多间隙平面机械系统动态性能分析

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机械系统动力学分析与仿真的发展方向及前沿

机械系统动力学分析与仿真的发展方向及前沿楼主发表于 2006-8-15 09:41 | 只看该作者 | 倒序看帖 | 打印机械系统动力学分析与仿真的发展方向及前沿（摘自陈立平主编《机械系统动力学分析及adams应用教程》）基于多体系统动力学的机械系统动力学分析与仿真技术，从二十世纪七十年代开始吸引了众多研究者，已解决了自动化建模和求解问题的基础理论问题，并于八十年代形成了一系列商业化软件，到了九十年代，机械系统动力学分析与仿真技术更已能成熟应用于工业界。

目前的研究重点表现在以下几个方面：（1）柔性多体系统动力学的建模理论多刚体系统的建模理论已经成熟，目前柔性多体系统的建模成了一个研究热点，柔性多体系统动力学由于本身既存在大范围的刚体运动又存在弹性变形运动，因而其与有限元分析方法及多刚体力学分析方法有密切关系。

事实上，绝对的刚体运动不存在，绝对的弹性动力学问题在工程实际中也少见，实际工程问题严格说都是柔性多体动力学问题，只不过为了问题的简化容易求解，不得不化简为多刚体动力学问题、结构动力学问题来处理。

然而这给使用者带来了不便，同一个问题必须利用两种分析方法处理。

大多商用软件系统采用的浮动标架法对处理小变形部件的柔性系统较为有效，对包含大变形部件的柔体多体系统会产生较大仿真分析误差甚至完全错误的仿真结论。

最近提出的绝对节点坐标方法，是对有限元技术的拓展和较大创新，在常规有限元中梁单元、板壳单元采用节点微小转动作为节点坐标，因而不能精确描述刚体运动。

绝对节点坐标法则采用节点位移和节点斜率作为节点坐标，其形函数可以描述任意刚体位移。

利用这种方法梁和板壳可以看作是等参单元，系统的质量阵为一常数阵，然而其刚度阵为强非线性阵，这与浮动标架法有截然不同的区别。

这种方法已成功应用于手术线的大变形仿真中。

寻求有限元分析与多刚体力学的统一近年来成为多体动力学分析的一个研究热点，绝对节点坐标法在这方面有极大的潜力，可以说绝对节点坐标法是柔性多体力学发展的一个重要进展。

数控机床机械高速高精动态性能研究

一
。
滚珠丝杠副）、电气元件（伺服电机、限位开关）。其中传动系统很大如等程度地影响着定位精度。在驱动力的传递过程中，动系统各部分机械刚度传的不同，将使一些刚度相对较小或带弹性的间隙发生弹性变形（当然丝杠与螺母之间的间隙也会在正向和反向运动时存在正反向误差）。在作用力的方向上，减少的位移量转变为存储了的势能，使工作台因为机械弹性变形的原因，在
基层党支部工作的建设与创新，从
定的层面上来讲，一个是发展的前提
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１前言数控机床的定位精度，是评价数控机床的质量和状态的重要技术指标之定位精度对其加工的工件质量有着举足轻重的影响。影响定位精度的原因有很多，包括数控装置、运动摩擦副（例如床身、导轨）、传动元件（如
图２伺服闭环控制
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图３定进给率的直线运动

