机械系统仿真

摘要：

本次课程设计主要事运用机械三维设计软件Solidworks 的COSMOSMotion 插件机械仿真，COSMOSMotion 可将物理运动与SolidWorks 中的装配体信息相结合通过将载荷从COSMOSMotion 无缝传入COSMOSWorks，可以直观显示零部件在单个时间点或整个仿真周期内的应力和位移。完成运动模拟运行后，COSMOSMotion 可提供各种结果可视化工具。通过这些工具，您可获得有关设计性能的高价值分析信息。

通过仿真的学习，我们可以初步了解仿真的基本思想及原理，对于三维设计系统仿真软件的使用也有一定初步的了解及其应用。

目录

摘要---------------------------------------1第一章机械方针的目的意义及任务

一．机械系统仿真的目的意义-----------------3二．机械系统仿真的任务---------------------3第二章机械仿真内容分析

一．平面连杆机构的运动仿真---------------------6 二．活塞式压气机的运动仿真---------------------8 三．凸轮机构运动学与动力学仿真----------------11 四．齿轮机构运动学与动力学仿真----------------14 第三章．总结与体会-------------------------16 参考文献-----------------------------------16

第一章机械系统仿真的目的意义及任务

一．机械系统仿真的目的意义

利用机械系统仿真软件，工程师可以在计算机上建立机械系统的模型，对模型进行各种动态性能分析，然后改进或优化样机设计方案。

机械系统仿真就是一总虚拟样机技术，其核心是利用计算机辅助分析技术进行机械系统的运动学和动力学分析，以确定系统及其各构件的在任意时刻的位置、速度和加速度，同时通过求解代数方程组来确定引起系统及其各构件运动所需要的作用力和反作用力。

运用这种技术，可以可以大大简化机械产品的设计开发过程，大幅度的缩短产品的开发周期，大量减少产品开发费用和成本，明显提高产品的质量，提高产品的性能，获得最优化和创新的设计产品。虚拟模型技术的应用贯串在整个设计过程当中。它甚至可以用在概念设计和方案论证中，设计师可以把自己的经验与想象结合在计算机里的虚拟模型里，让想象力和创造力充分发挥。

二．机械系统仿真的任务

1设计题目平面机构系统仿真分析

2主要内容

（1）平面连杆机构的运动仿真

（2）活塞式压气机的运动仿真

（3）凸轮机构运动学与动力学仿真

（4）齿轮机构运动学与动力学仿真

3具体要求

（1）平面铰链四杆机构如图1所示，其构件几何参数为：曲柄长L1=60mm，连杆长L2=100mm，摇杆长L3=150mm，机架长L4=160mm。在COSMOSMotion软件中对该铰链四杆机构进行运动模拟，并绘制连杆、摇杆质心位置处的运动轨迹、速度、加速度，以及机架上两运动副处的运动副反力和曲柄上的驱动力矩。

（2）活塞式压气机的实体模型示意图如图2所示，按表1所示压气机的工作过程及其对应的机构所处位置和受力数据对机构进行运动学模拟，绘制出活塞的运动轨迹、速度和加速度以及曲柄轴回转副的驱动力矩。

表1 活塞运转数据

（3）如图3所示摆动从动件凸轮机构，设凸轮以72m/s匀速转动，基圆半径R=50mm，滚子半径r=12mm，摆杆长L=120mm，凸轮回转中

心与摆杆的摆动中心距离a=150mm 。在COSMOSMotion 软件中对该凸轮机构进行曲线碰撞运动仿真和3D 碰撞接触状态动力学仿真分析，摆杆上的阻力矩自定，要求绘制出摆杆任意时刻的位置、角速度和角加速度。

（4）如图4所示齿轮机构的三维模型，分两种情况进行仿真分析：一是给出一个主动轮，三个齿轮之间添加三维碰撞约束，在碰撞力作用下主动轮带动其余两个齿轮转动，观察碰撞过程中齿轮角速度波动情况，二是用耦合方式仿真分析三个齿轮的理想运转情况。

活塞缸(e n g i n e b l o

活塞(p o s i t o n ) 曲柄轴（c r a n k s h a

f t

)

连杆（c o n r o a d )

