曲柄连杆机构运动学仿真

1、沈阳理工大学课程设计I课程设计任务书课程设计任务书学 院汽车与交通学院专 业车辆工程学生姓名班级学号课程设计题目曲柄连杆机构运动学仿真（1 缸）要求：要求：1 掌握应用CATIA软件进行三维建模的能力，模型建立要正确。2 掌握应用ADAMS软件进行运动学分析的能力，运动副及约束的添加要正确，仿真结果要合理3 对分析结果进行分析及说明。4 课程设计说明书的内容和格式要符合相关管理文件规定。任务：任务：应用 CATIA 软件完成曲柄连杆机构建模，利用 ADAMS 软件完成曲柄连杆机构的运动学分析，并完成课程设计说明书。工作计划：工作计划：应用CATIA软件作为设计工具，完成曲柄连杆机构的建模，并利

2、用ADAMS进行曲柄连杆机构运动学分析。要求正确完成曲柄连杆机构的建模，并将模型导入到ADAMS中完成运动学分析。对分析结果进行必要的说明。进度安排：进度安排：1、 理解题目要求，查阅资料，学习软件，确定设计方案 1天2、 曲柄连杆机构的实体建模 4天3、 曲柄连杆机构的运动学仿真 3天4、 说明书撰写 1天5、 答辩 1天指导教师： 201 年 月 日专业负责人：201 年 月 日学院教学副院长：201 年 月 日沈阳理工大学课程设计II目 录1 绪论.11.1 CATIA V5 软件介绍.11.2 ADAMS 软件介绍.11.3 SIMDESIGNER软件介绍.21.4 本次课程设计的主要

3、内容及目的.22 曲柄连杆机构的建模.32.1 活塞的建模.32.2 活塞销的建模.52.3 连杆的建模.52.4 曲轴的建模.62.5 汽缸体的建模.83 曲柄连杆机构的装配.103.1 将各部件导入 CATIA 装配模块并利用约束命令确定位置关系.104 曲柄连杆机构导入 ADAMS.144.1 曲柄连杆机构各个零部件之间运动副分析.144.2 曲柄连杆机构各个零部件之间运动副建立.144.3 曲柄连杆机构导入 ADAMS.165 曲柄连杆机构的运动学分析.17结束语.22参考文献.23沈阳理工大学课程设计01 绪论1.1 CATIA V5 软件介绍CATIA V5(Computer-gr

4、aphics Aided Three-dimensional Interactive Application)是法国 Dassault 公司于 1975 年开发的一套完整的 3D CAD/CAM/CAE 一体化软件。它的内容涵盖了产品概念设计、工业设计、三维建模、分析计算、动态模拟与仿真、工程图的生成、生产加工成产品的全过程，其中还包括了大量的电缆和管道布线、各种模具设计与分析、人机交换等实用模块。CATIA V5 不但能保证企业内部设计部门之间的协同设计功能而且还可以提供企业整个集成的设计流程和端对端的解决方案。CATIA V5大量应用于航空航天、汽车及摩托车行业、机械、电子、家电与 3C

5、产业、NC 加工等领域。由于其功能的强大而完美，CATIA V5 已经成为三维 CAD/CAM 领域的一面旗帜和争相遵从的标准，特别是在航空航天、汽车及摩托车领域。法国的幻影 2000 系列战斗机就是使用 CATIA V5 进行设计的一个典范；波音 777 客机则使用 CATIA V5 实现了无图纸设计。另外，CATIA V5 还用于制造米其林轮胎、伊莱克斯电冰箱和洗衣机、3M 公司的粘合剂等。CATIA V5 不仅给用户提供了详细的解决方案，而且具有先进的开发性、集成性及灵活性。CATIA V5 的主要功能有：三维几何图形设计、二维工程蓝图绘制、复杂空间曲面设计与验证、三维计算机辅助加工制造

6、、加工轨迹模拟、机构设计及运动分析、标准零件管理。1.2 ADAMS 软件介绍ADAMS 即机械系统动力学自动分析(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems)，该软件是美国 MDI 公司(Mechanical Dynamics Inc.)开发的虚拟样机分析软件。目前，ADAMS 己经被全世界各行各业的数百家主要制造商采用。根据 1999 年机械系统动态仿真分析软件国际市场份额的统计资料，ADAMS 软件销售总额近八千万美元、占据了 51%的份额。ADAMS 软件使用交互式图形环境和零件库、约束库、力库，创建完全参数化的机械系统几何模型，其

