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SY1407617李雪莹
《产品设计与虚拟样机》
第1次作业
姓名:
李雪莹
学号:
SY1407617
班级:
SY14076
2014-11-02
基于ADAMS的对心滑块机构的建模
与仿真分析
SY1407617李雪莹
北京航空航天大学机械工程及自动化学院(北京100191)
摘要
本文主要以对心曲柄滑块机构为背景,在ADAMS环境下创建机构模型并进行运动仿真。
重点介绍ADAMS部分常用模块的应用,通过对ADAMS虚拟样机模型的控制,实现对滑块运动参数的分析。
关键词:
ADAMS;曲柄滑块;建模;运动仿真;.
1、曲柄滑块机构的设计要求
1)题目设计要求
在图1所示的对心曲柄滑块机构中,已知曲柄为100cm×10cm×5cm的钢质杆,连杆为200cm×10cm×5cm的钢质杆,滑块为50cm×50cm×50cm的钢质正方体,作用在曲柄上的驱动力矩为M1=20N·m。
(1)试建立该曲柄滑块机构的虚拟样机模型;
(2)请仿真机构的虚拟样机模型,并测量获取滑块3在0s~20s运动时间内的位移、速度和加速度的变化规律。
图1曲柄滑块机机构
2)求解步骤:
首先创建一个对心曲柄滑块机构模型,然后通过对曲柄施加驱动力矩,对模型进行仿真计算。
测量出滑块在0~20s时间中的位移、速度以及加速度随时间而变化的图像,分析仿真结果得出滑块运动规律。
2、建立虚拟样机模型:
1)设置工作空间和网格
根据题目中的数据大小,在建模开始时可以对工作环境进行适当设定,
如图2所示:
图2工作空间和网格设定
2)创建曲柄滑块模型
1创建曲柄
曲柄的创建过程是:
a单击Llnk工具按钮,展开选项区;
b选中Length并输入100cm,选中Width并输入10cm,选中Depth并输入5cm。
c单击工作区中的(0,0,0)位置;
d垂直上移光标,当出现曲柄几何形体后,单击工作区,则曲柄被创建,如图3所示。
将该构件更名为Crank。
图3曲柄创建
2创建连杆
连杆的创建过程是:
a单击Llnk工具按钮,展开选项区;
b选中Length并输入200cm,选中Width并输入10cm,选中Depth并输入5cm。
c单击工作区中的(0,1000,0)位置;
d水平向右移动光标,单击工作区,则连杆被创建,如图4所示。
e选中连杆,点击旋转中心,然后再单击工作区中的(0,1000,0)位置,在Angle框中输入30,点击顺时针旋转,得到最终连杆位置,如图5所示,更改名称为link;
图4连杆创建
图5连杆位置调整
3创建滑块
滑块的创建过程是:
(1)创建滑块模型
创建滑块模型的方法是:
a单击BOX工具按钮,展开选项区:
b选中Length并输入50cm,选中Height并输入50cm,选中Depth并输入50cm
c单击曲柄右端点,则滑块被创建,如图6所示。
将该构件更名为slider。
图6滑块创建
(2)调整滑块的位置
按如下的方法调整滑块的位置:
a单击位姿变换工具按钮,展开选项区;
b单击选中的滑块slider;
c在Distance文本框输入250mm;
d单击左移工具按钮;
e在Distance文本框输入250mm;
f单击下移工具按钮,如图7所示;
g单击Select工具按钮;
h单击SetthevieworientationtoRight工具按钮。
I单击位姿变换工具按钮,展开选项区;
j在Distance文本框输入250mm;
k单击右移工具按钮,则滑块的几何中心被调整到与曲柄右端点重合的位置,如图8所示;
l单击Select工具按钮;
m单击SetthevieworientationtoFront工具按钮,则可以从正面看到滑块在机构中的相对位置。
图7滑块的正面位置调整
图8滑块的右面位置调整
4创建运动副
(1)创建转动副JOINT_A
a单击RevoluteJoint工具按钮,展开选项区;
b选择1Location和NormalToGrid;
c单击曲柄下端点,转动副被创建,将其更名为JOINT_A;
创建转动副JOINT_B
a单击RevoluteJoint工具按钮,展开选项区;
b选择2Bod-1Loc和NormalToGrid;
c单击曲柄Crank;d单击连杆link;
