机械动力学机械工程综合训练中心南京农业大学.docx
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机械动力学机械工程综合训练中心南京农业大学
车辆动力学基础
实验指导书
姓名
班级
学号
南京农业大学工学院机械工程系
机械设计教研室编
2013年1月
参考书目:
ADAMS2005机械设计高级应用实例郑凯等编机械工业出版社
ADAMS实例教程李军等编北京理工大学出版社
ADAMS虚拟样机技术入门与提高郑建荣编机械工业出版社
虚拟样机技及其在ADAMS的实践王国强编西北工业大学出版社
实验一曲柄滑块机构的动力学模拟
一、实验目的
1.初步掌握多体动力学分析软件ADAMS中实体建模方法;
2.初步掌握ADAMS中施加约束和驱动的方法;
3.计算出在该驱动作用下滑块运动的位移、速度和加速度。
二、实验设备和工具
1.ADAMS软件;
2.CAD/CAM机房。
三、实验原理
按照曲柄滑块机构的实际工况,在软件中建立相应的几何、约束及驱动模型,即按照曲柄滑块机构的实际尺寸,建立曲柄、连杆和滑块的几何实体模型;把曲柄和连杆、连杆和滑块之间的实际连接简化成铰连接,滑块和滑道之间的连接简化成棱柱副连接,从而在软件中建立其连接副模型;把曲柄的驱动运动建立相应的驱动模型;然后利用计算机进行动力学模拟,从而可以求得曲柄、连杆和滑块零件在实际工况下的任何时间、任何位置所对应的位移、速度加速度,以及约束反力等一系列参数。
四、实验步骤
1.启动ADAMS/View程序
1.1在windowsXP的开始启动,选择所有程序,再选择MSC.software,然后选择MSC.ADAMS2005中的Aview,启动ADAMS/View程序;
1.2在欢迎对话框,选择Createanewmodel项;在模型名称栏输入pistonpump;重力设置选择EarthNormal参数;单位设置选择MKS系统(M,KG,N,SEC,DEG,H);
1.3选择OK按钮。
2.检查和设置建模基本环境
2.1检查默认单位系统在Settings菜单中选择Units命令,显示单位设置对话框,当前的设置应该为M,KG,S系统。
2.2设置工作栅格
(1)在Settings菜单,选择WorkingGrid命令,显示设置工作栅格对话框;
(2)设置SizeX=2.0,SizeY=1.0,SpacingX=0.05,ShowWorkingGrid=on;
(3)选择OK按钮。
2.3动态调整活动窗口在主工具箱中,选择工具
,在窗口内上下拖动鼠标,使之显示整个工作栅格。
2.4设置图标在Settings菜单,选择Icons命令,显示图标设置对话框;在NewSize栏输入0.1;选择OK按钮。
2.5检查重力设置在Settings菜单,选择Gravity命令,显示设置重力加速度对话框;当前的重力设置应该为X=0,Y=-9.80665,Z=0,Gravity=ON;选择OK按钮。
2.6设置ADAMS默认存盘目录。
在File菜单,选择SelectDirectory栏,显示寻找目录对话框;输入要存盘的路径,选择OK按钮。
3.几何建模
3.1按F4键,显示坐标窗口。
表1-1定义连接点及坐标
3.2定义连接点鼠标右击主工具箱的几何建模工具集,选取定义点工具
;选择参数;AddtoGround,Don’tattach;按照表1-1所示的坐标,分别定义A、B、C点。
坐标点
变量名
X
Y
Z
A
POINT_1
0.0
0.0
0.0
B
POINT_2
0.3
0.0
0.0
C
POINT_3
1.3
0.0
0.0
3.3圆盘几何建模
(1)在几何建模工具集,选取圆柱体建模工具
;
(2)在参数设置栏,设置NewPart;Length=ON,Length=0.1;Radius=ON,Radius=0.3;
(3)用鼠标选择POINT_1点为起始绘图点,拖动鼠标,此时可以看见几何形体随鼠标拖动改变方向。
释放鼠标键,完成圆盘形体建模;
(4)改变圆盘方向。
用鼠标选择屏幕上无对象处,放弃当前对圆盘的选择;将鼠标置于点(0,0,0)用右键显示弹出式菜单;在Part_1下方,选择MAR_1,再选择Modify,显示修改对话框;输入:
Orientation=(0.0,0.0,0.0),选择OK按钮。
可以看见圆盘改变了放置方向;
(5)改变圆盘位置。
在主工具箱,选择
;选择不同视图方向工具,从不同的方向观看圆盘,可以看到圆盘在Z轴方向不对称于栅格平面。