7、求解器采用多刚体系统动力学理论中的拉格郎日方程方法，建沈阳理工大学课程设计1立系统动力学方程，对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析，输出位移、速度、加速度和反作用力曲线。ADAMS 软件的仿真可用于预测机械系统的性能、运动范围、碰撞检测、峰值载荷以及计算有限元的输入载荷等。ADAMS 一方面是虚拟样机分析的应用软件，用户可以运用该软件非常方便地对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析。另一方面，又是虚拟样机分析开发工具，其开放性的程序结构和多种接口，可以成为特殊行业用户进行特殊类型虚拟样机分析的二次开发工具平台。ADAMS 软件有两种操作系统的版本：UNIX 版和Windows N

8、T/2000 版。1.3 SimDesigner 软件介绍SimDesigner for CATIA V5 系列产品是构建于 CAA V5 的体系结构上，并与Dassault Systemes 公司达成密切合作伙伴关系而开发。Simdesigner 使 CATIA 用户能够以集成和可扩展的方式获取 MSC.Software 公司仿真工具和技术，从而在整个产品生命周期中减少设计和物理试验的成本。SimDesigner for CATIA V5 产品家族由创成式（Generative）产品系列、接口类产品系列、垂直应用产品系列和针对特定学科的配置组成。SimDesigner 创成式产品系列将 MS

9、C.Software 仿真解决方案无缝集成到 CAD 环境中，侧重于对产品。进行多学科综合的特性评估， 例如结构线性、动力学、热、结构非线性等。 SimDesigner 接口类产品系列在 CATIA 环境与客户所拥有的独立的 VPD 产品之间提供了无缝的双向链接。 SimDesigner 垂直应用类产品可以在 CATIA V5 环境下进行产品评估及流程知识的捕获、存储和重新利用，这些知识涉及产品制造、测试和验证等各个方面。SimDesigner 当前提供了三个产品配置，为解决特定类型的相关问题提供了一组分析产品。1.4 本次课程设计的主要内容及目的本次课程设计主要内容：利用 CATIA 软件中

10、的零件设计模块对曲柄连杆机构的所有零件进行建模，然后利用软件的装配模块把曲柄连杆机构的所有组成零件按照一定的位置关系进行装配，最后利用 ADAMS 软件对曲柄连杆机构进行运动学仿真和分析。沈阳理工大学课程设计2本次课程设计的主要目的：通过完成以上的内容，对 CATIA 软件零件设计模块、装配模块和 ADAMS 软件运动仿真及分析的应用有了更加深入的了解，对软件的操作更加熟练，最终达到熟练掌握这门软件的目的。2 曲柄连杆机构的建模2.1 活塞的建模活塞直径 76mm，高 61mm，裙部厚度 3mm，活塞顶部厚 20mm，活塞销孔直径18mm，活塞销孔中心到活塞顶部距离 28.5mm，绘制活塞三维

11、图步骤如下：(1) 打开 CATIA-开始-机械设计-零件设计，进入绘制活塞的工作模块(如图2.1)，点击平面图标并选 XOY 平面，将 XOY 平面平移 400mm。图 2.1 零件设计模块(2) 点击草图图标并选平移后的平面，进入草图绘制模块，点击画圆图标建圆，圆心坐标为(0,0)，半径为 38mm。(3) 点击退出工作台图标退出草图，点击凸台图标进行拉伸，拉伸 61mm。(4) 选择下底面并点击草图图标进入草图，点击画圆图标建圆，圆心(0,0)，半径 35mm，点击直线图标做一条过圆心的直线，再点击平移图标，将直线向沈阳理工大学课程设计3两侧各平移 15mm。(5) 点击断开图标，将圆与

12、两条评议后的平行直线断开，点击快速修剪图标将多余部分修剪掉(如图 2.2)。图 2.2 绘制凹槽轮廓(6) 点击退出工作台图标退出草图，点击凹槽图标打凹槽，深度 51mm。(7) 点击草图图标并选 XOZ 平面进入草图，点击画圆图标以(0，371.5)为圆心，半径 9mm 建圆。(8) 点击退出工作台图标退出草图，点击凹槽图标，选中镜像范围，向两边各拉伸 38mm(如图 2.3)。沈阳理工大学课程设计4图 2.3 打活塞销孔2.2 活塞销的建模活塞销直径 18mm，长度 73mm，绘制活塞销三维图步骤如下：(1) 打开 CATIA-开始-机械设计-零件设计，进入绘制活塞销的工作模块，点击平面图

