《機(jī)械系統(tǒng)建模與仿真》試卷

1、陜西理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院 研究生課程考試試卷(A卷)考試科目名稱：機(jī)械系統(tǒng)建模與仿真學(xué)科方向:機(jī)械制造及其自動化注意：所有的答題內(nèi)容必須答在答題紙上。談?wù)勛约簩C(jī)械系統(tǒng)建模與仿真的理解；論述系統(tǒng)理論建模的步驟與過程。自選一機(jī)械系統(tǒng)，利用虛擬樣機(jī)技術(shù)建立其仿真模型，并對其進(jìn)行仿真。具 體要求如下：根據(jù)簡圖，采用三維軟件或者動力學(xué)仿真軟件建立各零件三維模型， 并裝配；利用動力學(xué)軟件ADAMS建立系統(tǒng)的虛擬樣機(jī)模型；對其進(jìn)行運(yùn)動學(xué)仿真，測試出其主要工作零件的位移、速度、加速度 等參數(shù)；根據(jù)所選系統(tǒng)，以某一個運(yùn)動學(xué)或者動力學(xué)指標(biāo)為優(yōu)化目標(biāo)，對系統(tǒng) 做優(yōu)化設(shè)計；選取合適的構(gòu)件為柔性體，完成樣機(jī)的剛?cè)狁詈?/p>

2、動力學(xué)建模，并做分 析；最后，將仿真結(jié)果與剛體模型的分析結(jié)果進(jìn)行對比，得出相應(yīng)結(jié) 論。注意：第2題，寫出詳細(xì)的做題過程，仿真結(jié)果及分析結(jié)論。姓名：苗玉剛學(xué)號：1208020121專業(yè)：機(jī)械制造及其自動化1機(jī)械系統(tǒng)是機(jī)器和機(jī)構(gòu)的總稱，它由許多構(gòu)件和零件組成。零件是組成機(jī)器的最小單元。 若將一部機(jī)器進(jìn)行拆卸，拆到不可再拆的最小單元就是零件。從制造工藝角度來看，零件也是 加工的最小單元。構(gòu)件通常是由若干零件組成的。如壓縮機(jī)中的連桿，它由連桿體、軸套、軸瓦、螺栓和螺 母等零件組成，這些零件剛性地聯(lián)接在一起組成一個剛性系統(tǒng)，機(jī)器運(yùn)動時作為一個整體獨立 運(yùn)動。所以，構(gòu)件是出若干零件組成的一個剛性系統(tǒng)，是機(jī)

3、械系統(tǒng)運(yùn)動的最小單元。當(dāng)然構(gòu)件 也可以僅出一個零件組成。機(jī)構(gòu)是由兩個以上具有相對運(yùn)動的構(gòu)件系統(tǒng)組成的，機(jī)構(gòu)的作用在于傳遞運(yùn)動或改變運(yùn)動 的形式。機(jī)器是由若干機(jī)構(gòu)組成的系統(tǒng)。例如，內(nèi)燃機(jī)包含曲柄滑塊機(jī)構(gòu)、齒輪結(jié)構(gòu)和控制進(jìn) 氣與排氣的凸輪機(jī)構(gòu)。在機(jī)構(gòu)中，每一個構(gòu)件都以一定的方式與其他構(gòu)件相互連接。相互連接 的兩構(gòu)件既保持直接接觸，又能產(chǎn)生一定的相對運(yùn)動。我們把兩構(gòu)件直接接觸而又能產(chǎn)生一定 形式的相對運(yùn)動的連接稱為運(yùn)動副。40多年來，我國在建模與仿真(ModelingandSimulation)方面發(fā)展迅速并取得了很大成就。 建模與仿真技術(shù)的應(yīng)用已擴(kuò)展到產(chǎn)品的全生命周期：方案論證、設(shè)計、制造、試驗、

4、使用、維 護(hù)和訓(xùn)練。建模與仿真技術(shù)最早應(yīng)用于自動控制領(lǐng)域，飛機(jī)、導(dǎo)彈的飛行控制、制導(dǎo)系統(tǒng)采用 數(shù)學(xué)仿真和半實物仿真進(jìn)行分析試驗，同時采用的是模擬計算機(jī)和面向方程的建模方法。實踐 證明,建模與仿真所能應(yīng)用的領(lǐng)域，都極大地促進(jìn)了該領(lǐng)域的發(fā)展。所以人們就開始把其應(yīng)用于 傳統(tǒng)的機(jī)械系統(tǒng)中，從20世紀(jì)90年代至今，我國的研究人員對建模與仿真技術(shù)開展了研究，包括 分布交互仿真、虛擬現(xiàn)實仿真、基于仿真的設(shè)計、虛擬樣機(jī)、建模與仿真的重用和互操作性， 以及分布虛擬環(huán)境等。近幾年隨著計算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，新的建模與仿真技術(shù)也應(yīng)運(yùn)而生，其 極大地推動了機(jī)械行業(yè)的發(fā)展，提高了經(jīng)濟(jì)效益。機(jī)械工程中的虛擬樣機(jī)技術(shù)又稱為機(jī)