选择MAR_1,再选择Modify;显示修改对话框;在Location栏,将{0,0,0}改为{0,0,-0.05};选择OK按钮,圆盘移动到对称于栅格平面的位置;
(6)改变圆盘名称。
将鼠标置于圆盘处,显示弹出式菜单,选择PRAT_1,再选择Rename,显示改名对话框;在NewName栏,将PART_1改为wheel,选择OK按钮;
(7)设置圆盘物理性质。
在圆盘处,显示弹出式菜单菜单,选择wheel,再选择Modify,显示修改对话框;在Definemassby栏,选择GeometryandDensity,Density栏,输入7800;选择OK按钮。
3.4连杆几何建模
(1)在几何建模工具集,选取连杆建模工具
;
(2)在参数设置栏,选择NewPart;Width=ON,Width=0.15;Depth=ON,Depth=0.05;
(3)选择POINT_2点为起始绘图点,拖动鼠标POINT_3,释放鼠标键,完成建模;
(4)改变连杆名称。
在连杆处,显示弹出式菜单,选择PRAT_1,再选择Rename,显示改名对话框;在NewName栏,将PRAT_1改为handle,选择OK按钮;
(5)设置连杆物理性质。
在连杆处,显示弹出式菜单选择handle,再选择Modify,显示修改对话框;在Definemassby栏,选择UserInput;输入:
Mass=65,选择OK按钮。
3.5滑块几何建模
(1)在几何建模工具集,选取立方体建模工具
;
(2)在参数设置栏,选择NewPart;Height=ON,Height=0.3;Depth=ON,Depth=0.3;
(3)选择点(1.15,-0.15,0)为起始绘图点,拖动鼠标点(1.55,0.15,0),释放鼠标键,产生滑块几何模型;
(4)改变滑块位置。
在点(1.15,-0.15,0)处,显示弹出式菜单,选择MAR_1,再选择Modify,显示修改对话框;在在Location栏,将{1.15,-0.15,0}改为{1.15,-0.15,-0.15};选择OK按钮;
(5)改变滑块名称。
在滑块处,显示弹出式菜单,选择PART_1,再选择Rename,显示改名对话框;在NewName栏,将PRAT_1改为piston,选择OK按钮;
(6)设置滑块物理性质。
在滑块处,显示弹出式菜单选择piston,再选择Modify,显示修改对话框;在Definemassby栏,选择GeometryandMaterialType;在MaterialType栏中右击显示弹出式菜单,选择Material,再选择Browse,显示数据库浏览器,选择Brass,选择OK按钮。
4.施加运动副和驱动
4.1施加铰接副圆盘在A点处通过铰接副同地面框架连接,在B、C点处分别通过铰接副将圆盘与连杆,连杆和滑块连接。
(1)添加圆盘与地面框架铰接副。
在主工具箱的连接工具集,选择铰接副
;在参数设置栏,选择1Location,NormalToGrid;选择POINT_1点,完成设置。
(2)添加圆盘与连杆铰接副。
连接工具集,选择铰接副
;在参数设置栏,选择2-Bod-1Loc,NormaltoGrid;依次选择:
圆盘、连杆、POINT_2,完成设置。
(3)添加连杆与滑块铰接副。
连接工具集,选择铰接副
;在参数设置栏,选择2-Bod-1Loc,NormaltoGrid;依次选择:
连杆、滑块、POINT_3,完成设置。
4.2仿真观看当前模型的运动情况
(1)在主工具箱,选择仿真工具
;
(2)在主工具箱参数设置栏,选择Dynamic,取EndTime=5.0,Steps=200;
(3)选择
,开始仿真分析。
4.3添加棱柱副
(1)在主工具箱,选择棱柱副工具
。
(2)在主工具箱参数设置栏,选择2-Bod-1Loc,PickFeature。
(3)依次选择:
滑块、地面、POINT_3、方向指向圆盘,完成设置。
4.5定义圆盘的运动
(1)在主工具箱的运动工具集,选择旋转运动工具图标
,显示定义旋转运动对话框;
(2)在Setup栏,输入360;选择JOINT_1,完成转速设置。
4.6施加滑块作用力F
(1)定义点的作用点。
在主工具箱的几何建模工具集,选取定义点工具
;选择参数:
AddtoGround,Don’tattach,选择点(1.55,0,0),定义点POINT_4。
(2)在主工具箱的力工具箱,选择单作用力图标
,显示施加力对话框。
(3)在参数设置区,输入和选择:
