曲柄连杆机构运动学仿真

课程设计任务书
目录
1 绪论 (1)
1.1CATIA V5软件介绍 (1)
1.2ADAMS软件介绍 (1)
1.3S IM D ESIGNER软件介绍 (2)
1.4本次课程设计的主要内容及目的 (2)
2 曲柄连杆机构的建模 (3)
2.1活塞的建模 (3)
2.2活塞销的建模 (5)
2.3连杆的建模 (5)
2.4曲轴的建模 (6)
2.5汽缸体的建模 (8)
3 曲柄连杆机构的装配 (10)
3.1将各部件导入CATIA装配模块并利用约束命令确定位置关系 (10)
4 曲柄连杆机构导入ADAMS (14)
4.1曲柄连杆机构各个零部件之间运动副分析 (14)
4.2曲柄连杆机构各个零部件之间运动副建立 (14)
4.3曲柄连杆机构导入ADAMS (16)
5 曲柄连杆机构的运动学分析 (17)
结束语 (21)
参考文献 (22)
1 绪论
1.1 CATIA V5软件介绍
CATIA V5(Computer-graphics Aided Three-dimensional Interactive Application)是法国Dassault公司于1975年开发的一套完整的3D CAD/CAM/CAE一体化软件。

它的内容涵盖了产品概念设计、工业设计、三维建模、分析计算、动态模拟与仿真、工程图的生成、生产加工成产品的全过程，其中还包括了大量的电缆和管道布线、各种模具设计与分析、人机交换等实用模块。

CATIA V5不但能保证企业内部设计部门之间的协同设计功能而且还可以提供企业整个集成的设计流程和端对端的解决方案。

CATIA V5大量应用于航空航天、汽车及摩托车行业、机械、电子、家电与3C产业、NC加工等领域。

由于其功能的强大而完美，CATIA V5已经成为三维CAD/CAM领域的一面旗帜和争相遵从的标准，特别是在航空航天、汽车及摩托车领域。

法国的幻影2000系列战斗机就是使用CATIA V5进行设计的一个典范；波音777客机则使用CATIA V5实现了无图纸设计。

另外，CATIA V5还用于制造米其林轮胎、伊莱克斯电冰箱和洗衣机、3M公司的粘合剂等。

CATIA V5不仅给用户提供了详细的解决方案，而且具有先进的开发性、集成性及灵活性。

CATIA V5的主要功能有：三维几何图形设计、二维工程蓝图绘制、复杂空间曲面设计与验证、三维计算机辅助加工制造、加工轨迹模拟、机构设计及运动分析、标准零件管理。

1.2 ADAMS软件介绍
ADAMS即机械系统动力学自动分析(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems)，该软件是美国MDI公司(Mechanical Dynamics Inc.)开发的虚拟样机分析软件。

目前，ADAMS己经被全世界各行各业的数百家主要制造商采用。

根据1999年机械系统动态仿真分析软件国际市场份额的统计资料，ADAMS软件销售总额近八千万美元、占据了51%的份额。

ADAMS软件使用交互式图形环境和零件库、约束库、力库，创建完全参数化的机械系统几何模型，其求解器采用多刚体系统动力学理论中的拉格郎日方程方法，建立系统动力学方程，对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析，输出位移、速度、加速度和反作用力曲线。

ADAMS软件的仿真可用于预测机械系统的性能、运动范围、
碰撞检测、峰值载荷以及计算有限元的输入载荷等。

ADAMS一方面是虚拟样机分析的应用软件，用户可以运用该软件非常方便地对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析。

