曲柄連桿機構運動學仿真

1、沈陽理工大學課程設計 I 課程設計任務書課程設計任務書 學 院汽車與交通學院專 業(yè)車輛工程 學生姓名班級學號 課程設計題目曲柄連桿機構運動學仿真（1 缸） 要求：要求： 1 掌握應用CATIA軟件進行三維建模的能力，模型建立要正確。 2 掌握應用ADAMS軟件進行運動學分析的能力，運動副及約束的添加要正確， 仿真結果要合理 3 對分析結果進行分析及說明。 4 課程設計說明書的內容和格式要符合相關管理文件規(guī)定。 任務：任務：應用 CATIA 軟件完成曲柄連桿機構建模，利用 ADAMS 軟件完成曲柄 連桿機構的運動學分析，并完成課程設計說明書。 工作計劃：工作計劃：應用CATIA軟件作為設計工具，

2、完成曲柄連桿機構的建模，并利用 ADAMS進行曲柄連桿機構運動學分析。要求正確完成曲柄連桿機構的建模，并將 模型導入到ADAMS中完成運動學分析。對分析結果進行必要的說明。 進度安排：進度安排： 1、 理解題目要求，查閱資料，學習軟件，確定設計方案 1天 2、 曲柄連桿機構的實體建模 4天 3、 曲柄連桿機構的運動學仿真 3天 4、 說明書撰寫 1天 5、 答辯 1天 指導教師： 201 年 月 日 專業(yè)負責人： 201 年 月 日 學院教學副院長： 201 年 月 日 沈陽理工大學課程設計 II 目 錄 1 緒論.1 1.1 CATIA V5 軟件介紹.1 1.2 ADAMS 軟件介紹.1

3、1.3 SIMDESIGNER軟件介紹.2 1.4 本次課程設計的主要內容及目的.2 2 曲柄連桿機構的建模.3 2.1 活塞的建模.3 2.2 活塞銷的建模.5 2.3 連桿的建模.5 2.4 曲軸的建模.6 2.5 汽缸體的建模.8 3 曲柄連桿機構的裝配.10 3.1 將各部件導入 CATIA 裝配模塊并利用約束命令確定位置關系.10 4 曲柄連桿機構導入 ADAMS.14 4.1 曲柄連桿機構各個零部件之間運動副分析.14 4.2 曲柄連桿機構各個零部件之間運動副建立.14 4.3 曲柄連桿機構導入 ADAMS.16 5 曲柄連桿機構的運動學分析.17 結束語.22 參考文獻.23 沈

4、陽理工大學課程設計 0 1 緒論 1.1 CATIA V5 軟件介紹 CATIA V5(Computer-graphics Aided Three-dimensional Interactive Application)是法 國 Dassault 公司于 1975 年開發(fā)的一套完整的 3D CAD/CAM/CAE 一體化軟件。它的內 容涵蓋了產品概念設計、工業(yè)設計、三維建模、分析計算、動態(tài)模擬與仿真、工程圖 的生成、生產加工成產品的全過程，其中還包括了大量的電纜和管道布線、各種模具 設計與分析、人機交換等實用模塊。CATIA V5 不但能保證企業(yè)內部設計部門之間的協(xié) 同設計功能而且還可以提供企

5、業(yè)整個集成的設計流程和端對端的解決方案。CATIA V5 大量應用于航空航天、汽車及摩托車行業(yè)、機械、電子、家電與 3C 產業(yè)、NC 加工等 領域。 由于其功能的強大而完美，CATIA V5 已經成為三維 CAD/CAM 領域的一面旗幟 和爭相遵從的標準，特別是在航空航天、汽車及摩托車領域。法國的幻影 2000 系列戰(zhàn) 斗機就是使用 CATIA V5 進行設計的一個典范；波音 777 客機則使用 CATIA V5 實現 了無圖紙設計。另外，CATIA V5 還用于制造米其林輪胎、伊萊克斯電冰箱和洗衣機、 3M 公司的粘合劑等。CATIA V5 不僅給用戶提供了詳細的解決方案，而且具有先進的 開

