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CATIA运动分析q
第16章CATIA运动分析
16.1曲轴连杆运动分析
四缸发动机曲轴、连杆和活塞的运动分析是较复杂的机械运动。
曲轴做旋转运动,连杆左做平动,活塞是直线往复运动。
在用CATIA作曲轴、连杆和活塞的运动分析的步骤如下所示。
(1)设置曲轴、连杆、活塞及活塞销的运动连接。
(2)创建简易缸套机座。
(3)设置曲轴与机座、活塞与活塞缸套之间的运动连接。
(4)模拟仿真。
(5)运动分析。
16.1.1定义曲轴、连杆、活塞及活塞销的运动连接
1.新建组文件
(1)点击“开始”选取“机械设计”中的“装配件设计”模块,如图16-1所示。
图16-1进入“装配件设计”模块
(2)进入装配件设计模块后,点击添加现有组件图标
,再点击模型树上的Product1图标,此时会出现文件选择对话框,按住Ctrl键,分别选取“Chapter16/huo-sai-xiao.CATPart、huo-sai.CATPart、lianganzujian.CATproduct、quzhou.CATpart”,将这些零件体载入到Product1中。
(3)此时,零件体载入后重合到一起,点击分解图标
,出现分解对话框如图16-2所示。
然后点击模型树上的Product1,点击确定,此时弹出警告对话框,如图16-3所示,警告各零件的位置会发生变,点击警告对话框的按钮“是”,我们会发现各个零件分解开来。
图16-2分解对话框
图16-3警告对话框
(3)由于连杆体零件是装配体,各部分之间存在约束,点击“全部更新”按钮
,我们会发现连杆体组件恢复装配后的样子。
(4)点击“约束”工具栏中的“相合约束”图标
,分别选择活塞销中心线及活塞孔中心线,如图16-4所示。
然后点击“约束”工具栏中的“偏移约束”图标
,选择活塞销的一个端面及活塞孔一侧的凹下去细环端面,如图16-5所示,此时出现“约束属性”对话框,如图16-6所示。
将对话框中的“偏移”一栏改为“3.75mm”,点击“确定”按钮,完成活塞销端面和活塞内凹孔细环端面之间的偏移约束关系。
点击“全部更新”按钮
,完成活塞与活塞销之间的约束,如图16-7所示。
自此完成添加零部件工作。
图16-4选择活塞销中心线及活塞孔中心线图16-5活塞销及活塞内凹孔的端面约束
图16-6将对话框中的偏移一栏改为3.75mm图16-7完成活塞及活塞销的约束
2.设置连杆体与活塞销的运动连接
(1)点击“开始”选取“数字模型”中的“DMUKinematics(数字模型运动)”模块,进入模型运动工作台,如图16-8所示。
图16-8进入“DMUKinematics”模块
(2)单击“DMUKinematics(数字模型运动)”工具栏中的“RevolnteJoint(旋转铰)”按钮
右下方的箭头,出现“KinematicsJoint(运动饺)”工具栏,包括所有铰定义按钮,如图16-9所示。
图16-9“KinematicsJoint(运动饺)”工具栏
(3)单击“KinematicsJoint(运动饺)”工具栏中的“RevolnteJoint(旋转铰)”按钮
,弹出“JointCreation:
Revolute(生成旋转铰)”对话框,如图16-10所示。
图16-10“JointCreation:
Revolute(生成旋转铰)”对话框
(4)单击对话框中的“NewMechanism(新运动机构)“按钮弹出“MechanismCreation(生成运动机构)”对话框,如图16-11所示。
单击对话框中的“确定”按钮,按照对话框中的默认机构名称“Mechanism.1”生成新的运动机构。
同时“MechanismCreation(生成运动机构)”对话框被关闭,回到“JointCreation:
Revolute(生成旋转铰)”对话框。
(5)在连杆体零件中选择小孔中心线(注意这里选择的应是连杆体小孔中衬套的中心线,因为与活塞销进行运动接触的是衬套),在选择活塞销的中心线,如图16-12所示。
在连杆体零件中选择小孔衬套的一个端面,在活塞组件中选择活塞销的一个端面,如图16-13所示,在“JointCreation:
Revolute(生成旋转铰)”对话框中点选“Centered(居中)”单选扭,然后选择小孔衬套和活塞销的另外一侧端面,如图16-14所示。
此时“JointCreation:
Revolute(生成旋转铰)”对话框的各项内容如图16-15所示。
单击对话框中的“确定”按钮,生成旋转铰。
零件按铰配合在一起,同时在模型树中出现和铰的名称,如图16-16所示。
图16-11“MechanismCreation”对话框图16-12选择衬套和活塞销中心线
图16-13选择衬套和活塞销的一个端面
图16-14选择衬套和活塞销的另一个端面
图16-15“JointCreation:
Revolute(生成旋转铰)”对话框的各项内容
图16-16模型树上出现机构和铰的名称
3.设置活塞销与活塞之间的运动连接
(1)实际中,活塞与活塞销之间为过盈配合,所以这里我们把活塞与活塞销之间定为刚性连接。
单击“DMUKinematics(数字模型运动)”工具栏中的“RevolnteJoint(旋转铰)”按钮
右下方的箭头,出现“KinematicsJoint(运动饺)”工具栏。
(2)单击“RigidJoint(刚性连接)”按钮
,弹出“JointCreation:
Rigid(生成刚性连接)”对话框,如图16-17所示。
图16-17“JointCreation:
Rigid(生成刚性连接)”对话框
(3)在图形区上分别选择活塞销和活塞,“JointCreation:
Rigid(生成刚性连接)”对话框内容被更新,显示出所选择的零件名称,如图16-18所示。
图16-18对话框显示出所选择的零件名称
(4)单击对话框中的“确定“按钮,生成刚性连接。
零件刚性连接配合在一起。
同时在模型树上出现刚性铰的名称。
如图16-19所示。
图16-19模型树上出现刚性铰的名称
4.设置连杆体与曲轴的运动连接
(1)单击“KinematicsJoint(运动饺)”工具栏中的“RevolnteJoint(旋转铰)”按钮
,弹出“JointCreation:
Revolute(生成旋转铰)”对话框,在连杆体零件中选择大孔中心线(注意这里选择的应是连杆体大孔中轴瓦的中心线,因为与曲轴进行运动接触的是轴瓦),在选择曲轴的第一段的中心线,如图16-20所示。
在连杆体零件中选择大孔轴瓦的一个端面,在曲轴中选择曲轴第一段的一个端面,如图16-21所示,在“JointCreation:
Revolute(生成旋转铰)”对话框中点选“Centered(居中)”单选扭,然后选择大孔轴瓦和曲轴第一段的另外一侧端面,如图16-22所示。
此时“JointCreation:
Revolute(生成旋转铰)”对话框的各项内容如图16-23所示。
单击对话框中的“确定”按钮,生成旋转铰。
零件按铰配合在一起,同时在模型树中出现旋转铰的名称,如图16-24所示。
图16-20选择连杆体大孔中轴瓦的中心线与曲轴的第一段的中心线
图16-21选择大孔中轴瓦的一个端面与曲轴第一段的一个端面
图16-22选择大孔轴瓦和曲轴第一段的另外一侧端面
图16-23“JointCreation:
Revolute(生成旋转铰)”对话框的各项内容
图16-24在模型树中出现旋转铰的名称
(6)此时完成了曲轴与一个连杆体的运动连接,连接后的整体约束图如图16-25所示。
图16-25整体部件的连接图
5.完成其余三组活塞、活塞销、连杆体及曲轴的运动连接