e单击曲柄和连杆的连接点,则转动副被创建,将其更名JOINT_B,
如图9所示。
创建转动副JOINT_C
a单击RevoluteJoint工具按钮,展开选项区;
b选择2Bod-1Loc和NormalToGrid;
c单击连杆link;d单击滑块slider;
e单击曲柄和滑块的连接点,则转动副被创建,将其更名JOINT_C,
如图9所示(换为经典模式添加转动副)。
图9机构的转动副建立
(2)创建移动副
创建移动副的方法:
a单击TranslationJoint工具按钮,展开选项区;
b在下拉列表框中选择2Bod-1Loc和PickFeature;
c单击滑块Slider;
d单击连杆Link;
e单击滑块的中心;
f移动光标,使方向沿着水平方向,单击工作区,则移动副被创建,将该机构更名JOINT_C2,如图10所示。
图10机构的移动副建立
3)施加运动
根据“曲柄的驱动力矩为M1=20N·m”的要求,具体操作如下
A.单击AppliedForce:
Torque工具按钮,展开选项区;
B.其他保持默认,勾选Torque,并输入20000;
C.点击曲柄,再点击曲柄下端点,可得力矩,更名为Torque_M,如图11;
图11驱动力矩的施加
3、仿真与测试
1)仿真模型
仿真模型的过程是:
a在MainToolbox中单击InteractiveSimulationControls工具按钮,展开选项区;
b选择EndTime并将其值设置为20s,选择Steps并将其设置为500,如图12所示;
c单击Starorcontinuesimulation工具按钮,则开始进行模型仿真。
图12仿真设置
2)模型测试
(1)滑块位移、速度、加速度的测量
按照如下步骤测量滑块的位移;
a右击滑块slider,在快捷菜单中选择Part:
Rocker/Measure菜单项,打开PartMeasure对话框;
b在Characteristic下拉列表选中CMposition;
e单击OK按钮即完成角速度的测量,测量结果如图13所示。
采用相同的方法,可以得到滑块速度、加速度测量曲线,如图14、15所示。
图13滑块位移测量曲线图
图14滑块速度测量曲线图
图15滑块加速度测量曲线图
4、测试结果的处理和分析
处理:
a在MainToolbox中单击Plotting工具按钮,打开Adams/PostProcessor模块;
b在source的下拉菜单中选择Measures;
c选择滑块位移曲线图,单击AddCurves按钮即完成测量曲线的编辑。
如图16所示。
d单击PlotTracking按钮;
c在测量曲线图中横向移动光标;
e随着光标的移动,对应的位置点的坐标可以显示出来。
图16滑块位移曲线分析图
分析:
1)由位移-时间图像可以看出,滑块做的是往复运动,其最大行程为曲柄长度的2倍,即2000mm(200cm)。
2)由速度-位移图可以看出,本机构是存在急回特性的。
从理论上讲对心曲柄滑块机构并不存在急回特性,但由于在仿真过程中加入了重力且其驱动为曲柄上的驱动力矩,所以带来了急回。
3)由加速度-时间图可以看出,滑块存在加速度尖点,且加速度值有骤变,不稳定,随着时间推进,加速度有一个减小的趋势。
5、结束语
运用ADAMS动力学仿真分析软件,可以快速方便的建立机构的模型,并对其进行运动与动力学模拟。
由于虚拟样机本身的特点,有别于物理样机,只要能够表达机构真实的运动情况即可,并不需要完全再现机构本身的所有细节。
通过对模型进行参数化,可以实现设计参数的可更改性和关联性,对提高设计效率和产品系列化有重要意义。
虚拟样机具有低成本,易复制,易系列化等特点,对于节约设计成本和缩短产品开发周期有重要意义。
本次仿真,在驱动力矩施加上出现了问题,发现单位问题,系统默认以mm为单位,输入力矩M1=20N·m时应换算单位为20000N·mm,否则会出现驱动力矩太小难以带动机构运行;且研究发现,相同仿真时间内步长越长,仿真结果精确性越高,这有些类似有限元分析时的网格划分,越密精度越高。
参考文献:
【1】郭卫东.虚拟样机技术与ADAMS应用实例教程[M].北京:
北京航空航天大学出版社,2009年2月.
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