6、發(fā)性、集成性及靈活性。 CATIA V5 的主要功能有：三維幾何圖形設計、二維工程藍圖繪制、復雜空間曲面 設計與驗證、三維計算機輔助加工制造、加工軌跡模擬、機構設計及運動分析、標準 零件管理。 1.2 ADAMS 軟件介紹 ADAMS 即機械系統(tǒng)動力學自動分析(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems)，該軟件是美國 MDI 公司(Mechanical Dynamics Inc.)開發(fā)的虛擬樣機分析軟 件。目前，ADAMS 己經被全世界各行各業(yè)的數百家主要制造商采用。根據 1999 年機 械系統(tǒng)動態(tài)仿真分析軟件國際市場份額的統(tǒng)計資料，AD

7、AMS 軟件銷售總額近八千萬美元、 占據了 51%的份額。 ADAMS 軟件使用交互式圖形環(huán)境和零件庫、約束庫、力庫，創(chuàng)建完全參數化的 機械系統(tǒng)幾何模型，其求解器采用多剛體系統(tǒng)動力學理論中的拉格郎日方程方法，建 沈陽理工大學課程設計 1 立系統(tǒng)動力學方程，對虛擬機械系統(tǒng)進行靜力學、運動學和動力學分析，輸出位移、 速度、加速度和反作用力曲線。ADAMS 軟件的仿真可用于預測機械系統(tǒng)的性能、運 動范圍、碰撞檢測、峰值載荷以及計算有限元的輸入載荷等。 ADAMS 一方面是虛擬樣機分析的應用軟件，用戶可以運用該軟件非常方便地對 虛擬機械系統(tǒng)進行靜力學、運動學和動力學分析。另一方面，又是虛擬樣機分析開發(fā)

8、 工具，其開放性的程序結構和多種接口，可以成為特殊行業(yè)用戶進行特殊類型虛擬樣 機分析的二次開發(fā)工具平臺。ADAMS 軟件有兩種操作系統(tǒng)的版本：UNIX 版和 Windows NT/2000 版。 1.3 SimDesigner 軟件介紹 SimDesigner for CATIA V5 系列產品是構建于 CAA V5 的體系結構上，并與 Dassault Systemes 公司達成密切合作伙伴關系而開發(fā)。 Simdesigner 使 CATIA 用戶能夠以集成和可擴展的方式獲取 MSC.Software 公司仿真 工具和技術，從而在整個產品生命周期中減少設計和物理試驗的成本。 SimDesig

9、ner for CATIA V5 產品家族由創(chuàng)成式（Generative）產品系列、接口類產 品系列、垂直應用產品系列和針對特定學科的配置組成。 SimDesigner 創(chuàng)成式產品系列將 MSC.Software 仿真解決方案無縫集成到 CAD 環(huán)境 中，側重于對產品。 進行多學科綜合的特性評估， 例如結構線性、動力學、熱、結構非線性等。 SimDesigner 接口類產品系列在 CATIA 環(huán)境與客戶所擁有的獨立的 VPD 產品之間提供 了無縫的雙向鏈接。 SimDesigner 垂直應用類產品可以在 CATIA V5 環(huán)境下進行產品 評估及流程知識的捕獲、存儲和重新利用，這些知識涉及產品制

10、造、測試和驗證等各 個方面。 SimDesigner 當前提供了三個產品配置，為解決特定類型的相關問題提供了一組分 析產品。 1.4 本次課程設計的主要內容及目的 本次課程設計主要內容：利用 CATIA 軟件中的零件設計模塊對曲柄連桿機構的所 有零件進行建模，然后利用軟件的裝配模塊把曲柄連桿機構的所有組成零件按照一定 的位置關系進行裝配，最后利用 ADAMS 軟件對曲柄連桿機構進行運動學仿真和分析。 沈陽理工大學課程設計 2 本次課程設計的主要目的：通過完成以上的內容，對 CATIA 軟件零件設計模塊、 裝配模塊和 ADAMS 軟件運動仿真及分析的應用有了更加深入的了解，對軟件的操作 更加熟練