(1)点击“开始”再次选取“机械设计”中的“装配件设计”,进入“装配件设计”模块。
点击“快速多实例化”按钮
,然后在模型树上点击活塞零件,如图16-26所示。
此时在零部件上有一个新的活塞零件生成,如图16-27所示。
图16-26在模型树上点击活塞零件体图16-27新的活塞零件生成
(2)按照
(1)中的快速生成实体的方法分别生成新的活塞销与连杆体零件,生成后的零件如图16-28,同时在模型树上出现新的零件体,如图16-29所示。
图16-28生成新的活塞销与连杆体零件图16-29模型树上出现新的零件体
(3)由于零件体重合在一起,点击“分解”按钮
,出现“分解”对话框,在模型树上点击Product.1,然后点击“确定”按钮。
这时会出现警告对话框,继续点击“确定”按钮,完成重合零部件体的分解。
(4)由于先前已完成对第一组活塞、活塞销、连杆体及曲轴的运动关系的连接,第一组零部件间存在约束,点击“全部更新”按钮
后,它们又恢复到先前的位置关系,但第二组零件被分离开来,如图16-30所示。
图16-30分离更新后的效果图
(5))点击“约束”工具栏中的“相合约束”图标
,分别选择新生成的活塞销中心线及活塞孔中心线,如图16-31所示。
然后点击“约束”工具栏中的“偏移约束”图标
,选择活塞销的一个端面及活塞孔一侧的凹下去细环端面,如图16-32所示,此时出现“约束属性”对话框,如图16-33所示。
将对话框中的“偏移”一栏改为“3.75mm”,点击“确定”按钮完成活塞销端面和活塞内凹孔细环端面之间的偏移约束关系。
点击“全部更新”按钮
,完成活塞与活塞销之间的约束,如图16-34所示。
自此完成添加新零部件的工作,如图16-35所示。
图16-31选择活塞销中心线及活塞孔中心线图16-32活塞销及活塞内凹孔的端面约束
图16-33将对话框中的偏移一栏改为3.75mm图16-34完成活塞及活塞销的约束
图16-35完成添加新零部件的工作
(6)点击“开始”选取“数字模型”中的“DMUKinematics(数字模型运动)”模块,再次进入模型运动工作台。
按照前面介绍过的同样的方法将第二组活塞、活塞销、连杆体及曲轴组件进行运动连接。
连接后的整体效果图如图16-36所示。
模型树上出现新的运动连接铰的名称如图16-37所示。
图16-36连接第二组组件后的效果图
图16-37模型树上的新增运动连接名称
(7)点击“开始”再次选取“机械设计”中的“装配件设计”,进入“装配件设计”模块。
点击“快速多实例化”按钮
,按照增加第二组活塞、活塞销、连杆体组件的方法完成第三、四组组件的增加,并利用“分解”
功能,将位置重合的零部件分解开来,然后对分别对第三、四活塞与活塞销进行约束,最后用“全部更新”
功能,完成第三、四组活塞与活塞销之间的约束更新,如图16-38所示。
此时模型树上出现新的零部件名称,如图16-39所示。
图16-38完成第三、四组组件的增加并对新增活塞及活塞销进行约束
图16-39模型树上出现新的零部件名称
(8)点击“开始”选取“数字模型”中的“DMUKinematics(数字模型运动)”模块,再次进入模型运动工作台。
同样,按照前面介绍的对第三、四组活塞、活塞销、连杆体及曲轴进行运动连接,完成连接后的效果图如图16-40所示。
同时模型树上出现新的运动连接铰,如图16-41所示。
图16-40完成连接后的效果图
图16-41模型树上出现新的运动连接铰
16.1.2创建简易缸套机座
1.插入新零件
(1)点击CATIA的菜单栏中的“插入”,在其子菜单中选择“新增零部件”,如图16-42所示。
(2)在模型树上单击“Product.1”,,这样会在装配图中插入一个新零件。
单击“Product.1”后,会出现一个“新零部件:
原点”对话框,如图16-43所示,提示使用者如何定义新零件的原点。