Direction=SpaceFixed;Construction=PickFeature;Characteristic=Custom。
FORCE_1=ON,FORCE=10000
(4)依次选择:
滑块、点POINT_4(1.55,0,0)和鼠标箭头指向圆盘方向;设置FORCE_1同时显示修改力对话框。
(5)保存曲柄滑块机构模型。
在File菜单,选择SaveDatabase。
当前模型的轴测视图如图1-1所示:
图1-1曲柄滑块机构模型
5.对曲柄滑块机构进行仿真分析
5.1仿真分析
(1)在主工具箱,选择仿真工具
。
(2)在主工具箱参数设置栏,选择Dynamic,取EndTime=2.5,Steps=200。
6.建立测量(滑块的位移、速度、加速度)
(1)鼠标右键单击需要测量的部件,系统打开右键快捷菜单,选择Measure;
(2)系统打开参数对话框,如图1-2,将Characteristic设为CMPosition,Component设为X,测量X向位移;
(3)点击Apply,出现空白的测量窗口;
(4)重复上述步骤,将Characteristic设为CMVelocity,新建测量速度;
(5)重复上述步骤,将Characteristic设为CMAcceleration,新建测量加速度;
图1-2设置参数
(6)建立的测量窗口后,点击工具箱中的仿真图标
,按照先前的设置进行仿真,仿真结果如图1-3所示;
(7)如需测量其他部件的位移、速度、加速度以及力其测量方法相同。
图1-3仿真结果
五、思考题
1.建模时首先建立了工作栅格,工作栅格的作用是什么?
2.建模时输入的坐标是相对于哪个坐标而言的,该坐标系在ADAMS软件中对应的是何名称?
3.请尝试在栏杆的中心处建立测量点,并把连杆中心处的位移、速度、加速度模拟出来?
六、实验报告
按照以下要求递交实验报告
1.建模要求
把建模完成图抓图1幅,粘贴于实验报告中,并对作图过程作简要叙述。
2.施加运动副和驱动要求
把运动机构施加运动副和驱动完成的图抓图1幅,粘贴于实验报告中,并对施加的运动副和驱动作简要叙述。
3.模拟结果要求
把滑块的运动位移、速度、加速度模拟出来,分别抓图1幅,粘贴于实验报告中,并对模拟结果作简要的叙述。
实验二单摆机构的动力学模拟
一、实验目的
1.掌握多体动力学分析软件ADAMS中实体建模方法;
2.掌握ADAMS中施加约束和驱动的方法;
3.计算出单摆运动的位移、速度和加速度。
二、实验设备和工具
1.ADAMS软件;
2.CAD/CAM机房。
三、实验原理
按照单摆机构的实际工况,在软件中相应的几何及约束模型,即按照单摆机构的实际尺寸,建立单摆几何实体模型;把摆臂和大地之间的实际连接简化成铰连接,从而在软件中建立其连接副模型;按照摆臂初始运动的参数,如初始转角和转速建立相应的驱动模型;然后利用计算机进行动力学模拟,从而可以求得摆臂在实际工况下的任何时间、任何位置所对应的位移、速度加速度,以及摆臂和大地铰接点处的约束反力等一系列参数。
四、实验步骤
1.问题描述
图2-1为单摆机构简图,AB为匀质杆,质量2kg,长450mm,A点铰接固定,杆AB在垂直平面内摆动,求当θ=30度时,角速度为3rad/s时,铰接点A处的支撑力。
图2-1单摆机构简图
θ
2.运行ADAMS
2.1通过开始程序菜单运行ADAMS2005,或直接双击桌面图标,运行ADAMS2005;
2.2出现ADAMS界面,选择Createanewmodel;
2.3确认Gravity(重力)文本框中是EarthNormal(-GlobalY),Units(单位)文本框中是MM,K,S,确认后单击OK按钮;
2.4在Settings下拉菜单中选择WorkingGrid,系统打开参数设置对话框,在spacing栏,X和Y都输入25mm。
3.建立几何模型
3.1用鼠标右键单击几何工具箱,弹出级联图标,用鼠标左键选中杆件图标
;
3.2系统打开参数设置对话框,如图2-2所示,确认在工具箱下方文本框中显示NewPart。
选中Length选项,输入45.0cm,即摆臂长度。
选种width选项,输入2.0cm,选中Depth选项,输入2.75cm;
3.3按F4打开坐标框,鼠标单击(-225,0,0)作为摆臂的左侧起点,然后单击右侧水平方向任一点,ADAMS自动生成摆臂,如图2-3所示;
图2-2参数设置对话框
图2-3摆臂
4.设置模型参数
4.1设置摆臂质量
