曲柄連桿機構運動學仿真

1、實用文檔課程設計任務書學院汽車與交通學院專業(yè)車輛-L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：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：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：應用CATI儆件作為設計工具，完成曲柄連桿機構的建模，并利用ADAMS行曲柄連桿機構運動學分析。要求正確完成曲

2、柄連桿機構的建模，并將 模型導入到ADAMS完成運動學分析。對分析結果進行必要的說明。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 月日文案大全實用文檔目錄1 緒論11.1 CATIAV5軟件介紹11.2 ADAM軟件介紹11.3 SMDESIGNE欹件介紹21.4 本次課程設計的主要內容及目的 22 曲柄連桿機構的建模32.1 活塞的建模32.2 活塞銷的建模52.3 連桿的建模52.4 曲軸的建模

3、62.5 汽缸體的建模83 曲柄連桿機構的裝配103.1 將各部件導入CATIA裝配模塊并利用約束命令確定位置關系 104 曲柄連桿機構導入ADAMS 144.1 曲柄連桿機構各個零部件之間運動副分析 144.2 曲柄連桿機構各個零部件之間運動副建立 144.3 曲柄連桿機構導入 ADAMS 165 曲柄連桿機構的運動學分析 17結束語 21參考文獻22文案大全實用文檔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197

4、5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

5、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(xiàn)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

6、 of Mechanical System ,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(shù)百家主要制造商采用。根據(jù)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，ADAMSC件銷售總額近八千萬美元、 占據(jù)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(shù)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

7、仿真可用于預測機械系統(tǒng)的性能、運動范圍、文案大全實用文檔碰撞檢測、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)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

8、 Systeme必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。SimDesigner 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

9、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。本次課程設計的主要目的

10、：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，最終達到熟練掌握這門軟件的目的。文案大全實用文檔2曲柄連桿機構的建模2.1 活塞的建?；钊睆?6mm,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-開始一機械設計一零件設計，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 因并選平移后的平面，

11、進入草圖繪制模塊，點擊畫圓圖標 匚建圓，圓心坐標為(0,0),半徑為38mm。(3)點擊退出工作臺圖標尚退出草圖，點擊凸臺圖標列進行拉伸,拉伸61mm。(4)選擇下底面并點擊草圖圖標 塾進入草圖，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,將直線向兩側各平移15mm。/7 I(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)。文案大全實用文檔圖2.2繪制凹槽輪廓(6)點擊退出工作臺圖標 由退出草圖，點擊凹槽圖標其打凹槽，深度51mm。 點擊草圖圖標 且并選XOZ平面進入草圖，點擊畫圓圖標 以(0

12、, 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 旦，選中鏡像范圍，向兩 邊各拉伸38mm(如圖2.3)。定義凹博,圖2.3打活塞銷孔文案大全實用文檔2.2 活塞銷的建?；钊N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-200mm0(2)點擊草圖圖標 及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 乳拉伸73mm成圓

13、柱體(如圖2.4)。圖2.4拉伸活塞銷0 n.，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rh退出草圖,點擊凸臺圖標“，選中鏡像范圍，向兩邊各拉伸14mm2.3 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：打開CATIA-開始機械設計零件設計，進入繪制連桿的工作模塊。點擊草圖圖標 并選XOZ平面進入草圖繪制模塊，點擊圓圓圖標文案大全實用文檔(3)點擊草圖圖標 及并選平移后的平面進入草圖繪制模塊， 點擊畫圓圖標 &

14、#176;，,以 (0,-150)為圓心，做兩個同心圓，半徑分別為21.5mm, 28mm點擊退出工作臺圖標 F退 出草圖，點擊凸臺圖標 沌，選中鏡像范圍，向兩邊各拉伸16mm。(4)點擊草圖圖標 區(qū)并選XOY平面進入草圖繪制模塊，點擊投影3D元素圖標 五 將兩同心圓柱體的輪廓線投影在 XOY平面，點擊雙切線圖標 二做直徑為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I將多余部分修剪掉。(5)點擊退出工作臺圖標由退出草圖，點擊凸臺圖標孔,選中鏡像范圍，向兩邊各拉伸5mm(如圖2.5)。圖2.5鏡像拉伸連桿體2.4 曲軸的

15、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-開始一機械設計一零件設計，進入繪制曲軸的工作模塊，點擊文案大全實用文檔平面圖標"并選XOZ平面，將XOZ平面平移200mm。(2)點擊草圖圖標 區(qū)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出退出草圖，點擊凸臺圖標鐘拉伸28mm。(4)選擇圓柱體的一個底面并點擊草圖圖標 以進入草圖，點擊畫圓圖標C，分別 以(0,0)和(0,62)

16、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7將多余的線修剪 掉(如圖2.6)圖2.6 曲拐草圖(5)點擊退出工作臺圖標“退出草圖，點擊凸臺圖標乳拉伸20mm,選曲拐的另 國(*) I一平面并點擊草圖圖標 t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 乳拉伸17mm,點擊鏡像圖文案大全實用文檔標選中半徑為28mm圓柱體的另一個面做全部實體的鏡像(如圖2.7)圖2.7鏡像曲軸2.5 汽缸體的建模汽缸體長100mm,寬100mm,高3

17、62mm,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-開始一機械設計一零件設計，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 0；并選平移后的平面進入草圖繪制模塊，點擊居中矩形圖標三，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 刈拉伸362mm,選擇下底面、一，一一一一囪 一一 ，一一一 0 ，一. ，并點擊草圖圖標 ，進入草圖，點擊圓圓圖標 以(0,0)為圓心，半徑38mm建圓，點,也