(3)单击对话框中的“是”按钮,定义新零件的原点与组件的原点重合。
此时在装配件的模型树上将出现一个新零件“Part1(part1.1)”。
如图16-44所示。
图16-42选择“新增零部件”图16-43“新零部件:
原点”对话框
图16-44新零部件“Part1(part1.1)”
(4)右键点击模型树上的“Part1(part1.1)”,在出现的子菜单中选择属性,如图16-45所示。
此时会出现“属性”对话框,在“实例名称”一栏将“part1.1”修改为“缸套机座”点击“确定”按钮,完成产品实例名称的修改,如图16-46所示。
此时模型树上的新增零部件的名称“Part1(part1.1)变成“Part1(缸套机座)”。
图16-45在子菜单中选择属性
图16-46修改“属性对话框”中“实例名称”的内容
2.绘制机座零件草图
(1)将模型树上中Part1零件的元素展开,双击该零件的名称“Part1”,如图16-48所示,这样可以直接由“数字模型工作台”转到“零部件设计工作台”。
(2)选择曲轴带有键槽一端的端面,如图16-47所示,在“草图编辑器”工具栏中单击“Sketcher(草图)”按钮
,进入草图设计工作台。
图16-48双击零件名称“Part1”图16-47选择曲轴带有键槽一端的端面
(3)单击“操作”工具栏中的“Project3delement(投影三维元素)”按钮
,然后选择曲轴带有键槽一端的端面,将其投影为一个圆形草图,如图16-48所示。
然后点击“圆”
,在草图上画一个圆,如图16-49,点击“约束”
,再点击刚才画的圆,此时圆的尺寸被约束住,双击尺寸数字,弹出“约束定义”对话框,将直径改为“80mm”,如图16-50所示,按住“Ctrl”键,点击投影圆和刚才绘制的圆,再点击“约束定义”
按钮,弹出“约束定义”对话框,如图16-51所示,将同心一栏选上,然后点击“确定”按钮。
完成草图绘制,如图16-52所示。
图16-48三维投影草图图16-49画一个圆
图16-50修改直径图16-51“约束定义”对话框
图16-52约束完成后的草图
(4)单击“工作台”工具栏中的“ExitWorkbench(推出工作台)”按钮
,重新进入“零部件设计工作台”。
3.拉伸生成机座零件
(1)单击“给予草图的特征”工具栏中的”Pad(拉伸)”按钮,弹出“PadDefinition(拉伸定义)”对话框,如图16-53所示,将长度一栏改为“40mm”,在轮廓曲面一栏选择刚才绘制的草图,然后点击确定,完成实体的拉伸。
(2)为了区别机座实体,将机座实体更改颜色。
在模型树上右键点击“Part1(缸套机座),在出现的子菜单中点击“属性”弹出属性对话框,点击图形一栏,将颜色改为黄色,如图16-54,然后点击“确定”。
这样就将机座实体与曲轴零件区别开来。
图16-53“凸台定义”对话框
图16-54将颜色改为黄色
4.绘制缸套零件草图
(1)点击“基准平面”
图标,再点击第一组活塞的上表面,如图16-55所示,弹出“基准平面定义”对话框,将偏移一栏数据改为“0mm”,如图16-56所示,点击确定完成基准平面的建立。
建立后的基准平面如图16-57所示。
图16-55选择活塞上表面图16-56“基准平面定义”对话框
图16-57建立的基准平面
(2)点击新建的基准平面,在“草图编辑器”工具栏中单击“Sketcher(草图)”按钮
,进入草图设计工作台。
(3)单击草图工具中的“虚线”图标
,此时该图标变成红色。
接着单击“操作”工具栏中的“Project3delement(投影三维元素)”按钮
,然后选择活塞上表面,将其投影到草图设计平面上,如图16-58所示。
接着再次单击“虚线”图标
,图标恢复原来的颜色,即取消“虚线”功能。
然后在点击“圆”
,在草图上画一个圆,如图16-59,按住“Ctrl”键,选择投影圆与绘制的圆,单击点击“约束定义”
