《机械系统建模与仿真》试卷

答题卡
1.①机械系统是机器和机构的总称，它由许多构件和零件组成。

零件是组成机器的最小单元。

若将一部机器进行拆卸，拆到不可再拆的最小单元就是零件。

从制造工艺角度来看，零件也是加工的最小单元。

构件通常是由若干零件组成的。

如压缩机中的连杆，它由连杆体、轴套、轴瓦、螺栓和螺母等零件组成，这些零件刚性地联接在一起组成—个刚性系统，机器运动时作为一个整体独立运动。

所以，构件是出若干零件组成的一个刚性系统，是机械系统运动的最小单元。

当然构件也可以仅出一个零件组成。

机构是由两个以上具有相对运动的构件系统组成的，机构的作用在于传递运动或改变运动的形式。

机器是由若干机构组成的系统。

例如，内燃机包含曲柄滑块机构、齿轮结构和控制进气与排气的凸轮机构。

在机构中，每一个构件都以一定的方式与其他构件相互连接。

相互连接的两构件既保持直接接触，又能产生一定的相对运动。

我们把两构件直接接触而又能产生一定形式的相对运动的连接称为运动副。

40多年来,我国在建模与仿真(ModelingandSimulation)方面发展迅速并取得了很大成就。

建模与仿真技术的应用已扩展到产品的全生命周期:方案论证、设计、制造、试验、使用、维护和训练。

建模与仿真技术最早应用于自动控制领域,飞机、导弹的飞行控制、制导系统采用数学仿真和半实物仿真进行分析试验,同时采用的是模拟计算机和面向方程的建模方法。

实践证明,建模与仿真所能应用的领域,都极大地促进了该领域的发展。

所以人们就开始把其应用于传统的机械系统中,从20世纪90年代至今,我国的研究人员对建模与仿真技术开展了研究,包括分布交互仿真、虚拟现实仿真、基于仿真的设计、虚拟样机、建模与仿真的重用和互操作性,以及分布虚拟环境等。

近几年随着计算机技术的迅速发展,新的建模与仿真技术也应运而生,其极大地推动了机械行业的发展,提高了经济效益。

机械工程中的虚拟样机技术又称为机械系统动态仿真技术，是20世纪80年代随着计算机技术的发展而迅速发展起来的一项新技术，其核心是机械系统运动学和动力学仿真技术，同时还包括三维CAD 建模技术、有限元分析技术、机电液控制技术、最优化技术等相关技术。

运用虚拟样机技术，可以大大简化机械产品的设计开发过程，大幅度缩短产品开发用期，大量减少产品开发费用和成本，明显提高产品质量，提高产品的系统级性能，获得最优化和创新的设计产品。

②建模的步骤与过程
首先，根据机械系统的功能与作用，抽象出机构简图，根据简图，采用三维软件或者动力学仿真软件建立各零件三维模型，并进行合理的装配，初步建立机械系统的虚拟样机模型。

其次，将建立的装配体导入动力学仿真软件或者在机械动力学仿真软件中直接建立模型，然后利用动力学仿真软件如ADAMS 建立系统的虚拟样机模型，包括零件、约束副、弹性连接、应用力和驱动等，进行动力学、运动学、静力学仿真分析。

最后，将仿真结果与实验数据进行比较，验证模型，否则进行优化设计，改进设计方案，在进行仿真分析，直至虚拟仿真结果和物理样机的测试结果趋于一致。

2.⑴ 如图为开槽机上用的急回机构，原动件BC 匀速转动，其中mm AB 200=，mm BC 300=，
mm l AD 100=，mm l DF 400=。

原动件为构件BC ，为匀速转动，角速度/rad s ωπ=,对该
机构进行运动分析和动力分析及优化。

图1 机构简图图2 虚拟样机模型
⑵对滑块相对于地面的位移、速度、加速度以及滑块和机架的受力情况进行分析。

在ADAMS/View工作窗口中用鼠标右键点击滑块F的移动副JOINT_9，选择Modify命令，在弹
出的修改对话框中选择测量（Measures）图标,在弹出的测量对话框中，将Component栏设置为X(因为在不考虑摩擦的条件下滑块和机架之间的受力方向为X轴方向），将From/At栏设置为PART_6.MARKER_25（或者ground.MARKER_26）（选择前者，表示测量的是滑块对机架的压力，选择后者，表示测量是机架对滑块的支持力，两力是一对作用力和反作用力，大小相等，方向相反）然后点击对话框下面的“OK”确认。

生成的力-时间曲线如图3所示。

位移、速度和加速度的测量的过程和力的过程几乎一样，只是在Characteristic项，分别选为Translational displacement、Translational velocity、Translational acceleration。

图4、图5和图6分别是时间位移曲线、时间速度曲线及时间加速度曲线。

图3 力和时间曲线图图4 时间位移曲线
图5 时间速度曲线图6 时间加速度曲线
⑶对滑块对机架的力进行优化分析
通过主工具箱中快捷图标创建参数化点point_8,选择点在构件上（即曲柄), 创建完成后，界面上会出现图标，这表示创建出的点。

创建实体圆球，球心和point_8重合，结果如图7所示。

图 7
创建设计变量在图形区，将鼠标移至球体附近，单击右键，在弹出菜单中选择Point_8，在其子菜单中选择Modify,弹出参数化点表，将光标移至其x坐标处，在对话框上部的编辑框中出现x值“-240”。

在该编辑框中右击鼠标，依次选择Parameterize、Create Design Variable、Real，则创建设计变量，.model_3.DV_1。

优化设置在Simulation菜单，选择Design Evaluation…，显示Design Evaluation Tools 对话框，设置如图8所示，点击Display，点击Start开始设计研究分析，仿真完成后，会自动弹出图9的对话框。

图 8 图9
优化分析最终优化结果如图10、图11、图12所示。

图10 滑块对机架最大力的优化图11 滑块正向最大位移的优化
图12 滑块速度的优化（左是最大速度优化；中为最小速度优化；右为平均速度优化）
⑷将与滑块相连接的副连杆换成柔性体
将连杆DF用柔性体替换，结果如图13所示，然后对滑块进行力、位移、速度、加速度进行分析，结果如图14、15、16、17所示。

图 14 力和时间曲线图 15 位移时间曲线
图16 速度时间曲线图17 加速度时间曲线
图18 刚体时的分析结果
仿真结果与刚体模型的分析结果（图18所示）进行对比可以发现:
1)在刚开始半个周期时（正方向），滑块对机架的力很大，达到1050N，是刚形体时的约2倍，随后力基本一致；
2）刚体与柔性体位移基本没有变化；
3）刚体与柔性体速度基本没有变化；
4）在刚开始半个周期时（反方向），滑块加速度很大，是刚体时的约2倍，随后基本一致。