鼠标右键单击摆臂Part_2,在右键打开的快捷菜单中选择Modify,弹出修改对话框,在Definemassby栏中选择UserInput.,在Mass栏输入2.0,单击OK按钮。
4.2.设置摆臂位置
(1)在工具箱中选择定位图标
。
系统打开参数设置对话框,在Angle栏输入30,此时摆臂高亮显示;
(2)点击顺时针箭头,摆臂转向与水平方向成30度,如图2-4所示。
图2-4转动摆臂位置
5.建立单摆支点
5.1在主工具箱中选择铰接副
。
系统打开参数设置对话框,确认在工具箱下方的Construction文本框中显示1Location和NormaltoGrid;
5.2鼠标左键点击摆臂的左端点PART_2.MARKER_1;
5.3在大地和摆臂之间生成一个铰接支点,如图2-5所示。
图2-5建立铰接点
6.设置初始运动
6.1鼠标右键点击摆臂,在打开的右键快捷菜单中选择Modify命令,系统打开修改对话框,在Category项选择VelocityInitialConditions;
6.2在Angularvelocityabout项选择PartCM;
6.3在下面的选项中选择Z轴,并输入3.0r。
输入完成后单击OK按钮。
7.验证模型
7.1通过验证模型可以发现建模过程中的错误,ADAMS会自动检测一些错误,如为连接的约束,动力系统中无质量的部件,无约束的部件等。
并给出警告可能引发的问题。
7.2在ADAMS窗体的右下角,用鼠标右键点击Information按钮
。
7.3在弹出的级联图标中选择Verification图标
,弹出信息窗口。
模型验证无误后,关闭信息窗口。
模型建立完成后,对模型进行仿真。
8.设置A点支撑力的测量
8.1鼠标右键点击单败A点,选择JOINT_1然后选择Measure,弹出铰接测量对话框,在Characteristic栏选择Force,component栏选择mag(幅值)。
设定完毕单击OK按钮;
8.2出现一个空白测量窗口。
9运行仿真
图2-6单摆转角测量曲线
9.1点击工具箱中仿真图标
,系统打开参数设置对话框,将EndTime设为0.5,Step设为50。
9.2点击开始按钮
,单摆开始摆动,测量曲线如图2-6所示。
10.获得支承反力
10.1在测量窗口的空白处点鼠标右键,选择Plot:
scht1—transfertofullplot,如图2-7所示,在ADAMS/Postprocessor环境下绘制测量曲线;
10.2选择plotTracking图标
。
要求计算时的条件即为开始仿真时的条件,把鼠标置于仿真曲线的开始位置;
10.3窗口顶端,X为仿真时间,y为支撑力,即要计算的支撑力,结果显示为10.72N。
图2-7铰接点处作用反力测量曲线
五、思考题
1.请尝试在摆臂中心处设置测量点,并模拟出摆臂在该中心点处的运动位移、速度和加速度?
2.设置单摆的初始位置和初速度不同时,请模拟出单摆的运动情况?
3.进行动力学模拟时,参数Endtime和Steps分别表示什么含义?
六、实验报告
按照以下要求递交实验报告
1.建模要求
把摆臂建模完成图抓图1幅,粘贴于实验报告中,并对作图过程作简要叙述。
2.施加运动副和驱动要求
把单摆运动机构施加运动副和驱动完成的图抓图1幅,粘贴于实验报告中,并对施加的运动副和驱动作简要叙述。
3.模拟结果要求
把摆臂的运动位移、速度、加速度模拟出来,抓其中1幅图,粘贴于实验报告中,并对模拟结果作简要的叙述。
实验三弹簧阻尼器机构的动力学模拟
一、实验目的
1.掌握多体动力学分析软件ADAMS中实体建模方法;
2.掌握ADAMS中施加约束和驱动的方法;
3.计算出弹簧阻尼机构运动时,弹簧振子的位移、速度、加速度和弹簧位移与弹簧力的对应关系。
二、实验设备和工具
1.ADAMS软件;
2.CAD/CAM机房。
三、实验原理
按照弹簧阻尼器机构的实际工况,在软件中建立相应的几何、约束及驱动模型,即按照弹簧阻尼器机构的实际尺寸,建立弹簧、阻尼器和质量块的几何实体模型;质量块的运动为上下作自由衰减运动,可以理论简化为在质量块与大地之间建立平动副,弹簧、阻尼器共同连接到连接大地和质量块上;然后利用计算机进行动力学模拟,从而可以求得质量块在弹簧阻尼器连接下任何时间、任何位置所对应的位移、速度加速度,以及弹簧中位移和弹性恢复力之间的对应关系等一系列参数,变换弹簧、阻尼器和质量块的参数可以进行多次不同状态下的模拟。
四、实验步骤
M:
187.224Kg
K:
5.0N/mm
C:
0.05N-sec/mm
L0:
400mm