按钮,弹出“约束定义”对话框,如图16-60所示,将相合一栏选上,然后点击“确定”按钮,绘制圆与投影圆相合,如图16-61所示。
图16-58投影活塞上表面图16-59绘制一个圆
图16-60“约束定义”对话框图16-61绘制圆与投影圆相合
(4)在草图上再画一个圆,单击“约束”
,此时圆的尺寸被约束住,双击尺寸数字,弹出“约束定义”对话框,将直径改为“120mm”,点击“确定”完成尺寸约束,如图16-62所示.按住“Ctrl”键,点击两个绘制的圆,再点击“约束定义”
按钮,弹出“约束定义”对话框,将“同心”一栏选上,然后点击“确定”按钮。
将两个圆的圆心约束在一起,如图16-63所示。
图16-62绘制直径为120mm的一个圆图16-63将两个圆的圆心约束在一起
5.拉伸生成缸套零件
单击“给予草图的特征”工具栏中的”Pad(拉伸)”按钮,弹出“PadDefinition(拉伸定义)”对话框,将长度一栏改为“120mm”,在轮廓曲面一栏选择刚才绘制的草图,然后点击确定,完成实体的拉伸,如图16-64所示。
图16-64拉伸缸套零件
6.完成其余三组缸套实体建模
(1)点击再建立第一组活塞缸套时所建立的“基准平面”
图标,在“草图编辑器”工具栏中单击“Sketcher(草图)”按钮
,进入草图设计工作台。
(2)按照与绘制第一组缸套草图相同的方法绘制第二组缸套草图平面,绘制完的效果如图16-65所示。
(3)单击“工作台”工具栏中的“ExitWorkbench(推出工作台)”按钮
,进入“零部件设计工作台”。
准备完成第二组缸套的实体拉伸,与第一组缸套实体拉伸方法相同,对第二组缸套进行拉伸,完成后的实体效果如16-66所示。
图16-65第二组缸套草图绘制图16-66第二组缸套的实体拉伸效果
(4)按照同样的方法建立第三、四组缸套的实体模型,完成后的四组活塞缸套的模型如图16-67所示。
图16-67四组缸套的实体模型
16.1.3设置曲轴与机座、活塞与活塞缸套之间的运动连接
1.设置曲轴与机座之间的运动连接
(1)点击“开始”选取“数字模型”中的“DMUKinematics(数字模型运动)”模块,进入模型运动工作台。
(2)单击“KinematicsJoint(运动饺)”工具栏中的“RevolnteJoint(旋转铰)”按钮
,弹出“JointCreation:
Revolute(生成旋转铰)”对话框,分别选择简易机座的中心线和曲轴左端的中心线,如图16-68所示。
简易机座的左端面和曲轴的左端面,如图16-69所示。
“JointCreation:
Revolute(生成旋转铰)”对话框内容被更新,如图16-70所示,然后点击“确定”完成运动连接,此时模型树上出现新的运动铰的名称,如图16-71所示。
图16-68选择机座和曲轴左端中心线图16-69选择机座的左端面和曲轴左端面
图16-69“JointCreation:
Revolute(生成旋转铰)”对话框内容被更新
图16-71模型树上出现新的运动铰
2.设置活塞浴缸套之间的运动连接
(1)单击“DMUKinematics(数字模型运动)”工具栏中的“RevolnteJoint(旋转铰)”按钮
右下方的箭头,出现“KinematicsJoints(运动铰)”工具栏。
(2)单击“CylindricalJoint(圆柱铰)”按钮
,弹出“JointCreation:
Cylindrical(生成圆柱铰)”对话框,如图16-72所示。
图16-72“JointCreation:
Cylindrical(生成圆柱铰)”对话框
(3)在装配零件上分别选择第一组活塞和缸套的中心线,如图16-73所示。
此时“JointCreation:
Cylindrical(生成圆柱铰)”对话框内容被更新,如图16-74所示,点击“确定”按钮,完成第一组活塞与缸套之间的运动连接。