另一方面，又是虚拟样机分析开发工具，其开放性的程序结构和多种接口，可以成为特殊行业用户进行特殊类型虚拟样机分析的二次开发工具平台。

ADAMS软件有两种操作系统的版本：UNIX版和Windows NT/2000版。

1.3 SimDesigner软件介绍
SimDesigner for CATIA V5 系列产品是构建于CAA V5的体系结构上，并与Dassault Systemes公司达成密切合作伙伴关系而开发。

Simdesigner使CATIA用户能够以集成和可扩展的方式获取MSC.Software公司仿真工具和技术，从而在整个产品生命周期中减少设计和物理试验的成本。

SimDesigner for CATIA V5产品家族由创成式（Generative）产品系列、接口类产品系列、垂直应用产品系列和针对特定学科的配置组成。

SimDesigner 创成式产品系列将MSC.Software仿真解决方案无缝集成到CAD环境中，侧重于对产品。

进行多学科综合的特性评估，例如结构线性、动力学、热、结构非线性等。

SimDesigner 接口类产品系列在CATIA环境与客户所拥有的独立的VPD产品之间提供了无缝的双向链接。

SimDesigner垂直应用类产品可以在CATIA V5环境下进行产品评估及流程知识的捕获、存储和重新利用，这些知识涉及产品制造、测试和验证等各个方面。

SimDesigner当前提供了三个产品配置，为解决特定类型的相关问题提供了一组分析产品。

1.4 本次课程设计的主要内容及目的
本次课程设计主要内容：利用CATIA软件中的零件设计模块对曲柄连杆机构的所有零件进行建模，然后利用软件的装配模块把曲柄连杆机构的所有组成零件按照一定的位置关系进行装配，最后利用ADAMS软件对曲柄连杆机构进行运动学仿真和分析。

本次课程设计的主要目的：通过完成以上的内容，对CATIA软件零件设计模块、装配模块和ADAMS软件运动仿真及分析的应用有了更加深入的了解，对软件的操作更加熟练，最终达到熟练掌握这门软件的目的。

2 曲柄连杆机构的建模
2.1 活塞的建模
活塞直径76mm，高61mm，裙部厚度3mm，活塞顶部厚20mm，活塞销孔直径18mm，活塞销孔中心到活塞顶部距离28.5mm，绘制活塞三维图步骤如下：
(1) 打开CATIA---开始---机械设计---零件设计，进入绘制活塞的工作模块(如图2.1)，点击平面图标并选XOY平面，将XOY平面平移400mm。

图2.1 零件设计模块
(2) 点击草图图标并选平移后的平面，进入草图绘制模块，点击画圆图标建圆，圆心坐标为(0,0)，半径为38mm。

(3) 点击退出工作台图标退出草图，点击凸台图标进行拉伸，拉伸61mm。

(4) 选择下底面并点击草图图标进入草图，点击画圆图标建圆，圆心(0,0)，半径35mm，点击直线图标做一条过圆心的直线，再点击平移图标，将直线向两侧各平移15mm。

(5) 点击断开图标，将圆与两条评议后的平行直线断开，点击快速修剪图标
将多余部分修剪掉(如图2.2)。

图2.2 绘制凹槽轮廓
(6) 点击退出工作台图标退出草图，点击凹槽图标打凹槽，深度51mm。

(7) 点击草图图标并选XOZ平面进入草图，点击画圆图标以(0，371.5)为圆心，半径9mm建圆。

(8) 点击退出工作台图标退出草图，点击凹槽图标，选中镜像范围，向两边各拉伸38mm(如图2.3)。

图2.3 打活塞销孔
2.2 活塞销的建模
活塞销直径18mm，长度73mm，绘制活塞销三维图步骤如下：
(1) 打开CATIA---开始---机械设计---零件设计，进入绘制活塞销的工作模块，点击平面图标并选XOZ平面，将XOZ平面平移-200mm。

(2) 点击草图图标并选平移后的平面进入草图绘制模块，点击画圆图标，以(0,0)为圆心，半径9mm建圆。

(3)点击退出工作台图标退出草图，点击凸台图标拉伸73mm成圆柱体(如图2.4)。

图2.4 拉伸活塞销
2.3 连杆的建模
连杆小头的内径18mm，外径27mm，厚28mm，连杆大头内径43mm，外径56mm，厚32mm，大头中心与小头中心距离150mm，杆身厚10mm，绘制连杆三维图步骤如下：
(1) 打开CATIA---开始---机械设计---零件设计，进入绘制连杆的工作模块。

(2) 点击草图图标并选XOZ平面进入草图绘制模块，点击画圆图标，以(0,0)为圆心，做两个同心圆，半径分别为9mm，13.5mm，点击退出工作台图标退出草图，点击凸台图标，选中镜像范围，向两边各拉伸14mm。

(3) 点击草图图标并选平移后的平面进入草图绘制模块，点击画圆图标，以(0,-150)为圆心，做两个同心圆，半径分别为21.5mm，28mm点击退出工作台图标退出草图，点击凸台图标，选中镜像范围，向两边各拉伸16mm。