11、，最終達到熟練掌握這門軟件的目的。 2 曲柄連桿機構的建模 2.1 活塞的建模 活塞直徑 76mm，高 61mm，裙部厚度 3mm，活塞頂部厚 20mm，活塞銷孔直徑 18mm，活塞銷孔中心到活塞頂部距離 28.5mm，繪制活塞三維圖步驟如下： (1) 打開 CATIA-開始-機械設計-零件設計，進入繪制活塞的工作模塊(如圖 2.1)，點擊平面圖標并選 XOY 平面，將 XOY 平面平移 400mm。 圖 2.1 零件設計模塊 (2) 點擊草圖圖標并選平移后的平面，進入草圖繪制模塊，點擊畫圓圖標建 圓，圓心坐標為(0,0)，半徑為 38mm。 (3) 點擊退出工作臺圖標退出草圖，點擊凸臺圖標進

12、行拉伸，拉伸 61mm。 (4) 選擇下底面并點擊草圖圖標進入草圖，點擊畫圓圖標建圓，圓心(0,0)， 半徑 35mm，點擊直線圖標做一條過圓心的直線，再點擊平移圖標，將直線向 沈陽理工大學課程設計 3 兩側各平移 15mm。 (5) 點擊斷開圖標，將圓與兩條評議后的平行直線斷開，點擊快速修剪圖標 將多余部分修剪掉(如圖 2.2)。 圖 2.2 繪制凹槽輪廓 (6) 點擊退出工作臺圖標退出草圖，點擊凹槽圖標打凹槽，深度 51mm。 (7) 點擊草圖圖標并選 XOZ 平面進入草圖，點擊畫圓圖標以(0，371.5)為圓 心，半徑 9mm 建圓。 (8) 點擊退出工作臺圖標退出草圖，點擊凹槽圖標，選

13、中鏡像范圍，向兩 邊各拉伸 38mm(如圖 2.3)。 沈陽理工大學課程設計 4 圖 2.3 打活塞銷孔 2.2 活塞銷的建模 活塞銷直徑 18mm，長度 73mm，繪制活塞銷三維圖步驟如下： (1) 打開 CATIA-開始-機械設計-零件設計，進入繪制活塞銷的工作模塊，點 擊平面圖標并選 XOZ 平面，將 XOZ 平面平移-200mm。 (2) 點擊草圖圖標并選平移后的平面進入草圖繪制模塊，點擊畫圓圖標， 以(0,0)為圓心，半徑 9mm 建圓。 (3)點擊退出工作臺圖標退出草圖，點擊凸臺圖標拉伸 73mm 成圓柱體(如圖 2.4)。 沈陽理工大學課程設計 5 圖 2.4 拉伸活塞銷 2.3

14、 連桿的建模 連桿小頭的內徑 18mm，外徑 27mm，厚 28mm，連桿大頭內徑 43mm，外徑 56mm，厚 32mm，大頭中心與小頭中心距離 150mm，桿身厚 10mm，繪制連桿三維圖 步驟如下： (1) 打開 CATIA-開始-機械設計-零件設計，進入繪制連桿的工作模塊。 (2) 點擊草圖圖標并選 XOZ 平面進入草圖繪制模塊，點擊畫圓圖標，以 (0,0)為圓心，做兩個同心圓，半徑分別為 9mm，13.5mm，點擊退出工作臺圖標退 出草圖，點擊凸臺圖標，選中鏡像范圍，向兩邊各拉伸 14mm。 (3) 點擊草圖圖標并選平移后的平面進入草圖繪制模塊，點擊畫圓圖標， 以(0,-150)為圓

15、心，做兩個同心圓，半徑分別為 21.5mm，28mm 點擊退出工作臺圖標 退出草圖，點擊凸臺圖標，選中鏡像范圍，向兩邊各拉伸 16mm。 (4) 點擊草圖圖標并選 XOY 平面進入草圖繪制模塊，點擊投影 3D 元素圖標 將兩同心圓柱體的輪廓線投影在 XOY 平面，點擊雙切線圖標做直徑為 18mm 和 43mm 圓的切線，然后點擊斷開圖標將直徑為 27mm 與 56mm 兩圓和兩條切線 在交點處斷開，點擊快速修剪圖標將多余部分修剪掉。 (5) 點擊退出工作臺圖標退出草圖，點擊凸臺圖標，選中鏡像范圍，向兩 邊各拉伸 5mm(如圖 2.5)。 沈陽理工大學課程設計 6 圖 2.5 鏡像拉伸連桿體 2