5、械系統(tǒng)動態(tài)仿真技術(shù)，是20世紀(jì)80年代隨著計算機(jī)技 術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的一項新技術(shù)，其核心是機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)仿真技術(shù)，同時還 包括三維CAD建模技術(shù)、有限元分析技術(shù)、機(jī)電液控制技術(shù)、最優(yōu)化技術(shù)等相關(guān)技術(shù)。運(yùn)用虛擬樣機(jī)技術(shù)，可以大大簡化機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計開發(fā)過程，大幅度縮短產(chǎn)品開發(fā)用期， 大量減少產(chǎn)品開發(fā)費(fèi)用和成本，明顯提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高產(chǎn)品的系統(tǒng)級性能，獲得最優(yōu)化和創(chuàng) 新的設(shè)計產(chǎn)品。建模的步驟與過程首先，根據(jù)機(jī)械系統(tǒng)的功能與作用，抽象出機(jī)構(gòu)簡圖，根據(jù)簡圖，采用三維軟件或者動力 學(xué)仿真軟件建立各零件三維模型，并進(jìn)行合理的裝配，初步建立機(jī)械系統(tǒng)的虛擬樣機(jī)模型。其次，將建立的裝配體導(dǎo)入動力學(xué)仿

6、真軟件或者在機(jī)械動力學(xué)仿真軟件中直接建立模型， 然后利用動力學(xué)仿真軟件如ADAMS建立系統(tǒng)的虛擬樣機(jī)模型，包括零件、約束副、彈性連接、 應(yīng)用力和驅(qū)動等，進(jìn)行動力學(xué)、運(yùn)動學(xué)、靜力學(xué)仿真分析。最后，將仿真結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，驗證模型，否則進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，改進(jìn)設(shè)計方案， 在進(jìn)行仿真分析，直至虛擬仿真結(jié)果和物理樣機(jī)的測試結(jié)果趨于一致。2 如圖為開槽機(jī)上用的急回機(jī)構(gòu)，原動件勻速轉(zhuǎn)動，其中AB = 200mm，BC = 300mm， ID = 100mm，lDF = 400mm。原動件為構(gòu)件BC，為勻速轉(zhuǎn)動，角速度3=兀rad / s，對該 機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動分析和動力分析及優(yōu)化。圖1機(jī)構(gòu)簡圖圖2虛擬樣機(jī)模型

7、對滑塊相對于地面的位移、速度、加速度以及滑塊和機(jī)架的受力情況進(jìn)行分析。在ADAMS/View工作窗口中用鼠標(biāo)右鍵點擊滑塊F的移動副JOINT_9,選擇Modify命令，在彈 出的修改對話框中選擇測量（Measures）圖標(biāo)脫尸,在彈出的測量對話框中，將C omponent欄設(shè) 置為X（因為在不考慮摩擦的條件下滑塊和機(jī)架之間的受力方向為X軸方向），將From/At欄設(shè)置 為PART_6.MARKER_25（或者ground.MARKER_26）（選擇前者，表示測量的是滑塊對機(jī)架的壓力， 選擇后者，表示測量是機(jī)架對滑塊的支持力，兩力是一對作用力和反作用力，大小相等，方向 相反）然后點擊對話框下面的

8、“OK”確認(rèn)。生成的力-時間曲線如圖3所示。位移、速度和加速 度的測量的過程和力的過程幾乎一樣，只是在 Characteristic項，分別選為Translational displacement、Translational velocity、Translational acceleration。圖4、圖5和圖6分別ij 是時間位移曲線、時間速度曲線及時間加速度曲線。圖3力和時間曲線圖圖4時間位移曲線圖6時間加速度曲線圖5時間速度曲線對滑塊對機(jī)架的力進(jìn)行優(yōu)化分析如圖7所示。通過主工具箱中快捷圖標(biāo):,:創(chuàng)建參數(shù)化點point_8,選擇點在構(gòu)件上（即曲柄），創(chuàng)建完成 后，界面上會出現(xiàn)圖標(biāo)，這表示創(chuàng)

9、建出的點。創(chuàng)建實體圓球，球心和point_8重合，結(jié)果創(chuàng)建設(shè)計變量 在圖形區(qū)，將鼠標(biāo)移至球體附近，單擊右鍵，在彈出菜單中選擇Point_8, 在其子菜單中選擇Modify,彈出參數(shù)化點表，將光標(biāo)移至其乂坐標(biāo)處，在對話框上部的編輯框中 出現(xiàn)x值“-240”。在該編輯框中右擊鼠標(biāo)，依次選擇arameterize、Create Design Variable、 Real，則創(chuàng)建設(shè)計變量，.model_3.DV_1。優(yōu)化設(shè)置 在Simulation菜單，選擇Design Evaluation，顯示Design Evaluation Tools 對話框，設(shè)置如圖8所示，點擊Display，點擊Start開始設(shè)計研究分析，仿真完成后，會自動彈 出圖9的對話框。口 igqn WiiiknT&Dk偵直圖9E：* Jnvr rtpriMr C-vnmVLLk TUB D+ri 1444b |圖8圖11滑塊正向最大位移的優(yōu)化優(yōu)化分析 最終優(yōu)化結(jié)果如圖10、圖11、圖12所示。圖12滑塊速度的優(yōu)化（左是最大速度優(yōu)化；中為最小速度優(yōu)化；右為平均速度優(yōu)化） 將與滑塊相連接的副連桿換成柔性體將連桿DF用柔性體替換，結(jié)果如圖13所示，然后對滑塊進(jìn)行力、位移、速度、加速度進(jìn)行分析，結(jié)果如圖14、15、16、17所示。圖16速度時間曲線仿真結(jié)果