搜索SolidWorks对机构进行运动分析的图解方法
2013-05-26 by:广州有限元分析、培训中心-1CAE.COM 来源:仿真在线
SolidWorks软件具有精确定位、查询图形参数和方程式的功能。这些功能实现图解法中对机构运动分析的精确设计,并结合实例将基于SolidWorks软件的图解法与解析法以及基于AutoCAD软件的图解法进行了对比分析。
0 引言
无论是设计新的机械,还是为了了解现有机械的运动性能,对机构进行运动分析是十分必要的。运动分析的主要任务是在已知机构尺寸及原动件运动规律的情况下,确定机构中其他构件上某些点的轨迹、位移、速度及加速度和构件的角位移、角速度及角加速度。同时,它还是研究机械动力性能的必要前提。研究运动分析的方法有图解法、解析法和实验法。相比较,实验法需要专门的设备,需要一定的实验条件;图解法形象直观,易于掌握,但精度不高;解析法计算烦杂,但计算机的普及和发展使之得到广泛的应用。
传统观点认为图解法受人工绘图的影响非常大,精度很低,计算误差较大,特别是多杆机构,累加的误差更大,有被解析法取代而趋于淘汰的可能。然而现在出现的各种CAD 软件代替了传统的直尺、圆规等工具,且它们具有传统手段所不具备的精确定位和查询图形参数的功能。如果设计人员充分利用这一特性,那么制约图解法的精度问题就不复存在了,因此图解法仍然是机构设计的有效手段。
1 计算机辅助图解法
Solidworks 软件是基于尺寸驱动的一种CAD 软件,它可以根据输入的尺寸确定图形几何元素,只要标注出该尺寸,就可以约束几何元素的形状、大小等。这样在创建模型时,只要确定图形元素的几何参数和图形元素相互之间的几何关系就可以得到与真实机构一样的模型。Solidworks 软件的尺寸有驱动和从动之分,驱动尺寸可以约束驱动模型的变化;从动尺寸是指尺寸由其他尺寸或条件所驱动,且不能被修改,Solidworks 的尺寸标注主要有:两点之间的距离及其水平方向和垂直方向的距离、线段的长度及其水平方向和垂直方向的长度、两直线之间的夹角、点到直线的距离、圆弧半径或直径、圆弧长度等等,Solidworks还可以通过使用方程式来定义参数和尺寸之间的数学关系,因此,通过此软件可以精确制图,也可以利用它精确计算,下面以平面连杆机构为例,说明用Solidworks 软件进行的图解法和主要步骤:
(1)根据已知条件,确定各杆件的位置,标注出各构件的尺寸。
(2)确定各个运动副的相对关系,如将机架固定下来,转动副约束两个构件的端点重合,移动副约束一个构件的端点与另一构件重合。
(3)建立速度矢量方程式,根据方程式绘出速度多边形,依据速度方向与构件的关系进行约束,同时利用方程式计算出相应速度的值,并把该值标注在此速度矢量上,从而可以得到每个速度矢量的方向和大小,最后可以求解出相应的角速度以及构件上任意点的速度。
(4)建立加速度矢量方程式,根据方程式绘出加速度多边形,依据加速度方向与构件的关系进行约束,同时利用方程式计算出相应加速度的值,并把该值标注在此加速度矢量上,从而可以得到每个加速度矢量的方向和大小,最后可以求解出相应的角加速度以及构件上任意点的加速度。
2 机构运动分析示例
图1 机构简图
如图1所示6杆复合式组合机构中,已知
=150mm,
=500mm,
=265mm,
=250mm,
=210mm,
=600mm,φ1=45°,BE⊥BC,AF⊥AD,曲柄1的等角速度
,求
及
。解题步骤如下:
(1)根据已知条件在Solidworks 软件中建立机构简图(见图2),确定各构件的相对位置和尺寸,其中EF为从动尺寸,由其它尺寸和约束关系产生。(注:理论上,绘图时可以不需要设置比例尺,本例中为了图形大小适中,为长度、速度和加速度设立的比例尺分别为0.001、0.01和0.1,读取参数时应乘以相应的数值)。
图2 Solidworks软件中的机构简图
(2)写出速度矢量方程式
。根据速度矢量方程式绘出速度多边形,见图3。
图3 速度多边形
图3中矢量
表示B点的速度方向和大小,
表示E点相对于B点的速度方向和大小,其它类推。矢量
和
的大小根据已知条件利用Solidworks软件中的方程式计算产生(图3中带有∑的尺寸),其中矢量
方程式如下:“vB@草图1”=“AB@草图1”*“w1”,式中“vB@草图1”为矢量
的值,“AB@草图1”为图1 中构件1的长度,图2中线段
的长度,“w1”为内部定义的一个变量,用来表示构件1的角速度。
每个矢量的方向均由图2中构件所约束,如
⊥
等,则其它矢量的大小依据约束条件自动生成。
(3) 写出加速度矢量方程式
;
依照相同的原理绘出加速度多边形,图4。
图4 加速度多边形
(4)求解
及
的值,其中
可以直接从图3和图4中读出,
利用方程式解出,见图5。
图5 Solidworks 软件的方程式窗口
从以上得到的计算结果(保留小数后3位),并与解析法的计算结果和基于AutoCAD 软件的图解法的计算结果进行对比,见表1:
表1 计算结果对比
从以上3种方法计算结果来看,基于Solidworks 软件的图解法在机构运动分析中与解析法的相对误差已在千分之一以下,精度完全可以满足设计的需要。
3 结论
采用Solidworks 软件在作图方面比AutoCAD 软件更加便捷。它采用几何尺寸和几何关系确定几何图形的方式与图解法具有相同的思路,加上方程式功能,使相应的尺寸自动生成,几乎不需要辅助线,界面清晰简捷。
此外Solidworks 软件还有许多优点,如机构简图绘出后,可以利用其拖曳功能使原动件运动,机构受到几何关系的约束模拟真实运动同时,速度多边形和加速度多边形也随之变动,其方向和大小受几何关系和方程式的共同约束自动产生,因此可以得到不同位置的机构运动状况,甚至由此可以绘出机构的运动曲线。另外应用Solidworks 软件还可以用图解法解决机械原理、机械设计中其它机构的运动分析及参数化设计。
相关标签搜索：SolidWorks对机构进行运动分析的图解方法 Fluent、CFX流体分析 HFSS电磁分析 Ansys培训 Abaqus培训 Autoform培训 有限元培训 Solidworks培训 UG模具培训 PROE培训 运动仿真