多间隙对机构动力学性能影响研究

２４连杆变形分布．
图６反映了连杆变形分布情况，在与曲柄和滑块的连接端，连杆的变形量达到了１１．ｍｍ，间接增大了转动副的间隙，所以在机构设计时应增加连杆两端
的刚度。２５曲柄与连杆在Ｙ向和ｚ向的接触力分析．
图７曲柄与连杆在Ｙ向的接触力图８曲柄与连杆在Ｚ的接触力向从图７图８以观察到，和可曲柄与连杆在Ｙ向和ｚ的接触力中存在多处向波动，明曲柄与连杆连接处的间隙铰在接触、离和碰撞三种状态【说分１间转变。
教育时空
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多问隙对机构动力学性能影响研究
张春亮王媛媛
绍兴３２０）００１（江工业职业技术学院浙
图ｌ双间隙曲柄滑块机构图２曲柄与连杆脱离连接状态对心曲柄滑块机构不具有急回特性，借助于对心曲柄滑块机构进行建模（如图１）便于观察分析结果滑块与机架接触部位采用与实际一致的燕尾槽结构，以方便物理实验模型的制作。与机架、块与机架间采用理想的运动曲柄滑副连接，与连杆、与滑块间采用间隙铰模型，曲柄连杆间隙量为０５．ｍｍ，模建时分单间隙和双间隙两种情况来完成。２双间隙曲柄滑块机构仿真分析 ’ 借助ＳｌＷｏｋ／Ｃｓｓｔｒ行仿真分析。构件材料选用低碳ｏｉｒｓｏｍｏＭｏｉ￣ｄｏ进各钢，其它采用默认设置。曲柄与连杆、连杆与滑块间的连接采用实体接触的方式定义。２１曲柄角速度增加结果比较．曲柄角速度为６ＲＭ时机构运转正常，０Ｐ当角速度增加为１０Ｍ时，０ＲＰ机构运转过程中曲柄与连杆出现了脱离接触的状态（图２，明输入机件转速如）说越高，件出现失效的可能性越高。体出现的时机与机构的刚度有关。构具脱离连接的部位首先发生在曲柄与连接处，明距离输入端越近，说构件间的作用力起大，可能造成构件失效。越２２曲柄顺时针与逆时针转动结果比较．

机构动力学及间隙机构简介

1.机械动力学简介1.1定义机械动力学是研究机械在力作用下的运动和机械在运动中产生的力，并从力与运动的相互作用的角度进行机械的设计和改进的科学。

它是机械科学的一个重要分支。

1.2机械动力学的发展机械动力学的发展是基于人类社会生产力发展基础之上的，尤其是工业革命以来，随着生产力的飞速发展，机械动力学也逐步形成了一门学科。

在古代时期，人们的生产力水平非常低下，缺乏先进的动力，机构的运行速度非常低，在这种笨重的低速机构中，运动产生的惯性力对机构的影响不是特别明显，这就导致人们一直忽略动力学这个问题。

随着两次工业革命的爆发，人们的动力得到了空前的发展，推动了人类社会进入机械化的时代，尤其是第二次世界大战之后，人类社会的生产力更是发生了翻天覆地的变化，人类对机器的需求逐渐向高速化、精密化、轻量化、自动化发展，在这种高速轻量机构中，运动产生的惯性力会对机构的正常运转产生严重影响，从而使人们的视野移向动力学这个问题上，促进了机械动力学的发展。

20世纪90年代以来，随着纳米技术的兴起，人类还发展起来了微机械系统，从而产生了微机械动力学。

1.3机械动力学概述机械动力学在当代获得了高速发展，呈现出全新的面貌。

一方面。

机械动力学在纵向已发展为包括动力学建模、动力学分析、动力学仿真、动力学设计、减振与动力学控制，以及状态监测和故障诊断等～系列领域的内容丰富的综合学科。

另一方面，在横向，形成了机构动力学、传动动力学、转子动力学、机器人动力学、机床动力学和车辆动力学等多个分支领域。

在余老师的课堂上，我们主要围绕机构动力学这个横向课题探讨了动力学建模，动力学分析、动力学设计等问题。

1.3.1研究内容⑴基本问题：①动力学正问题：给定力求运动，即已知输入转矩和工作阻力求解运动规律。

②动力学逆问题：给定运动反求力，即已知机器的运动状态和工作阻力求解输入转矩和运动副反力。

⑵专题问题：①机构的动力平衡机构在运转过程中，其各个部件由于存在实际的质量和转动惯量会产生周期性的惯性作用，这种惯性作用随着机构运转速度的提高而增加。

机床动态分析

机床动态设计随着高速切削技术的发展推动了各种数控机床的出现及迅速发展。

新颖的机械结构系统使现代数控机床比传统的数控机床的运动速度提高了5-10倍，与此相应它对动态性能的要求比传统机床提高了很多倍。

这就使得我国数控机床的水平与国际先进水平的差距更大。

主要表现在：可靠性差、应变能力差、产品开发周期长、设计手段落后等，并且业内人士意识到我国数控机床的薄弱环节已从数控系统转移到机械系统。

但传统的机床设计主要是经验设计和实验相结合，其步骤是:经验设计—样机试制—样机测试—改进设。

这种方法耗费大量的人力和财力，且周期长，效果差。

因此长期沿用的以经验设计为主的落后设计方法必须改变。

Error: A mesh could not be generated using the current meshing options and settings. Hint: The problem geometry areas might have been highlighted. Switching to wireframe mode may make them more visible. Project>Model>Mesh 5/4/2010 2:06:17 PM1 机械结构动态设计的发展传统的设计方法越来越难以满足市场的迅速变化，同时，很难综合考虑各方面的约束条件，得到的往往只是复杂问题的可行方案，而非最优方案，也难以很好的满足机械设备动态特性要求。