图16-73选择第一组活塞和缸套的中心线图16-74对话框内容被更新
(4)按照上诉同样的方法,依次完成第二、三、四活塞与缸套之间的运动连接,此时模型树上出现新的运动铰,如图16-75所示。
图16-75模型树上出现新的运动铰
16.1.4模拟仿真
1.设置驱动
在模型树上双击曲轴与机座的运动铰,如图16-76,弹出弹出“JointCreation:
Revolute(生成旋转铰)”对话框,将“Angledriven(角度驱动)”一栏选上,如图16-77所示,点击确定完成驱动设置。
图16-76在模型树上双击曲轴与机座的运动铰
图16-77将“Angledriven(角度驱动)”一栏选上
2.设置固定零件
(1)单击“DMUKinematics(数字模型运动)”工具栏中的“Fixedpart(固定零件)”按钮
,弹出“NewFixedpart(新固定零件)”对话框,如图16-78所示。
图16-78“NewFixedpart(新固定零件)”对话框
(2)在图形区上选择简易机座零件,并点击“确定”按钮。
(3)单击“确定”后,则弹出一个“Information(消息)”对话框,提示现在设置的机构已经可以被模拟,如图16-79所示。
单击对话框中的“确定”按钮,关闭对话框。
3.模拟四缸内燃机运动
(1))单击“DMUKinematics(数字模型运动)”工具栏中的“SimulationwithCommand(使用命令模拟)”按钮
,弹出“KinematicsSimulation-Mechanism.1(运动模拟)”对话框,如图16-80所示。
在对话框中拖动滑标改变角度范围,如图16-81所示。
单击对话框中的“Playforward(向前演示)”按钮
,四缸内燃机开始运动。
图16-80“KinematicsSimulation-图16-81改变角度范围
Mechanism.1(运动模拟)”对话框
16.1.5运动分析
1.定义时间关联的参数关系式
(1)选择菜单工具栏中的“工具”→“选项”命令,弹出“选项”对话框,如图16-82所示。
选中“产品结构”,选择“树的定制”选项卡,然后将“关系”选项激活。
单击对话框中的“确定”,关闭对话框。
图16-82“选项”对话框
(2)在模型树上选择“机制.1”,如图16-83所示。
图16-83选择“机制.1”
(3)单击“知识”工具栏中的“Formula(公式)”按钮
,弹出“公式:
机制.1”对话框,如图16-84所示。
在对话框的“参数”文本框中选择第二个选项“机制.1\命令\命令.1\角度”,单击“添加公式”按钮,定义角度与时间的关系。
图16-84“公式:
机制.1”对话框
(4)单击“添加公式”按钮后,弹出“公式编辑器”对话框,如图16-85所示。
图16-85“公式编辑器”对话框
(5)在“字典”列表框中选择“参数”选项,在“参数成员数”列表框中选择“时间”选项,在“时间成员数”列表框中显示“机制.1\KINTime”。
双击“机制.1\KINTime”,则“机制.1\KINTime”直接进入公式编辑文本框中,如图16-86所示。
图16-86编辑的角度与时间关系公式
(6)在后边继续输入“/1s*36deg”,其物理意义是运动角速度为36deg/1s,因为速度前面的时间单位是s,因此,要与角度单位一致,需要将速度除以时间1s,然后再乘以角度单位。
单击公式编辑器中的“确定”按钮,完成公式编辑,回到“公式:
机制.1”对话框,在对话框中显示出刚才编辑的公式,如图16-87所示。
图16-87在对话框中显示出刚才编辑的公式
(7)单击对话框中的“确定”按钮,生成公式,并且在模型树中显示公式的名称和表达式,如图16
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