13、标并选 XOZ 平面，将 XOZ 平面平移-200mm。(2) 点击草图图标并选平移后的平面进入草图绘制模块，点击画圆图标，以(0,0)为圆心，半径 9mm 建圆。(3)点击退出工作台图标退出草图，点击凸台图标拉伸 73mm 成圆柱体(如图2.4)。沈阳理工大学课程设计5图 2.4 拉伸活塞销2.3 连杆的建模连杆小头的内径 18mm，外径 27mm，厚 28mm，连杆大头内径 43mm，外径56mm，厚 32mm，大头中心与小头中心距离 150mm，杆身厚 10mm，绘制连杆三维图步骤如下：(1) 打开 CATIA-开始-机械设计-零件设计，进入绘制连杆的工作模块。(2) 点击草图图标并选

14、XOZ 平面进入草图绘制模块，点击画圆图标，以(0,0)为圆心，做两个同心圆，半径分别为 9mm，13.5mm，点击退出工作台图标退出草图，点击凸台图标，选中镜像范围，向两边各拉伸 14mm。(3) 点击草图图标并选平移后的平面进入草图绘制模块，点击画圆图标，以(0,-150)为圆心，做两个同心圆，半径分别为 21.5mm，28mm 点击退出工作台图标退出草图，点击凸台图标，选中镜像范围，向两边各拉伸 16mm。(4) 点击草图图标并选 XOY 平面进入草图绘制模块，点击投影 3D 元素图标将两同心圆柱体的轮廓线投影在 XOY 平面，点击双切线图标做直径为 18mm和 43mm 圆的切线，然后

15、点击断开图标将直径为 27mm 与 56mm 两圆和两条切线在交点处断开，点击快速修剪图标将多余部分修剪掉。(5) 点击退出工作台图标退出草图，点击凸台图标，选中镜像范围，向两边各拉伸 5mm(如图 2.5)。沈阳理工大学课程设计6图 2.5 镜像拉伸连杆体2.4 曲轴的建模曲轴直径 41mm，长 28mm，曲拐长 128mm，宽 66mm，厚 20mm，两曲拐间的距离为 34mm，飞轮直径 80mm，厚 4mm，绘制曲轴三维图如下：(1) 打开 CATIA-开始-机械设计-零件设计，进入绘制曲轴的工作模块，点击平面图标并选 XOZ 平面，将 XOZ 平面平移 200mm。 (2) 点击草图图

16、标并选平移后的平面进入草图绘制模块，点击画圆图标，以(0,0)为圆心，半径为 20.5mm 建圆。(3) 点击退出工作台图标退出草图，点击凸台图标拉伸 28mm。(4) 选择圆柱体的一个底面并点击草图图标进入草图，点击画圆图标，分别以(0,0)和(0,62)为圆心，33mm 为半径建圆，点击双切线图标做两圆的外切线，点击断开图标将相切圆和相切直线在切点处断开，点击快速修剪图标将多余的线修剪掉(如图 2.6)。沈阳理工大学课程设计7图 2.6 曲拐草图(5) 点击退出工作台图标退出草图，点击凸台图标拉伸 20mm，选曲拐的另一平面并点击草图图标进入草图，点击画圆图标，以(0,62)为圆心，半径为

17、28mm 建圆。(6) 点击退出工作台图标退出草图，点击凸台图标拉伸 17mm，点击镜像图标选中半径为 28mm 圆柱体的另一个面做全部实体的镜像(如图 2.7)。沈阳理工大学课程设计8图 2.7 镜像曲轴2.5 汽缸体的建模汽缸体长 100mm，宽 100mm，高 362mm，曲轴中心到汽缸体上表面距离262mm，气缸深度 125.5mm，绘制汽缸体的三维图如下：(1) 打开 CATIA-开始-机械设计-零件设计，进入绘制汽缸体的工作模块，点击平面图标并选 XOY 平面，将 XOY 平面平移 1000mm。(2) 点击草图图标并选平移后的平面进入草图绘制模块，点击居中矩形图标，绘制以(0,0