对产品进行动态优化设计，可以在很大程度上解决此类问题，其特点是把问题解决在设计阶段，其优点是代价较小，能够适应当前激烈的市场竞争的需要。

机械结构动态设计是一项涉及现代动态分析，计算机技术，产品结构动力学理论，设计方法学等众多科学领域的高新技术。

其基本思想是对按功能要求设计的结构图纸或要改进的机械结构进行动力学建模，并做动特性分析。

根据对其动特性的要求或预定的动态设计目标，进行结构修改，再设计和结构重分析，直到满足结构动特性的设计要求。

机械系统的动态性能分析与优化

机械系统的动态性能分析与优化一、引言机械系统作为工程设计中的一个重要部分，其动态性能对系统的功能和效率起着至关重要的作用。

本文将对机械系统的动态性能进行分析，并提出一些优化的方法和技术。

二、机械系统动态性能的分析机械系统的动态性能主要指系统在运行过程中受到外部激励时的响应能力。

为了全面了解机械系统的动态性能，需要对以下几个方面进行分析。

1.动态特性参数分析机械系统的动态特性参数包括自然频率、阻尼比、模态形态等。

自然频率是指系统在无外力作用下，自发地振荡的频率；阻尼比衡量系统振荡的衰减程度。

通过对这些参数的分析，可以评估系统的动态响应能力。

2.振动模态分析振动模态分析是研究机械系统在不同模态下的振动特性。

通过模态分析，可以了解系统在不同振动模态下的振型、振动频率和能量分布情况。

这对于系统的设计和优化具有重要的参考价值。

3.动力学分析动力学分析是指通过建立机械系统的动力学模型，分析系统在受到外部力作用下的运动规律。

通过动力学分析，可以计算系统的加速度、速度和位移等参数，进而评估系统的性能。

三、机械系统动态性能的优化针对机械系统动态性能的分析，可以提出以下几种优化的方法和技术。

1.结构优化结构优化是通过改变机械系统的结构参数，以提高系统的动态性能。

例如，增加刚度可以提高系统的自然频率，减小阻尼可以减少系统的振动衰减时间。

同时，在结构材料的选择上，也可以根据系统的运行条件和频率要求进行优化，以实现更好的动态性能。

2.控制优化控制优化是通过引入主动或被动控制系统，对机械系统的动态响应进行调节。

例如，利用主动振动控制器可以实现对系统振动的主动调节，用以抑制系统的共振现象和降低振动幅值。

被动控制包括阻尼器和隔振系统等，通过吸收或消散系统的振动能量，降低系统的振动水平。

3.仿真优化仿真优化通过建立系统的数学模型，并进行仿真分析，来评估系统在不同参数配置下的动态性能。

利用仿真优化可以快速地比较不同设计方案的优劣，并优化系统的设计。

机械设计基础掌握机械系统的动态分析方法

机械设计基础掌握机械系统的动态分析方法机械系统的动态分析是机械设计的重要环节之一，它可以帮助工程师预测和评估机械系统在运行过程中的动态响应、振动特性以及可能存在的问题。