(4) 点击草图图标并选XOY平面进入草图绘制模块，点击投影3D元素图标
将两同心圆柱体的轮廓线投影在XOY平面，点击双切线图标做直径为18mm和43mm圆的切线，然后点击断开图标将直径为27mm与56mm两圆和两条切线在交点处断开，点击快速修剪图标将多余部分修剪掉。

(5) 点击退出工作台图标退出草图，点击凸台图标，选中镜像范围，向两边各拉伸5mm(如图2.5)。

图2.5 镜像拉伸连杆体
2.4 曲轴的建模
曲轴直径41mm，长28mm，曲拐长128mm，宽66mm，厚20mm，两曲拐间的距离为34mm，飞轮直径80mm，厚4mm，绘制曲轴三维图如下：
(1) 打开CATIA---开始---机械设计---零件设计，进入绘制曲轴的工作模块，点击
平面图标并选XOZ平面，将XOZ平面平移200mm。

(2) 点击草图图标并选平移后的平面进入草图绘制模块，点击画圆图标，以(0,0)为圆心，半径为20.5mm建圆。

(3) 点击退出工作台图标退出草图，点击凸台图标拉伸28mm。

(4) 选择圆柱体的一个底面并点击草图图标进入草图，点击画圆图标，分别以(0,0)和(0,62)为圆心，33mm为半径建圆，点击双切线图标做两圆的外切线，点击断开图标将相切圆和相切直线在切点处断开，点击快速修剪图标将多余的线修剪掉(如图2.6)。

图 2.6 曲拐草图
(5) 点击退出工作台图标退出草图，点击凸台图标拉伸20mm，选曲拐的另一平面并点击草图图标进入草图，点击画圆图标，以(0,62)为圆心，半径为28mm 建圆。

(6) 点击退出工作台图标退出草图，点击凸台图标拉伸17mm，点击镜像图
标选中半径为28mm圆柱体的另一个面做全部实体的镜像(如图2.7)。

图2.7 镜像曲轴
2.5 汽缸体的建模
汽缸体长100mm，宽100mm，高362mm，曲轴中心到汽缸体上表面距离262mm，气缸深度125.5mm，绘制汽缸体的三维图如下：
(1) 打开CATIA---开始---机械设计---零件设计，进入绘制汽缸体的工作模块，点击平面图标并选XOY平面，将XOY平面平移1000mm。

(2) 点击草图图标并选平移后的平面进入草图绘制模块，点击居中矩形图标
，绘制以(0,0)为中心，边长为100mm的正方形。

(3) 点击退出工作台图标退出草图，点击凸台图标拉伸362mm，选择下底面并点击草图图标进入草图，点击画圆图标以(0,0)为圆心，半径38mm建圆，点击退出工作台图标退出草图，点击凹槽图标，凹槽深度342mm，点击草图图标并选XOZ平面进入草图绘制模块，点击画圆图标以(0,738)为圆心，半径20.5mm 建圆，点击退出工作台图标退出草图，点击凹槽图标选择镜像范围，凹槽深度向两侧各50mm，点击草图图标并选YOZ平面进入草图绘制模块，点击投影3D元
素图标将长方体的四个边投影在YOZ平面上，点击平移图标点击平移图标将上表面投影的直线向下平移145.5mm，将两侧面投影的直线分别向中间平移12mm，点击断开图标将平移后所得的直线在交点处断开，点击快速修剪图标将多余的线修剪掉，点击退出工作台图标退出草图，点击凹槽图标选择镜像范围，凹槽深度向两侧各50mm(如图2.8)。

图2.8 绘制汽缸体
3 曲柄连杆机构的装配
3.1 将各部件导入CATIA装配模块并利用约束命令确定位置关系
(1) 打开CATIA---开始---机械设计---装配设计，进入装配设计模块(如图3.1)。