16、.4 曲軸的建模 曲軸直徑 41mm，長 28mm，曲拐長 128mm，寬 66mm，厚 20mm，兩曲拐間的距 離為 34mm，飛輪直徑 80mm，厚 4mm，繪制曲軸三維圖如下： (1) 打開 CATIA-開始-機械設計-零件設計，進入繪制曲軸的工作模塊，點擊 平面圖標并選 XOZ 平面，將 XOZ 平面平移 200mm。 (2) 點擊草圖圖標并選平移后的平面進入草圖繪制模塊，點擊畫圓圖標， 以(0,0)為圓心，半徑為 20.5mm 建圓。 (3) 點擊退出工作臺圖標退出草圖，點擊凸臺圖標拉伸 28mm。 (4) 選擇圓柱體的一個底面并點擊草圖圖標進入草圖，點擊畫圓圖標，分別 以(0,0)

17、和(0,62)為圓心，33mm 為半徑建圓，點擊雙切線圖標做兩圓的外切線，點 擊斷開圖標將相切圓和相切直線在切點處斷開，點擊快速修剪圖標將多余的線 修剪掉(如圖 2.6)。 沈陽理工大學課程設計 7 圖 2.6 曲拐草圖 (5) 點擊退出工作臺圖標退出草圖，點擊凸臺圖標拉伸 20mm，選曲拐的另 一平面并點擊草圖圖標進入草圖，點擊畫圓圖標，以(0,62)為圓心，半徑為 28mm 建圓。 (6) 點擊退出工作臺圖標退出草圖，點擊凸臺圖標拉伸 17mm，點擊鏡像圖 標選中半徑為 28mm 圓柱體的另一個面做全部實體的鏡像(如圖 2.7)。 沈陽理工大學課程設計 8 圖 2.7 鏡像曲軸 2.5 汽

18、缸體的建模 汽缸體長 100mm，寬 100mm，高 362mm，曲軸中心到汽缸體上表面距離 262mm，氣缸深度 125.5mm，繪制汽缸體的三維圖如下： (1) 打開 CATIA-開始-機械設計-零件設計，進入繪制汽缸體的工作模塊，點 擊平面圖標并選 XOY 平面，將 XOY 平面平移 1000mm。 (2) 點擊草圖圖標并選平移后的平面進入草圖繪制模塊，點擊居中矩形圖標 ，繪制以(0,0)為中心，邊長為 100mm 的正方形。 (3) 點擊退出工作臺圖標退出草圖，點擊凸臺圖標拉伸 362mm，選擇下底 面并點擊草圖圖標進入草圖，點擊畫圓圖標以(0,0)為圓心，半徑 38mm 建圓， 點擊

19、退出工作臺圖標退出草圖，點擊凹槽圖標，凹槽深度 342mm，點擊草圖 圖標并選 XOZ 平面進入草圖繪制模塊，點擊畫圓圖標以(0,738)為圓心，半徑 20.5mm 建圓，點擊退出工作臺圖標退出草圖，點擊凹槽圖標選擇鏡像范圍， 凹槽深度向兩側各 50mm，點擊草圖圖標并選 YOZ 平面進入草圖繪制模塊，點擊 投影 3D 元素圖標將長方體的四個邊投影在 YOZ 平面上，點擊平移圖標點擊平移 沈陽理工大學課程設計 9 圖標將上表面投影的直線向下平移 145.5mm，將兩側面投影的直線分別向中間平 移 12mm，點擊斷開圖標將平移后所得的直線在交點處斷開，點擊快速修剪圖標 將多余的線修剪掉，點擊退出

20、工作臺圖標退出草圖，點擊凹槽圖標選擇鏡 像范圍，凹槽深度向兩側各 50mm(如圖 2.8)。 圖 2.8 繪制汽缸體 3 曲柄連桿機構的裝配 沈陽理工大學課程設計 10 3.1 將各部件導入 CATIA 裝配模塊并利用約束命令確定位置關系 (1) 打開 CATIA-開始-機械設計-裝配設計，進入裝配設計模塊(如圖 3.1)。 圖 3.1 裝配設計模塊 (2) 點擊現有部件圖標再點擊裝配零件設計頁面左邊的，出 現選擇文件對話框(如圖 3.2)。 圖 3.2 文件選擇對話框 (3) 依次點擊活塞，連桿，活塞銷，曲軸，汽缸體調出在 CATIA 零件設計中所有 沈陽理工大學課程設計 11 曲柄連桿機構