18、)为中心，边长为 100mm 的正方形。(3) 点击退出工作台图标退出草图，点击凸台图标拉伸 362mm，选择下底面并点击草图图标进入草图，点击画圆图标以(0,0)为圆心，半径 38mm 建圆，点击退出工作台图标退出草图，点击凹槽图标，凹槽深度 342mm，点击草图图标并选 XOZ 平面进入草图绘制模块，点击画圆图标以(0,738)为圆心，半径20.5mm 建圆，点击退出工作台图标退出草图，点击凹槽图标选择镜像范围，凹槽深度向两侧各 50mm，点击草图图标并选 YOZ 平面进入草图绘制模块，点击投影 3D 元素图标将长方体的四个边投影在 YOZ 平面上，点击平移图标点击平移沈阳理工大学课程设计

19、9图标将上表面投影的直线向下平移 145.5mm，将两侧面投影的直线分别向中间平移 12mm，点击断开图标将平移后所得的直线在交点处断开，点击快速修剪图标将多余的线修剪掉，点击退出工作台图标退出草图，点击凹槽图标选择镜像范围，凹槽深度向两侧各 50mm(如图 2.8)。图 2.8 绘制汽缸体3 曲柄连杆机构的装配沈阳理工大学课程设计103.1 将各部件导入 CATIA 装配模块并利用约束命令确定位置关系(1) 打开 CATIA-开始-机械设计-装配设计，进入装配设计模块(如图 3.1)。图 3.1 装配设计模块(2) 点击现有部件图标再点击装配零件设计页面左边的，出现选择文件对话框(如图 3.

20、2)。图 3.2 文件选择对话框(3) 依次点击活塞，连杆，活塞销，曲轴，汽缸体调出在 CATIA 零件设计中所有沈阳理工大学课程设计11曲柄连杆机构的零部件(如图 3.3)。图 3.3 CATIA 零件设计中所有曲柄连杆机构的零部件(4) 点击相合约束，再点击连杆小头轴线和活塞销轴线，将活塞销和连杆小头轴向定位(如图 3.4)。图 3.4 活塞销和连杆小头轴向定位(5) 点击操作图标，将活塞销插入到连杆小头衬套内(如图 3.5)。沈阳理工大学课程设计12图 3.5 活塞销插入到连杆小头衬套内(6) 点击操作图标，将活塞移动到和活塞销，连杆小头差不多的轴线位置，点击相合约束，再点击活塞销孔轴线

21、和活塞销轴线，将活塞销和活塞销孔轴向定位，点击操作图标，将活塞销和连杆小头插入活塞销孔内 (如图 3.6)。图 3.6 活塞移动到适当位置沈阳理工大学课程设计13(7) 点击接触约束图标，选择连杆大头和曲轴，选择曲面接触，点击操作图标，将活塞，活塞销，连杆，曲轴装配起来(如图 3.7)。图 3.7 活塞、活塞销、连杆、曲轴接触约束(8) 点击相合约束，再点击活塞和汽缸体轴线，将活塞和汽缸体轴向定位，点击接触约束图标，选择曲轴和汽缸体上曲轴孔，选择曲面接触，点击操作图标，选沿 Y 轴拖动，将汽缸体，活塞，活塞销，连杆，曲轴飞轮组装配成整体(如图3.8)。沈阳理工大学课程设计14图 3.8 汽缸体

22、、活塞、活塞销、连杆、曲轴装配成整体4 曲柄连杆机构导入 ADAMS4.1 曲柄连杆机构各个零部件之间运动副分析点击桌面上 SD 图标，进入到仿真运动平台分析，开始-数字模型-SD Motion W0rkbench，点击文件-打开，导入装配零件(如图 4.1)。图 4.1 仿真运动平台任何一个机械要实现当初预设的运动，都需要在各个零部件之间建立各种运动副，分析部分汽缸体模型，机架应该选择在汽缸体上，因为它是各个零部件装配的基体组，各个零件都通过汽缸体的承载来实现相互之间的运动。曲轴和汽缸体之间应该采用旋转副，因为它们之间是轴承和孔之间的配合，所以曲轴和连杆大头之间也应该采用旋转副。活塞销采用全

23、浮式支撑，这样活塞销不仅可以在连杆小头内运动，还可以在活塞销孔内运动，使活塞销磨损均匀。活塞和汽缸壁之间应该采用移动副，这样才可以使活塞在汽缸壁内运动。4.2 曲柄连杆机构各个零部件之间运动副建立(1) 点击 Insert a revolute joint 图标，在 Definition 中，First Component 选择曲轴，Second Component 选择汽缸体，然后点击曲轴的一端作为 Location。再点击曲轴沈阳理工大学课程设计15的轴线，作为 Axis Direction。在 Motion 中，Motion Type 选择速度(Velocity)，Constant Va

