曲柄连杆机构运动学仿真

1、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：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ADAM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：应用CATIA软件完成曲柄连杆机构建模，利用 ADAM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：应用CATIA软件作为设计工具，完成曲柄连杆机构的建模，并利用ADAM进行曲柄连杆机构运动学分析。要求正确完成

2、曲柄连杆机构的建模，并将 模型导入到ADAM中完成运动学分析。对分析结果进行必要的说明。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 月曰专业负责人：201 年 月曰学院教学副院长：201 年 月曰1 绪论1.1 CATIA V5 软件介绍CATIAV5(Computer-graphics 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/

3、CA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。CATIAV5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。CATIAV5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产业、NC加工等领域。由于其功能的强大而完美，CATIAV5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CA

4、TIA 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。CATIAV5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。CATIAV5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、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 Dyn amic An alysis of Mecha nical Systems)，

5、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，ADAM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，ADAM软件销售总额近八千万美元、占 据了 51%的份额。ADAM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。ADAM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、

6、峰值载荷以及计算有限元的输入载荷等。ADAM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。ADAM软件有两种操作系统的版本：UNIX版和WindowsNT/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

7、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MSC.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

8、的双向链接。？SimDesig ner?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ADA M软件对曲柄连杆机构进行运动学仿真和分析。本次课程设计的主要目的：通过完成以上的内容，对 CATIA软件

9、零件设计模块、装 配模块和ADAM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 血并选平移后的平面，进入草图绘制模块，点击画圆图标丨I建 圆，圆心坐标为(0,0)，半径为38m

10、m(3) 点击退出工作台图标凸退出草图，点击凸台图标匡L进行拉伸，拉伸61mm(4) 选择下底面并点击草图图标色进入草图，点击画圆图标 匕：建圆，圆心(0,0)，半径35mm点击直线图标 /故一条过圆心的直线，再点击平移图标，将直线向两侧各平移15mm(5) 点击断开图标国，将圆与两条评议后的平行直线断开，点击快速修剪图标1耳1 将多余部分修剪掉(如图2.2) 0图2.2绘制凹槽轮廓(6) 点击退出工作台图标 凸退出草图，点击凹槽图标副打凹槽，深度51mm(7) 点击草图图标 冒并选XOZ平面进入草图，点击画圆图标1以(0，371.5)为圆 心，半径9mn建圆。(8) 点击退出工作台图标国退出

11、草图，点击凹槽图标回，选中镜像范围，向两 边各拉伸38mm如图2.3)。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，点击平面图标 n 并选XOZ平面，将XOZ平面平移-200mm(2) 点击草图图标3并选平移后的平面进入草图绘制模块， 点击画圆图标二，以(0,0)为圆心，半径9mn建圆。(3) 点击退出工作台图标 u退出草图，点击凸台图标 几拉伸73mm成圆柱体(如图2.4)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 4

12、3mm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 二并选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世1退出草图， 点击凸台图标 玄，选中镜像范围，向两边各拉伸14mm(3) 点击草图图标 卫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 28mn点击退出工作台图标 一 退出草图，点击凸台图标几，选

13、中镜像范围，向两边各拉伸16mm(4) 点击草图图标I日I并选XOY平面进入草图绘制模块，点击投影 3D元素图标I剖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，然后点击断开图标# 将直径为27mn与56mn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色退出草图，点击凸台图标 ，选中镜像范围，向两边 各拉伸5mm如图2.5)。图2.5镜像拉伸连杆体2.4 曲轴的建模曲轴直径41mm长28mn，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：(

14、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 J 并选XOZ平面，将XOZ平面平移200mm(2) 点击草图图标 卫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E3I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 N进入草图，点击画圆图标 J，分别 以(0,0)和(0,62)为圆心，33mm为半径建圆，点击双切线图标 十做两圆的外切线，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) o图2.6曲拐

15、草图(5) 点击退出工作台图标凸退出草图，点击凸台图标玄拉伸20mm选曲拐的另 一平面并点击草图图标 3进入草图，点击画圆图标 *，以(0,62)为圆心，半径为28mm 建圆。(6) 点击退出工作台图标 止退出草图，点击凸台图标 孔拉伸17mm点击镜像图 标"巾选中半径为28mnH柱体的另一个面做全部实体的镜像(如图2.7) o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

16、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(3)点击退出工作台图标并点击草图图标I卫进入草图，点击画圆图标退出草图，点击凸台图标拉伸362mm选择下底面击退出工作台图标”以(0,0)为圆心，半径38mm建圆，点S3退出草图，点击凹槽图标(E1并选XOZ平面进入草图绘制模块，点击画圆图标，凹槽深度342mm点击草图图标&01-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&a

17、mp;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1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3.1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) o图3.1装配设计模块(2)点击现有部件图标Q再点击装配零件设计页面左边的

18、，出现选择文件对话框(如图3.2) o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零件设计中所有曲柄连杆机构的零部件(如图3.3) o图3.3 CATIA零件设计中所有曲柄连杆机构的零部件（4）点击相合约束辔，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） 0图3.4活塞销和连杆小头轴向定位（5）点击操作图标為I,将活塞销插入到连杆小头衬套内（如图3.5） o图3.5活塞销插入到连杆小头衬套内（6）点击操作图标 為I,将活塞移动到和活塞销，连杆小头差不多的轴线位置，点 击相合约束蔓，再点击活塞销孔轴线和活塞销轴线，将活塞销和活

19、塞销孔轴向定位， 点击操作图标 為I,将活塞销和连杆小头插入活塞销孔内（如图3.6） o图3.6活塞移动到适当位置（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）点击相合约束聲，再点击活塞和汽缸体轴线，将活塞和汽缸体轴向定位，点 击接触约束图标应，选择曲轴和汽缸体上曲轴孔，选择曲面接触，点击操作图标IE 选沿丫轴拖动，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）图3.8汽缸体、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

20、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-SDMotion WOrkbench，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

21、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，Seco nd Compo nent选择汽缸体，然后点击曲轴的一端作为Location。再点击曲轴的轴线，作为 Axis Direction 。在 Motion 中，Motion Type选择速度(Velocity)， Constant Value 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

22、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，FirstCompo nent选择汽缸体，Seco nd Compo nent选择活塞，然后点击活塞的一端作为Location。再点击活塞的轴线

23、，作为 Axis Direction，点击确定。咽丨一、(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。图4.3 Simulate中设置仿真参数(9) 点击 Export the current motion model 图标,菜单 Motion Model Export中选择 With Geometry , Results Export 中选

24、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ADAM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 0K(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0K如图4.4)，文件被成功导入。图4.4文件导入对话框5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) 点击运行图标匚I，运行运动仿真，设定运动结束时间

25、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CMposition，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)。图5.3活塞关于Z轴上的位移曲线(4) 同上步，Characteristic 中选择CMvelocity ，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CMacceleration ，即

26、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)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,点击 Add Curves 按钮，再选择 Part1_MEA_2和 Part1_MEA_3 点击AddCurves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CMposition ，即 曲轴的中心点的位移，Component中选择Z轴，点击0K出现曲轴关于Z轴方向上的位 移曲线(如图5.7) 0图5.7曲轴关于Z轴上的位移曲线(8) 同上步，Characteristic 中选择CMvelocity ，即曲轴的中心点的速度，点击 OK出现曲轴关于Z轴