21、的零部件(如圖 3.3)。 圖 3.3 CATIA 零件設計中所有曲柄連桿機構的零部件 (4) 點擊相合約束，再點擊連桿小頭軸線和活塞銷軸線，將活塞銷和連桿小頭 軸向定位(如圖 3.4)。 圖 3.4 活塞銷和連桿小頭軸向定位 (5) 點擊操作圖標，將活塞銷插入到連桿小頭襯套內(如圖 3.5)。 沈陽理工大學課程設計 12 圖 3.5 活塞銷插入到連桿小頭襯套內 (6) 點擊操作圖標，將活塞移動到和活塞銷，連桿小頭差不多的軸線位置， 點擊相合約束，再點擊活塞銷孔軸線和活塞銷軸線，將活塞銷和活塞銷孔軸向定 位，點擊操作圖標，將活塞銷和連桿小頭插入活塞銷孔內 (如圖 3.6)。 圖 3.6 活塞移

22、動到適當位置 沈陽理工大學課程設計 13 (7) 點擊接觸約束圖標，選擇連桿大頭和曲軸，選擇曲面接觸，點擊操作圖標 ，將活塞，活塞銷，連桿，曲軸裝配起來(如圖 3.7)。 圖 3.7 活塞、活塞銷、連桿、曲軸接觸約束 (8) 點擊相合約束，再點擊活塞和汽缸體軸線，將活塞和汽缸體軸向定位，點 擊接觸約束圖標，選擇曲軸和汽缸體上曲軸孔，選擇曲面接觸，點擊操作圖標 ，選沿 Y 軸拖動，將汽缸體，活塞，活塞銷，連桿，曲軸飛輪組裝配成整體(如圖 3.8)。 沈陽理工大學課程設計 14 圖 3.8 汽缸體、活塞、活塞銷、連桿、曲軸裝配成整體 4 曲柄連桿機構導入 ADAMS 4.1 曲柄連桿機構各個零部件

23、之間運動副分析 點擊桌面上 SD 圖標，進入到仿真運動平臺分析，開始-數字模型-SD Motion W0rkbench，點擊文件-打開，導入裝配零件(如圖 4.1)。 圖 4.1 仿真運動平臺 任何一個機械要實現當初預設的運動，都需要在各個零部件之間建立各種運動副， 分析部分汽缸體模型，機架應該選擇在汽缸體上，因為它是各個零部件裝配的基體組， 各個零件都通過汽缸體的承載來實現相互之間的運動。曲軸和汽缸體之間應該采用旋 轉副，因為它們之間是軸承和孔之間的配合，所以曲軸和連桿大頭之間也應該采用旋 轉副。活塞銷采用全浮式支撐，這樣活塞銷不僅可以在連桿小頭內運動，還可以在活 塞銷孔內運動，使活塞銷磨損

24、均勻?；钊推妆谥g應該采用移動副，這樣才可以 使活塞在汽缸壁內運動。 4.2 曲柄連桿機構各個零部件之間運動副建立 (1) 點擊 Insert a revolute joint 圖標，在 Definition 中，First Component 選擇曲 軸，Second Component 選擇汽缸體，然后點擊曲軸的一端作為 Location。再點擊曲軸 沈陽理工大學課程設計 15 的軸線，作為 Axis Direction。在 Motion 中，Motion Type 選擇速度(Velocity)，Constant Value 中輸入轉速 3000 轉每分，點擊確定(如圖 4.2)。 圖