图3.1 装配设计模块
(2) 点击现有部件图标再点击装配零件设计页面左边的，出现选择文件对话框(如图3.2)。

图3.2 文件选择对话框
(3) 依次点击活塞，连杆，活塞销，曲轴，汽缸体调出在CATIA零件设计中所有曲柄连杆机构的零部件(如图3.3)。

图3.3 CATIA零件设计中所有曲柄连杆机构的零部件
(4) 点击相合约束，再点击连杆小头轴线和活塞销轴线，将活塞销和连杆小头轴向定位(如图3.4)。

图3.4 活塞销和连杆小头轴向定位
(5) 点击操作图标，将活塞销插入到连杆小头衬套内(如图3.5)。

图3.5 活塞销插入到连杆小头衬套内
(6) 点击操作图标，将活塞移动到和活塞销，连杆小头差不多的轴线位置，点击相合约束，再点击活塞销孔轴线和活塞销轴线，将活塞销和活塞销孔轴向定位，点击操作图标，将活塞销和连杆小头插入活塞销孔内(如图3.6)。

图3.6 活塞移动到适当位置
(7) 点击接触约束图标，选择连杆大头和曲轴，选择曲面接触，点击操作图标
，将活塞，活塞销，连杆，曲轴装配起来(如图3.7)。

图3.7 活塞、活塞销、连杆、曲轴接触约束
(8) 点击相合约束，再点击活塞和汽缸体轴线，将活塞和汽缸体轴向定位，点击接触约束图标，选择曲轴和汽缸体上曲轴孔，选择曲面接触，点击操作图标，选沿Y轴拖动，将汽缸体，活塞，活塞销，连杆，曲轴飞轮组装配成整体(如图3.8)。

图3.8 汽缸体、活塞、活塞销、连杆、曲轴装配成整体
4 曲柄连杆机构导入ADAMS
4.1 曲柄连杆机构各个零部件之间运动副分析
点击桌面上SD图标，进入到仿真运动平台分析，开始---数字模型---SD Motion W0rkbench，点击文件---打开，导入装配零件(如图4.1)。

图4.1 仿真运动平台
任何一个机械要实现当初预设的运动，都需要在各个零部件之间建立各种运动副，分析部分汽缸体模型，机架应该选择在汽缸体上，因为它是各个零部件装配的基体组，各个零件都通过汽缸体的承载来实现相互之间的运动。

曲轴和汽缸体之间应该采用旋转副，因为它们之间是轴承和孔之间的配合，所以曲轴和连杆大头之间也应该采用旋转副。

活塞销采用全浮式支撑，这样活塞销不仅可以在连杆小头内运动，还可以在活塞销孔内运动，使活塞销磨损均匀。

活塞和汽缸壁之间应该采用移动副，这样才可以使活塞在汽缸壁内运动。

4.2 曲柄连杆机构各个零部件之间运动副建立
(1) 点击Insert a revolute joint图标，在Definition中，First Component选择曲轴，Second Component选择汽缸体，然后点击曲轴的一端作为Location。

再点击曲轴的
轴线，作为Axis Direction。

在Motion中，Motion Type选择速度(Velocity)，Constant Value 中输入转速3000转每分，点击确定(如图4.2)。

图4.2 建立曲轴和汽缸体之间的旋转副
(2) 依次点击曲轴和连杆大头，在曲轴和连杆大头结合处选择约束添加的位置，再选择旋转中心线。

(3) 依次点击连杆小头和活塞销，在连杆小头和活塞销结合处选择约束添加的位置，再选择旋转中心线。

(4) 依次点击活塞销和活塞，在活塞销和活塞结合处选择约束添加的位置，再选择旋转中心线。

(5) 点击Define a ground part图标，将汽缸体定义为机架，固定在大地上。

(6) 点击Insert a translational joint图标，在Definition中，First Component选择汽缸体，Second Component选择活塞，然后点击活塞的一端作为Location。

再点击活塞的轴线，作为Axis Direction，点击确定。

(7) 点击Simulate the current motion model图标，运动仿真时间0.1s，仿真的步数100，点击Start，等计算结束后，关闭对话框(如图4.3)。

(8) 点击Play SOM results图标，点击开始按钮，开始运动仿真，仿真运动结束，检查无误后，保存文件。

图4.3 Simulate中设置仿真参数
(9) 点击Export the current motion model图标，菜单Motion Model Export中选择With Geometry，Results Export中选择All，点击确定。

保存文件为*.cmd格式，并且保存在全英文目录文件夹下。

4.3 曲柄连杆机构导入ADAMS
(1) 点击桌面上ADAMS快捷方式图标，在开始出现菜单中的Start in目录选择到保存*.cmd文件目录文件夹下，点击OK。

(2) 选择File---import，在File To Read的右边框里右键，选择Browse，选择保存的*.cmd文件，点打开，再点OK(如图4.4)，文件被成功导入。