图1 铰链四杆机构 图2 活塞式压气机

图3 摆动从动件凸轮机构 图4 齿轮机构

第二章机械仿真内容分析

一．平面连杆机构的运动仿真

平面铰链四杆机构如图1所示，其构件几何

参数为：曲柄长L1=60mm，连杆长L2=100mm，摇

杆长L3=150mm，机架长L4=160mm。在

COSMOSMotion软件中对该铰链四杆机构进行运动

模拟，并绘制连杆、摇杆质心位置处的运动轨迹、

速度、加速度，以及机架上两运动副处的运动副

反力和曲柄上的驱动力矩。

图1 铰链四杆机构

根据以上参数设置，进行系统仿真后，选择不同位置的plot 得出以下相关数据

曲线：

连杆质心处的运动轨迹，速度，加速度如图：（在z方向上速度加速度都为零）

摇杆质心处的运动轨迹，速度，加速度如图：

曲柄上的驱动力矩如图：

曲柄与机架的运动副反力如图：

摇杆与机架的运动副反力如图：

二．活塞式压气机的运动仿真

活塞式气压机是一种将机械能转化为势能的机构，其机构简图与汽车发动机活塞杆组相同。电动机通过皮带带动曲柄转动，由连杆推动活塞做移动，压缩气缸内的空气达到需要的压力，曲柄转一周，活塞往复移动一次，压气机的工作过程课分为吸气，压缩，排气。

活塞式压气机的实体模型示意图如图2所示，按表1所示压气机的工作过程及其对应的机构所处位置和受力数据对机构进行运动学模拟，绘制出活塞的运动轨迹、速度和加速度以及曲柄轴回转副的驱动力矩。

活塞缸(engineblock)

活塞(positon) 曲柄轴（crankshaft)

连杆（conroad)

表1 活塞运转数据

添加运动副进行参数设置，进行运动学和动力学仿真，得到以下相关的数据曲线

活塞质心在xyz 方向的位移，如下图

C M P o s i t i o n - X (m m )

C M P o s i t i o n - Z (m m )

活塞质心的速度在xyz 方向曲线及其合成曲线，如下图

活塞质心加速度xyz 方向曲线及其合成曲线，如下图

曲柄轴回转副的驱动力矩曲线，如下图（只有在z 方向存在）

三．凸轮机构运动学与动力学仿真

如图3所示摆动从动件凸轮机构，设凸轮以72m/s 匀速转动，基圆半径R=50mm ，滚子半径r=12mm ，摆杆长L=120mm ，凸轮回转中心与摆杆的摆动中心距离a=150mm 。在COSMOSMotion 软件中对该凸轮机构进行曲线碰撞运动仿真和3D 碰撞接触状态动力学仿真分析，摆杆上的阻力矩自定，要求绘制出摆杆任意时刻的位置、角速度和角加速度。

图3 摆动从动件凸轮机构

2D 碰撞运动仿真数据图 摆干任意时刻xyz 方向的位置图

C M P o s i t i o n - X (m m )

(m m

)

C M P o s i t i o n - Z (m m )

摆干任意时刻xyz 方向角速度图及其合成图

(

摆干任意时刻xyz 方向角加速度图及其合成图

)

(3D 碰撞接触状态动力学仿真 摆干任意时刻xyz 方向的位置图

C M P o s i t i o n - X (m m )

C M P o s i t i o n - Y (m m )

C M P o s i t i o n - Z (m m )

摆干任意时刻xyz 方向角速度图及其合成图

(

摆干任意时刻xyz 方向角加速度图及其合成图

)

(

四．齿轮机构运动学与动力学仿真

（4）如图4所示齿轮机构的三维模型，分两种情况进行仿真分析：一是给出一个主动轮，三个齿轮之间添加三维碰撞约束，在碰撞力作用下主动轮带动其余两个齿轮转动，观察碰撞过程中齿轮角速度波动情况，二是用耦合方式仿真分析三个齿轮的理想运转情况。

图4 齿轮机构

一由于碰撞齿轮角速度波动情况

耦合方式仿真分析三个齿轮理想运动情况

第三章．总结与体会

通过本次实验实验，初步了解了机械系统仿真的基本原理，对于仿真过程有了一个初步的了解，懂得了如何限制运动副以及设计运动驱动力，使机件运行。了解了如何设置如何让一些参数的设置，进行系统仿真，最后对机构进行运动学和动力学分析，确定系统及其各个构件的在任意时刻的位置、速度和加速度，同时通过求解代数方程组来确定引起统及其各个构件运动所需要的作用力和反作用力。运用机械系统仿真，可以大大简化产品开发过程，大幅度的缩短产品的开发周期，大量减少产品开发费用和成本，明显提高产品的质量，提高产品的性能，获得最优化和创新的设计产品。

参考文献

[1] 张均富. 机械系统仿真课程设计指导书，2007年.

[2] 张晋西，郭学琴. Solidworks及COSMOSMotion机械系统仿真.北京：清华大学出版社，2007.