24、lue 中输入转速 3000 转每分，点击确定(如图 4.2)。图 4.2 建立曲轴和汽缸体之间的旋转副(2) 依次点击曲轴和连杆大头，在曲轴和连杆大头结合处选择约束添加的位置，再选择旋转中心线。(3) 依次点击连杆小头和活塞销，在连杆小头和活塞销结合处选择约束添加的位置，再选择旋转中心线。 (4) 依次点击活塞销和活塞，在活塞销和活塞结合处选择约束添加的位置，再选择旋转中心线。(5) 点击 Define a ground part 图标，将汽缸体定义为机架，固定在大地上。(6) 点击 Insert a translational joint 图标，在 Definition 中，First C

25、omponent 选择汽缸体，Second Component 选择活塞，然后点击活塞的一端作为 Location。再点击活塞的轴线，作为 Axis Direction，点击确定。(7) 点击 Simulate the current motion model 图标，运动仿真时间 0.1s，仿真的步数 100，点击 Start，等计算结束后，关闭对话框(如图 4.3)。(8) 点击 Play SOM results 图标，点击开始按钮，开始运动仿真，仿真运动结束，检查无误后，保存文件。沈阳理工大学课程设计16图 4.3 Simulate 中设置仿真参数(9) 点击 Export the cur

26、rent motion model 图标，菜单 Motion Model Export 中选择 With Geometry，Results Export 中选择 All，点击确定。保存文件为*.cmd 格式，并且保存在全英文目录文件夹下。4.3 曲柄连杆机构导入 ADAMS(1) 点击桌面上 ADAMS 快捷方式图标，在开始出现菜单中的 Start in 目录选择到保存*.cmd 文件目录文件夹下，点击 OK。(2) 选择 File-import，在 File To Read 的右边框里右键，选择 Browse，选择保存的*.cmd 文件，点打开，再点 OK(如图 4.4)，文件被成功导入。图

27、 4.4 文件导入对话框沈阳理工大学课程设计175 曲柄连杆机构的运动学分析(1) 将*.cmd 文件导入 ADAMS(如图 5.1)。图 5.1 ADAMS 仿真界面(2) 点击运行图标，运行运动仿真，设定运动结束时间 0.1，步数 50，模拟曲柄连杆机构运动过程(如图 5.2)。图 5.2 仿真参数的设置(3) 右键选择活塞，点击 Measure 命令，Characteristic 中选择 CM position，即活塞的中心点的位移，Component 中选择 Z 轴，点击 OK，出现活塞关于 Z 轴方向上的位移曲线(如图 5.3)。沈阳理工大学课程设计18图 5.3 活塞关于 Z 轴上

28、的位移曲线(4) 同上步，Characteristic 中选择 CM velocity，即活塞的中心点的速度，点击OK，出现活塞关于 Z 轴上的速度曲线(如图 5.4)。图 5.4 活塞关于 Z 轴上的速度曲线(5) 同上步，Characteristic 中选择 CM acceleration，即活塞的中心点的加速度，点击 OK，出现活塞关于 Z 轴上的加速度曲线(如图 5.5)。沈阳理工大学课程设计19图 5.5 活塞关于 Z 轴上的加速度曲线(6) 点击 Plotting 图标，进入 ADAMS/Post Processor 程序，在 Measure 列表中选择 Part1_MEA_1，点

29、击 Add Curves 按钮，再选择 Part1_MEA_2 和Part1_MEA_3，点击 Add Curves 按钮，得到活塞关于 Z 轴的位移-速度-加速度曲线(如图 5.6)。活塞运动的速度是一条正弦曲线，符合活塞运动的实际情况，活塞的节点运动图像也是正弦曲线。图 5.6 活塞关于 Z 轴的位移-速度-加速度曲线(7) 右键选择曲轴，点击 Measure 命令，Characteristic 中选择 CM position，即曲轴沈阳理工大学课程设计20的中心点的位移，Component 中选择 Z 轴，点击 OK，出现曲轴关于 Z 轴方向上的位移曲线(如图 5.7)。图 5.7 曲轴关于 Z 轴上的位移曲线(8) 同上步，Characteristic 中选择 CM vel