关于位置、速度、加速度的方针。在运动学仿真之中主要是通过对于机械构件之间的运动轨迹以及受外力所产生的外力变化，一般来说分析速度力、力矩等宏观力，因此与质量和外力没有关系。此次运动学仿真主要使用ADAMS软件进行运动学仿真[4]。ADAMS是美国机械动力公司开发的虚拟样机分析软件。该软件可以对虚拟机谢金星静力学仿真、动力学仿真、运动学仿真，输出位移、速度、加速度和反作用力曲线等[5]。四杆机构运动学仿真四杆机构仿真模型创建结构如下：在第三章中完成了对于整体结构的三维设计与装配工作，在SolidWorks之中导出parasolid（.x_t）格式，在ADAMS_view之中打开。对于模型之中的零件进行视图模式的改变，并且进行布尔操作[6]。在模型之中的各个转动副之间添加转动副结构，并且在输入端加上一个电机输入，设计转速。图1.1ADAMS四杆机构仿真模型在这个结构实现整体运动之后，对于各杆件进行运动学分析，分别对于速度加速度进行运动学仿真计算。在竖直杆上施加一转速为0.5d*time。各运动部件速度仿真结果如下图1.2ADAMS各部件速度仿真结果由此图我们不难看看出，各运动部件之中，速度最大的是长杆，竖直杆由于属于输入端，整体速度一直较小。并且由于运动学模型进行分析可知，竖直杆的速度与窗体的速度与两物体之间的夹角相关。由于所施加的驱动为转速，所以竖直杆的速度是恒定的，并且由于各干兼职纪检的角度变化，两从动杆件的速度是会不断减小的。并且由于长杆与窗体的夹角逐渐增大，此时两速度之间的比值会越来越小，整体符合所设计出的结构模型。

图1.3ADAMS各部件加速度仿真从速度的仿真结果中我们不难看出，两从动杆件的加速度在不断的减小并且如果维持一个长时间的类似运动可能可以维持在一个相对恒定的速度不断地进行下去。由于竖直杆是整体运动之中的原动件，则此时竖直杆加速度为零由于考虑内部具有摩擦力，此时对于整体的加速度进行数学模型分析。由于其本身所具有的数学关系，并且通过计算可知，仿真结果与初步设计过程之中的模型结构基本符合整体运动的数值关系。图1.4ADAMS各部件质心位置仿真由于该四杆机构的运动特性可知，在四杆机构的运动过程之中整个竖直杆之中的质心就在竖直杆的轴心位置上，因此在运动过程之中，竖直杆轴心位置随时间变化基本没有，二长杆与窗体的位置图会出现一回落，主要是因为在开窗过程之中，存在窗体打开至90°后继续打开至一钝角。因此在这一运动过程之中整体质心位置会在到达最高点后出现回落的现象，但是这一回落幅度在实际结构之中是与粮仓窗开关机构的粮仓窗开关的技术指标存在直接关系的。通过第二章以及第三章对于整体机构的方案设计、三维设计与建模仿真，我们所仿真得到的四杆机构各部件质心位置是符合初步设计之中的运动规律的。在整体进行结构分析时，可以通过前文所设计出的理想结构模型进行分析，并且在数学模型的关系上两者完全相符。1.2动力学仿真动力学仿真与运动学仿真是相对而言的仿真，相较于运动学仿真，动力学仿真是测试机械系统的动力学特性的一种技术手段。测试的目的主要包括分析优化各构件质量以及转动惯量，在达到在满足强度要求的前提下满足设计的动态响应要求的目的。与运动学仿真相比，动力学仿真需要外力进行驱动，并且在动力学仿真的过程中需要考虑速度在远远小于光速时甚至于受力但完全静止时的状态。本次动力学仿真使用ADAMS进行动力学仿真。1.2.1四杆机构动力学仿真杆机构的动力学仿真建模与运动学仿真过程相同。但是动力学仿真过程中需要测量的是各个约束位置，并且选定各个结构之间主动从动进行测量。在整体运动过程之中，测试条件与运动学测试相同，但是由于在实际装配过程之中尽管结构相同，却出现了部分杆件损坏的情况，我们在仿真时需要考虑摩擦力对于结构的影响。故需要分别实现对于理想状态的仿真与内部存在摩擦力的现实状态的仿真。并且动力学仿真主要是对于开窗过程的动力学仿真，借此研究摩擦力的影响。选用动摩擦因数为μ=0.1。

