系统动力学分析报告

机械系统动力学分析报告

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机械系统动力学分析报告

1引言

曲柄滑块机构（如图1所示）是机械设计中常用的一种机构，机构运动分析就是根据给定的原动件运动规律，求出机构中其他构件的运动。通过分析可以确定某些构件运动所需的空间，校验它们运动是否干涉，运动轨迹仿真动画则更为形象直观；速度分析可以确定机构从动件的速度是否合乎要求；加速度分析为惯性力计算提供加速度数据。因此，运动分析既是综合的基础，又是力分析的基础。通常可使用图解法和解析法来进行，图解法因其作图、计算工作量大、精度差的缺点，在实际工程设计应用中有很大的局限性。解析法的计算工作量很大，但随着计算机在工程设计领域的广泛应用，一些软件平台为解决复杂的工程计算提供了强有力的武器。Pro/E中的Mechanism模块就是模型运动仿真分析的一个很好的工具。

图1 曲柄滑块机构原理图

2 机构运动仿真的基础知识

机构仿真技术是通过计算机技术来模拟真实机构的运动过程，同时借助系统建模技术和可视化技术来实现机构仿真。 2．1机构连接类型简介

在机构运动仿真之前，必须对机构各组成元件进行连接。在装配模式中单击有关按钮，使用浏览的方式打开需要的元件，系统同时打开元件放置对话框。在对话框中单击Connections 按钮，使用鼠标激活连接类型中的选项，使其呈现深蓝色后，单击右侧的下拉列表按钮，可以看到Pro ／E 系统为我们提供的8种连接类型，在下拉列表中可以选取需要的连接类型。

2．2机构运动仿真的设计过程

机构运动仿真是在Pro ／E 系统的装配模式中进行的，其Mechanism 功能专门用来处理装配件的运动仿真。机构运动仿真的设计过程如图2所示，主要可分为以下几个步骤：

开始

三维实体建模

实体装配

添加驱动器

定义运动类型 仿阵分析

设置

连接 方式

修改零件尺寸

设置 外部 条件

对结果

是

结束

图2 机构运动仿真设计过程流程匡图

(1)创建机构首先确定各零件的形状、结构、尺寸和公差等，并在计算机上进行二维绘图和三维实体造型，然后通过装配模块完成各零件的组装，形成整机。在运用Pro／E在进行机构设计和运动仿真的过程中，机构的创建是一个很重要的步骤，机构没有创建好，后续的运动方针和模型分析等工作都不能够进行。

(2)使机构产生运动为了使机构模型能够运动起来，需进入

“Mechanism”模块向模型中添加驱动器。

(3)进行机构仿真完成原动件驱动添加后，要求对其定义运动类型

并设置运动环境，以此来进行机构运动仿真。

(4)查看和分析仿真结果，分析研究机构模型通过“回放结果”来

重新演示机构运动过程，检测干涉、定性分析从动运动特性，保存运动结果并创建视频文件。整个机构运动仿真的过程中，各步骤之间并非独立的，而是相互关联和影响的，通过分析仿真的结果，不断完善运动模型、变换运动的环境，才会使最终的设计结果趋向满意。

3 机构运动仿真综合设计

Pro／E机构运动仿真的主要工作就是完成装配和定义连接，添加驱动器，运动仿真和结果回放。将机构各元件使用三维实体建模模块创建后，存放在同一工作目录中。

3．1 创建元件连接

(1)创建机架的连接使用浏览的方式打开基架元件，并在系统缺省位置固定此机架零件作为基础。使用销钉的连接方式分别连接曲柄与基架。

(2)创建滑块的连接使用同上方式打开相关元件，使用销钉的连接方式使曲柄与滑块相连接，最终实现元件连接。

3．2 添加驱动器

(1)进入Mechanism模块。

(2)单击右工具箱中的相关按钮，在系统打开Servo Motors对话框中单击New按钮，新建一个驱动器，并将该驱动器安装在曲柄与基架的连接轴上。

(3)选中轮廓选项卡，在规范分组框中选择速度选项，在模分组框中选择常数项，并将A值设为“36”。

(4)单击相关按纽，擦看伺服电机的位移—时间曲线，如图3所示。单击OK按纽完成伺服电机的创建。

图3 伺服电机转角—时间曲线图

3．3 进行机构仿真

(1)单击相关按钮，在分析对话框中选择新建，打开分析定义对话框。

(2)在类型分组框中选择运动选项，在图形显示分组框中输入结束时间：“30”、帧频：“lO”、最小时间间隔：“0．1”。

(3)在分析对话框中单击播放按钮，即可观察曲柄滑块机构的运动。3．4 查看和分析仿真结果

(1)单击相关按钮，打开回放对话框，单击回放按钮，打开动画对话框，回放该机构的运动情况，单击按钮制作多媒体动画（见视频剪辑）。

(2)单击测量按钮，打开测量结果对话框，单击测量分组框中的测量定义按钮，弹出测量定义对话框。在滑盘顶端选取一点作为实测点（如图4所示）。在类型分组框中先后选择位置、速度和加速度选项，选择X 轴分量作为测量分量。

图4 模型实图以及实测点和实测方向

(3)回到测量结果对话框中，在结果集中选择AnalysisDefinit0n1

并单击，分别单击测量结果对话中的Measure1、Measure2和 Measure3

按钮，可得到活塞顶点处的位移、速度和加速度曲线图，如图5、图6和图7所示。

图5 位移-时间曲线图

图6 速度-时间曲线图

图7 加速度-时间曲线图

4 结论

从以上仿真过程可以看出，Pro／E提供了完善的仿真功能，使得原来在二维图纸上难以表达和设计的运动变得直观和易于修改。使用三维

实体建模模块创建模型后，既可模拟模型的运动过程，分析机构的运动轨迹、位移以及干涉等问题，还可以将仿真的结果输出，生成图片或视频文件，帮助科研人员完成机构设计，并且能够大大简化机构的设计开发过程，缩短其开发周期，减少开发费用。

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