F0:
0
图3-1弹簧阻尼器机构示意图
1.问题描述
图3-1为弹簧阻尼器机构简图,M为振子,质量为187.224kg;弹簧刚度K=5N/mm,阻尼器阻尼为C=0.05N/mm,弹簧空载长度为400mm,求当弹簧阻尼机构振动时,铰接点A处的支撑力。
2.启动ADAMS
2.1运行ADAMS2005,在欢迎界面中,选择Createanewmodel,Modelname输入spring_mass;
2.2确认Gravity(重力)文本框中是EarthNormal(-GlobalY),Units(单位)文本框中是MMKS(mm,kg,N,s,deg)。
3.建立几何模型
3.1单击F4显示坐标窗口;
3.2在主工具箱中选择Box工具按钮
建立一质量块,用默认尺寸即可;
3.3在屏幕任意位置点击鼠标创建质量块;
3.4右键点击质量块,选择part_2,然后选择Rename,更名为mass;
3.5右键点击质量块,选择mass,然后选择Modify。
在打开的对话框中修改Definemassby项为UserInput,在Mass栏输入187.224;
3.6选择右视图按钮
查看质量块的位置,进行调整栅格位于质量块的中心。
选择Edit菜单下的Move项,在对话框中选择Relocatethe项为Part,右键点击右侧文本框选择Part,出现Guesses然后选择mass,如图3-2所示。
图3-2选择移动质量块
3.7在Translate下方的数字栏中输入-100,或者输入100再单击前面的按钮
,如图3-3所示;
图3-3移动对话框
3.8设置完毕后,单击Z轴方向按钮,使质量块中心位于工作栅格位置,选择正视按钮
,显示栅格便于建模;
4.施加运动副
为了确保质量块的运动只沿Y轴移动,添加一平动副。
选择工具箱中的平动副按钮
,选择质量块和大地为对象,Y轴为运动方向。
如图3-4所示。
图3-4添加平动副
5.设置弹簧和阻尼器参数
5.1选择工具栏中的弹簧阻尼器按钮
,设置参数:
K=ON,K=5.0;C=ON,C=0.05;
5.2设置完毕,选择质量块中心点,以及点击沿Y轴向上400mm的位置,即相当于与大地建立弹簧连接,如图3-5所示;
图3-5建立弹簧阻尼器模型
5.3为了确定弹簧在空载时长度为400mm,选择菜单栏中Tools菜单中的Measuredistance,在测量对话框中FirstMarkerName栏单击鼠标右键,选择position然后选择pick,选择质量块的中心点mass.cm,在secondMarkerName栏单击鼠标右键,选择position然后选择pick,选择弹簧的上顶点ground.MARKER_5;
5.4设置完毕,单击OK按钮。
测量信息窗口如图3-6,Y轴距离为-400mm。
图3-6测量信息窗口
6.对弹簧阻尼器机构仿真分析
6.1测量静平衡时弹簧力的大小,选择工具箱中的仿真按钮
,选择工具箱下侧的计算静平衡按钮
,计算成功会出现提示。
6.2计算完毕单击返回按钮
,右键点击弹簧选择spring_1,然后选择Measure,在打开的测量对话框中Characteristic选择force,在MeasureName栏输入spring_force,单击OK按纽,建立一测量力的窗口。
为了只测量力的大小,在测量窗口内单击鼠标右键并选择Measuremodify,在修改力函数对话框中加上绝对值函数ABS(),如图3-7所示;
图3-7修改测量力函数
6.3根据弹簧力测量曲线,起始位置即静平衡时弹簧力为1836N,即质量块的重力:
187.224kg*9806.65mm/s2(=1836.04N)。
测量曲线如图3-8所示;
6.4继续测量弹簧的变形曲线。
右键点击弹簧选择spring_1,然后选择Measure,在打开的测量对话框中Measurename输入spring_displace,Characteristic选择Deformation,建立空白的位移测量窗口;
图3-8弹簧力测量曲线
6.5选择工具箱中的仿真按钮
,设置仿真时间EndTime为2,Steps为50,开始仿真,位移曲线如图3-9所示;
图3-9弹簧变形曲线
图3-10测量曲线参数设置
6.6在力测量曲线窗口空白处单击鼠标右键,选择plot:
scht1---Transfertofullplot,切换到ADAMS/Postprocessor
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