掌握机械系统的动态分析方法对于设计出性能优良、稳定可靠的机械系统至关重要。

本文将介绍几种常用的机械系统动态分析方法。

一、模态分析模态分析是一种常用的机械系统动态分析方法，它通过求解机械系统的模态方程来研究机械系统的振动特性。

在进行模态分析时，我们需要确定系统的初始条件和边界条件，选择适当的求解方法，如有限元法或模态实验法，并使用相应的工具进行求解。

模态分析可以帮助我们确定机械系统的自然频率、振型以及在外力作用下的响应情况，为后续的设计和优化提供基础。

二、频谱分析频谱分析是一种基于频域的动态分析方法，它通过将机械系统的信号转换到频域中来研究系统的振动特性。

在进行频谱分析时，我们通常使用傅里叶变换将时域信号转换为频域信号，并绘制振幅-频率图谱。

频谱分析可以帮助我们确定机械系统的主要频率成分以及它们的相对振幅，从而提供有关系统振动特性的详细信息。

三、响应分析响应分析是一种对机械系统在外力作用下的响应进行研究的动态分析方法。

在进行响应分析时，我们需要考虑系统的结构特性、质量分布以及外力的作用方式，并使用适当的求解方法进行计算。

响应分析可以帮助我们预测机械系统的动态响应，并对系统的设计进行评估和优化。

四、动力学仿真动力学仿真是一种利用计算机模型对机械系统的动态行为进行模拟和分析的方法。

通过建立机械系统的数学模型，并考虑系统的结构、材料特性、外力等因素，我们可以使用数值方法求解系统的动态行为。

动力学仿真可以模拟机械系统在不同负载条件下的响应、振动特性以及可能存在的问题，为工程师提供参考和决策依据。

结论机械系统的动态分析在机械设计中具有重要的作用，它可以帮助工程师了解机械系统在运行过程中的振动特性、响应行为以及可能存在的问题。

在实际应用中，我们可以根据具体情况选择适当的动态分析方法，并结合其他设计工具和方法进行综合分析和评估。

机械系统的动态优化分析

机械系统的动态优化分析机械系统是由不同的组件和元件组成的复杂系统，它们能够通过各种运动实现特定的功能。

在机械系统的设计和运行过程中，动态优化分析起着重要的作用。

动态优化分析可以帮助工程师更好地理解机械系统的运行状态，优化系统的性能以及预测未来可能发生的问题。

一、机械系统的动态行为分析机械系统的动态行为是指系统在运行过程中产生的振动、冲击、噪音等现象。

要深入了解机械系统的动态行为，需要对系统进行动态分析。

动态分析可以通过数学模型和仿真软件来实现。

数学模型通过建立数学方程来描述机械系统各个部件的运动规律。

常用的数学模型包括运动学模型和动力学模型。

运动学模型用于描述系统中各个部件之间的位置和速度关系，而动力学模型则进一步考虑系统中的力和能量转换过程。

仿真软件可以通过计算机程序模拟机械系统的运动过程。

常见的仿真软件有MATLAB、ANSYS等。

通过仿真软件，工程师可以对机械系统进行各种操作，如施加力、变换形状等，进而模拟系统的动态行为。

二、动态优化分析是指在了解机械系统的动态行为的基础上，进一步优化系统的性能。

动态优化分析可以分为减振优化、噪音优化和冲击优化等。

减振优化是指通过减少系统振动来提高系统运行的舒适度和稳定性。

减振优化的方法包括使用减振器、调节系统的固有频率等。

在减振优化过程中，需要通过模型分析和仿真软件来评估不同减振方法对系统性能的影响。

噪音优化是指通过降低系统噪音来提升系统的工作环境和舒适度。

噪音优化的方法包括采用降噪技术、隔音材料等。

在噪音优化过程中，需要通过模型分析和仿真软件来评估不同噪音控制方法的效果。

冲击优化是指通过减少系统的冲击加载来提高系统的寿命和可靠性。

冲击优化的方法包括降低系统的冲击加载、改进系统的结构等。

在冲击优化过程中，需要通过模型分析和仿真软件来评估不同冲击优化方法的效果。

三、机械系统的动态优化分析应用案例动态优化分析在机械系统的设计和运行中有着广泛的应用。

以汽车发动机为例，通过动态优化分析可以优化发动机的燃烧过程，提高燃油利用率和减少排放。