18、 r 1, , I,1,、1,擊退出工作臺圖標 T退出草圖，點擊凹槽圖標 一 ,凹槽深度342mm,點擊草圖圖標國(*) IT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，半彳至20.5mm建圓，點擊退出工作臺圖標 由退出草圖，點擊凹槽圖標 區(qū)選擇鏡像范圍，凹槽深度 ，一.一一一一必、，, 一向兩側各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兀文案大全實用文檔素圖標 員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圖標 1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

19、所得的直線在交點處斷開，點擊快速修剪圖標7,將多余的線修剪 掉，點擊退出工作臺圖標 出退出草圖，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）輪廊,曲面選擇更箜二|鏡像范圍反轉方向圖2.8繪制汽缸體文案大全實用文檔3曲柄連桿機構的裝配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-開始一機械設計一裝配設計，進入裝配設計模塊（如圖3.1） CATUii-Plwijctli開玲 曰m"弓,叩 交性 解輯 祝困&>.工具 身折 耐口 耀助'Applications由煬O 乳噂原二泳裝庚申野隊A a田口，,園區(qū)I圖3

20、.1裝配設計模塊點擊現(xiàn)有部件圖標號再點擊裝配零件設計頁面左邊的時同而,出現(xiàn)選擇文件對話框（如圖3.2）圖3.2文件選擇對話框文案大全實用文檔(3)依次點擊活塞，連桿，活塞銷，曲軸，汽缸體調出在 CATIA零件設計中所有曲柄連桿機構的零部件(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)點擊相合約束豺,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)。文案大全實用文檔圖3.5活塞銷插入到連桿小頭襯套內(6)點擊操作圖標 諭,將活塞移動到和活塞銷，連

21、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 編，將活塞銷和連桿小頭插入活塞銷孔內(如圖3.6)。圖3.6活塞移動到適當位置文案大全實用文檔(7)點擊接觸約束圖標旗，選擇連桿大頭和曲軸，選擇曲面接觸，點擊操作圖標璃,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、曲軸接觸約束選7a 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圖3.8汽缸體、活塞、活塞銷、連桿、曲軸裝配成整體(8)點擊相合約束 豺,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 砂,選擇曲軸和汽缸體

22、上曲軸孔，選擇曲面接觸，點擊操作圖標 嘉，(如圖3.8)。文案大全實用文檔4 曲柄連桿機構導入 ADAMS4.1 曲柄連桿機構各個零部件之間運動副分析點擊桌面上SD圖標鼻,進入到仿真運動平臺分析，開始-數(shù)字模型-SD MotionWorkbench,點擊文件一打開，導入裝配零件(如圖4.1)。，三，加癇修叫南諭邯=靚用電電網型夕田工吹區(qū)國開蠟宏口簿文件回憫牖£暫困:U»AG；'工反小的口國卻生m 幫助囿圖4.1仿真運動平臺任何一個機械要實現(xiàn)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

23、組， 各個零件都通過汽缸體的承載來實現(xiàn)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. 忌 一一一 一皿(1)，點擊 Insert a revolute joint 圖標 , 在 Definition 中，F(xiàn)irst Component選擇曲軸，Second Componen破擇汽缸體，然后點擊曲軸的一端作為

24、Location0再點擊曲軸的文案大全實用文檔軸線，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

25、 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,的軸線,Second Componen破擇活塞，然后點擊活塞的一端作為 Location0再點擊活塞 作為Axis Direction，點擊確定。,運動仿真時間0.1s,仿真的明點擊 Simulate the current motion model 圖標步數(shù)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

26、真運動結束, 檢查無誤后，保存文件文案大全實用文檔圖4.3 Simulate 中設置仿真參數(shù)(9)點擊 Export the current motion model 圖標 存,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(xiàn)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選才F File-import,在File To Read的右邊

27、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文件導入對話框文案大全實用文檔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)£At £* *日副3青白E* 5加學工岫 申辯”口國敏必VihmCwWX班0宣.4孰Ir%MRwrf 15國 與CMOapthJ%4MHIMT4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(shù)50,模擬曲柄連桿機構運動過程(如圖5.2)0 -raniflBl?Sinridl4jionDdsJlEMTmwlewisHfl

28、ndei圖5.2仿真參數(shù)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(xiàn)活塞關于Z軸方向上的位移 曲線(如圖5.3)。文案大全實用文檔圖5.3活塞關于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(xiàn)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(xiàn)

29、活塞關于Z軸上的加速度曲線(如圖5.5)。文案大全實用文檔圖5.5活塞關于Z軸上的加速度曲線(6)點擊Plotting圖標La,進入 ADAMS/Post Processor程序，在 Measure歹！J表中選擇 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)?；钊\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，Ch

30、aracteristic中選擇CM position ,即曲軸 的中心點的位移，Component中選擇Z軸，點擊OK,出現(xiàn)曲軸關于Z軸方向上的位移文案大全實用文檔曲線（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 velocity,即曲軸的中心點的速度，點擊 OK, 出現(xiàn)曲軸關于Z軸上的速度曲線（如圖5.8）。圖5.8曲軸關于Z軸上的速度曲線（9）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(xiàn)活塞關于Z軸上的加速度曲線（如圖5.9）。文案大全實用文檔圖5.9曲軸關于Z軸上的加速度曲線(10)點擊 Plotting 圖標也。,進入 ADAMS/Post Processor程序，在 Measure歹!J表 中選擇 Part1_MEA_1 ,點擊 Add