25、 4.2 建立曲軸和汽缸體之間的旋轉副 (2) 依次點擊曲軸和連桿大頭，在曲軸和連桿大頭結合處選擇約束添加的位置，再 選擇旋轉中心線。 (3) 依次點擊連桿小頭和活塞銷，在連桿小頭和活塞銷結合處選擇約束添加的位置， 再選擇旋轉中心線。 (4) 依次點擊活塞銷和活塞，在活塞銷和活塞結合處選擇約束添加的位置，再選擇 旋轉中心線。 (5) 點擊 Define a ground part 圖標，將汽缸體定義為機架，固定在大地上。 (6) 點擊 Insert a translational joint 圖標，在 Definition 中，First Component 選擇 汽缸體，Second Com

26、ponent 選擇活塞，然后點擊活塞的一端作為 Location。再點擊活 塞的軸線，作為 Axis Direction，點擊確定。 (7) 點擊 Simulate the current motion model 圖標，運動仿真時間 0.1s，仿真的 步數 100，點擊 Start，等計算結束后，關閉對話框(如圖 4.3)。 (8) 點擊 Play SOM results 圖標，點擊開始按鈕，開始運動仿真，仿真運動結 束，檢查無誤后，保存文件。 沈陽理工大學課程設計 16 圖 4.3 Simulate 中設置仿真參數 (9) 點擊 Export the current motion mode

27、l 圖標，菜單 Motion Model Export 中選 擇 With Geometry，Results Export 中選擇 All，點擊確定。保存文件為*.cmd 格式，并 且保存在全英文目錄文件夾下。 4.3 曲柄連桿機構導入 ADAMS (1) 點擊桌面上 ADAMS 快捷方式圖標，在開始出現菜單中的 Start in 目錄選 擇到保存*.cmd 文件目錄文件夾下，點擊 OK。 (2) 選擇 File-import，在 File To Read 的右邊框里右鍵，選擇 Browse，選擇保存 的*.cmd 文件，點打開，再點 OK(如圖 4.4)，文件被成功導入。 圖 4.4 文件導

28、入對話框 沈陽理工大學課程設計 17 5 曲柄連桿機構的運動學分析 (1) 將*.cmd 文件導入 ADAMS(如圖 5.1)。 圖 5.1 ADAMS 仿真界面 (2) 點擊運行圖標，運行運動仿真，設定運動結束時間 0.1，步數 50，模擬曲 柄連桿機構運動過程(如圖 5.2)。 圖 5.2 仿真參數的設置 (3) 右鍵選擇活塞，點擊 Measure 命令，Characteristic 中選擇 CM position，即活塞 的中心點的位移，Component 中選擇 Z 軸，點擊 OK，出現活塞關于 Z 軸方向上的位 移曲線(如圖 5.3)。 沈陽理工大學課程設計 18 圖 5.3 活塞關

29、于 Z 軸上的位移曲線 (4) 同上步，Characteristic 中選擇 CM velocity，即活塞的中心點的速度，點擊 OK，出現活塞關于 Z 軸上的速度曲線(如圖 5.4)。 圖 5.4 活塞關于 Z 軸上的速度曲線 (5) 同上步，Characteristic 中選擇 CM acceleration，即活塞的中心點的加速度，點 擊 OK，出現活塞關于 Z 軸上的加速度曲線(如圖 5.5)。 沈陽理工大學課程設計 19 圖 5.5 活塞關于 Z 軸上的加速度曲線 (6) 點擊 Plotting 圖標，進入 ADAMS/Post Processor 程序，在 Measure 列表 中

30、選擇 Part1_MEA_1，點擊 Add Curves 按鈕，再選擇 Part1_MEA_2 和 Part1_MEA_3，點擊 Add Curves 按鈕，得到活塞關于 Z 軸的位移-速度-加速度曲線(如 圖 5.6)。活塞運動的速度是一條正弦曲線，符合活塞運動的實際情況，活塞的節(jié)點運 動圖像也是正弦曲線。 圖 5.6 活塞關于 Z 軸的位移-速度-加速度曲線 (7) 右鍵選擇曲軸，點擊 Measure 命令，Characteristic 中選擇 CM position，即曲軸 沈陽理工大學課程設計 20 的中心點的位移，Component 中選擇 Z 軸，點擊 OK，出現曲軸關于 Z 軸方向上的位 移曲線(如圖 5.7)。 圖 5.7 曲軸關于 Z 軸上的位移曲線 (8) 同上步，Characteristic 中選擇 CM ve