图4.4 文件导入对话框
5 曲柄连杆机构的运动学分析
(1) 将*.cmd文件导入ADAMS(如图5.1)。

图5.1 ADAMS仿真界面
(2) 点击运行图标，运行运动仿真，设定运动结束时间0.1，步数50，模拟曲柄连杆机构运动过程(如图5.2)。

图5.2 仿真参数的设置
(3) 右键选择活塞，点击Measure命令，Characteristic中选择CM position，即活塞的中心点的位移，Component中选择Z轴，点击OK，出现活塞关于Z轴方向上的位移曲线(如图5.3)。

图5.3 活塞关于Z轴上的位移曲线
(4) 同上步，Characteristic中选择CM velocity，即活塞的中心点的速度，点击OK，出现活塞关于Z轴上的速度曲线(如图5.4)。

图5.4 活塞关于Z轴上的速度曲线
(5) 同上步，Characteristic中选择CM acceleration，即活塞的中心点的加速度，点击OK，出现活塞关于Z轴上的加速度曲线(如图5.5)。

图5.5活塞关于Z轴上的加速度曲线
(6) 点击Plotting图标，进入ADAMS/Post Processor程序，在Measure列表中选择Part1_MEA_1，点击Add Curves按钮，再选择Part1_MEA_2和Part1_MEA_3，点击Add Curves按钮，得到活塞关于Z轴的位移-速度-加速度曲线(如图5.6)。

活塞运动的速度是一条正弦曲线，符合活塞运动的实际情况，活塞的节点运动图像也是正弦曲线。

图5.6 活塞关于Z轴的位移-速度-加速度曲线
(7) 右键选择曲轴，点击Measure命令，Characteristic中选择CM position，即曲轴的中心点的位移，Component中选择Z轴，点击OK，出现曲轴关于Z轴方向上的位移
曲线(如图5.7)。

图5.7 曲轴关于Z轴上的位移曲线
(8) 同上步，Characteristic中选择CM velocity，即曲轴的中心点的速度，点击OK，出现曲轴关于Z轴上的速度曲线(如图5.8)。

图5.8 曲轴关于Z轴上的速度曲线
(9) 同上步，Characteristic中选择CM acceleration，即活塞的中心点的加速度，点击OK，出现活塞关于Z轴上的加速度曲线(如图5.9)。

图5.9 曲轴关于Z轴上的加速度曲线
(10) 点击Plotting图标，进入ADAMS/Post Processor程序，在Measure列表中选择Part1_MEA_1，点击Add Curves按钮，再选择Part1_MEA_2和Part1_MEA_3，点击Add Curves按钮，得到活塞关于Z轴的位移-速度-加速度曲线(如图5.10)。

曲轴运动的速度是一条正弦曲线，符合曲轴运动的实际情况，曲轴的节点运动图像也是正弦曲线。

图5.10 曲轴关于Z轴的位移-速度-加速度曲线
结束语
1 课程设计的主要工作
本课题要求对曲柄连杆机构的建模，装配和仿真，通过阅读一些科技文献，对CATIA 在汽车设计方面做了详细的研究，发动机是汽车的心脏，曲柄连杆机构在发动机中起到了非常重要的作用，利用CATIA软件对曲柄连杆机构进行设计，选用软件中的机械设计中零部件设计模块进行三维建模，所画图形一目了然；用线框与线条模块进行曲面设计，所做图形清晰流畅；最后用ADAMS对曲柄连杆机构进行运动学仿真，得到的曲线一目了然的反映了运动过程。

2 课程设计中存在的不足
由于能力有限，在设计过程中，对于精度等方面略显不足。

由于时间比较仓促，曲柄连杆机构选用单缸，动力会不足。

参考文献
[1]江洪，李仲兴，陆利锋.CATIA基础教程.北京：机械工业出版社，2005.11 (2011.1重印)
[2] 陈家瑞.汽车构造(上册). 北京：机械工业出版社.2009.2 (2011.1重印)
[3] CHEN KE. MSC.ADAMS BASIC TRAINING AND EXAMPLES
[4] 李增刚. ADAMS入门详解与实例.北京：国防工业出版社.2006.4
[5] 朱新涛.CATIA V5机械设计从入门到精通. 北京：机械工业出版社.2011.7。