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（ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃａｎｄＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＢａｏｊｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＡｒｔｓａｎｄＳｃｉｅｎｃｅｓ，ＳｈａａｎｘｉＢａｏｊｉ７２１０１６，Ｃｈｉｎａ）
摘
要：在考虑多间隙的条件下，对机械系统的运动学
模型，其次，选取了Ｆｌｏｒｅｓ接触力模型建立了间隙关节元素之间的法向接触力，并利用修正的“ Ｃｏｕｌｏｍｂ ” 摩擦力
模型计算了摩擦力。最后，以平面曲柄滑块机构为例，在机械系统中分别考虑单个间隙和多间隙进行了对比分
析，并对不同尺寸的间隙关节进行了分别仿真，数值结果证明机械系统中引入间隙关节越多且间隙尺寸越大其
ｓｅｌｅｃｔｅｄｆｒｏｍｍａｎｙｃｏｎｔｃｔａｆｏｒｃｅｍｏｄｅｌ，ａｎｄｔｈｅｎｏｒｍａｌｃｏｎｔｃｔａｆｏｒｃｅｂｅｔｗｅｅｎｃｏｎｔｃｔａｂｏｄｉｅｓｓｉｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄｂｓｅａｄｏｎｔｈｅ
ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ．Ｔｈｅｎｕｍｅｒｉｃｌａｒｅｓｕｈｓｐｒｏｖｅｔｈａｔｔｈｅｂｉｇｓｉｚｅｃｌｅａｒｎｃａｅｎｄａｍｕｌｔｉｐｌｅｃｌｅａｒｎｃａｅｊｏｉｎｔｓｒｅａｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｉｎｔｏ
ＤｙｎａｍｉｃＡｎａｌｙｓｉｓｆｏｒＰｌａｎａｒＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍｓｗｉｔｈＭｕｌｔｉｐｌｅＣｌｅａｒａｎｃｅＪｏｉｎｔｓ
ＷＡＮＧＸｉａｏ — ｙｅ
Ｆｉｒｓｔｌｙ，ｔｈｅｋｉｎｅｍａｔｉｃｓｍｏｄｅｌｏｆｒｅｖｏｌｕｔｅｊｏｉｎｔｗｉｔｈｃｌｅａｒａｎｃｅｓｉｆｏｒｍｕｌａｔｅｄ．Ｓｅｃｏｎｄｌｙ，ｔｈｅＦｌｏｒｅｓｃｏｎｔａｃｔｆｏｒｃｅｍｏｄｅｌｉｓ
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｔｈｅｃｏｓｅｏｆｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇｍｕｌｔｉｐｌｅｃｌｅａｒａｎｃｅｊｏｉｎｔｓ，ｄｙｎａｍｉｃｐｅｆｏｒｍｎｃａｅｆｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌｓｙｓｔｅｍｓｉｓｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．
ｍｕｌｔｉｐｌｅｃｌｅｒａａｎｃｅｊｏｉｎｔｓａｒｅａｎｌａｙｚｅｄｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅ，ａｎｄｔｈｅｅｆｆｅｃｔｆｄｏｉｆｅｒｅｎｔｃｌｅｒａａｎｃｅｓｉｚｅｓｏｎｔｈｅｄｙｎａｍｉｃｐｅｆｏｒｍｎｃａｅｉｓ
第６期
２０１５年６月
机械设计与制造
ＭａｃｈｉｎｅｒｙＤｅｓｉｇｎ＆Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ１６５
多间隙平面机械系统动态性能分析
王肖烨
（宝鸡文理学院机械工程学院，陕西宝鸡７２１０１６）
动力学性能越恶化。
关键词：多间隙；接触力模型； “ Ｃｏｕｌｏｍｂ ” 摩擦力模型；间隙尺寸
中图分类号：ＴＨ１６；ＴＨ１１２文献标识码：Ａ文章编号：１００１ — ３９９７（２０１５）０６ — ０１６５ — ０４
Ｆｌｏｒｅｓｃｏｎｔｃｔａｆｏｒｃｅｍｏｄｅ１．Ｍｏｒｅｏｖｅｒ，ｔｎｇａｅｎｔｉｌａｃｏｎｔａｃｔｆｏｒｃｅｂｅｔｗｅｅｎｃｏｎｔａｃｔｂｏｄｅｉｓｓｉｆｏｒｍｕｌａｔｅｄｕｓｉｎｇａｍｏｄｆｅｉｄＣｏｕｌｏｍｂｓｒｉｆｃｔｉｏｎｏｄｍｅ１．Ｌａｓｔｌｙ，ｔｈｅｓｌｉｄｅｒ－ｃｒａｎｋｍｅｃｈａｎｓｉｍｓｉｔａｋｅｎａｎｅｘｍｐａｌｅ，ｉｓｔｄｙｎｍｉａｃｐｅ矿０ｒｍｎｃａｅｗｉｔｈｓｉｎｇｌｅｏｒ