图1.5四杆机构中各部件受力图1.6内部存在摩擦力情况下各部件受力从理想条件下四杆机构的受力图中分析可知，在运动过程之中，各杆件受力过程相对来说变化趋势近似，但是因为是对开窗过程进行动力学仿真，只是给定一个外部速度并不是通过给定来来驱使运动，在这一运动过程之中观察理想条件下杆的受力其实与整体结构相关，在角度发生变化时杆件受力也会发生变化。除此之外，通过对比不同的杆件的力的变化，我们不难看出在角度逐渐变大时，力的下降速率也就越小。并且随着整体结构的逐渐变化，会出现力的回升状态，如果杆件以一种自由运动且不间断的方式进行运动则各个杆件的受力会出现循环的图样。四个部分的受力变换趋势基本相同，只是存在峰值的不同。但是我们不难看出整体结构的变化对于受力的影响也是存在的。一个直角三角形中各个夹角逐步变化，除此之外通过观察我们不难看出在运动过程之中，长杆对短杆的力与窗杆对窗体的力是成比例变换的，而且比值也与家教相关，充分说明了理想结构的可行性。再加入摩擦力之后，各项力的变化出现了一定的延后，但是整体的运动趋势仍是相同的。除此之外，为了能够克服摩擦力实现运动需求，整体结构之中受力不难看出峰值会相对提高，并且上涨速率相对于没有摩擦力的理想模型也更大，也就解释了为什么在实际装配时会出现部分构件无法承受力矩而造成破坏。对两组图片对比我们不难看出，在施加摩擦力之后，出现了些许的区别例如峰值、变化速率、变化幅度等等，这也就说明，理想的动力学模型并不能完美的实现各个杆件在实际运动中的受力。因此我们需要通过动力学仿真和实际结构的运动结果对比而实现对于整体结构进行优化。尽管理想动力学模型存在较大缺点，但是在考虑施加一摩擦力之后，整体结构的运动会更加契合实际运动的过程。故需要考虑在实际运动过程之中除了摩擦力这一内部干扰是否还存在其他方面的影响，例如内部应力、应变等各种宏观力与微观力的影响。通过施加这些影响，我们能够得出的结果也就对于实际运动过程中整体结构是否会受到破坏能够有更为清晰直观的仿真结果。1.3对竖直杆中性化后动力学仿真对于刚体中性化后的动力学仿真，是ANSYS与ADAMS联合仿真中的一个重要功能，而对于关键部件创建中性体实现刚体与柔体相结合的方式实现对于模型的更精确的分析[7]。利用ADAMS/ViewFlex模块生成mnf文件创建中性体过程如下[8]：选择Buid→FlexibleBodies→ViewFlex，在Parttomeshed一栏中选取创建柔性体的零件，并勾选ManualReplace和StressAnalysis，点击OK，创建mnf文件;选择Build→FlexibleBodies→RigidToFlex，导入mnf文件[9]。由于本次实验对竖直杆中性化后，进行动力学仿真，主要是为了观察竖直杆结构的形变，因此我们选择通过ANSYSAPDL将竖直杆进行柔性化[9]，通过ANSYS与ADAMS之间的串口将mnf文件导入ADAMS，之后通过ADAMS输出lod载荷文件，将lod载荷文件输入到ANSYS经典版之中[10]，能够观察到各模态的形变状态。但是此次仿真所需要的是观察竖直杆的形变，我们选择在ANSYSWorkbench之中观察整体的应变。四杆机构简化受力图如下：图1.7竖直杆中性化后动力学仿真施加力简图通过将lod文件导入ANSYS之中，我们能够直观的