哈工程機(jī)械動(dòng)力學(xué)大作業(yè)

1、機(jī)械動(dòng)力學(xué)大作業(yè)含彈性擺桿的鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)仿真學(xué) 號(hào)：院系名稱(chēng)：機(jī)電工程學(xué)院專(zhuān) 業(yè)：機(jī)械工程學(xué)生姓名：本次進(jìn)行設(shè)計(jì)和分析的對(duì)象為平面鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)，在Adams的環(huán)境下，通過(guò)對(duì)四桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行建模以及運(yùn)動(dòng)仿真，繪制出擺桿的相關(guān)曲線圖。為了形成有效的對(duì)比，先建立含有剛性擺桿的四桿機(jī)構(gòu)，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，繪制出擺桿的相關(guān)曲線。再建立含有柔性擺桿的鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)，所有參數(shù)設(shè)置均和剛性擺桿一樣?？紤]到彈性搖桿可能發(fā)生較大的形變，不利于觀測(cè)，繪制搖桿運(yùn)動(dòng)曲線時(shí)選擇搖桿的質(zhì)心作為參考點(diǎn)。在Adams中主要有三種方法創(chuàng)建柔性構(gòu)件，第一種是將剛性構(gòu)件離散化后采用柔性梁連接；第二種是直接將剛體替換為柔性體；第三種是運(yùn)用

2、有限元分析的方法建立柔性構(gòu)件。本次建模，主要采用前兩種方法建立柔性擺桿。運(yùn)用有限元建立柔性構(gòu)件，等以后再進(jìn)行深入研究。同時(shí)兩種方法建立的柔性桿可以形成對(duì)比。通過(guò)本次設(shè)計(jì)，主要學(xué)習(xí)了Adams 軟件建模以及運(yùn)動(dòng)仿真、圖形處理、剛?cè)峄旌辖５牟僮鞣椒ǎ瑢?duì)自己也是一個(gè)很大鍛煉和提升。設(shè)計(jì)的為平面曲柄搖桿機(jī)構(gòu)。相關(guān)參數(shù)如：曲柄長(zhǎng)L=200mm，寬W=60mm,高D=30mm；連桿長(zhǎng)L=427mm,寬W=30mm,高D=20mm；搖桿長(zhǎng)L=403mm，寬W=40mm，高D=20mm；機(jī)架長(zhǎng)L=600mm，寬W=40mm，高D=20mm；曲柄角速度為40deg/sec。經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，最短桿長(zhǎng)度加上最長(zhǎng)桿長(zhǎng)度小

3、于中間兩根桿的長(zhǎng)度之和，滿(mǎn)足曲柄存在的條件，且最長(zhǎng)桿為機(jī)架，故為曲柄搖桿機(jī)構(gòu)。一、建模過(guò)程1、建立四個(gè)標(biāo)記點(diǎn)，這四個(gè)點(diǎn)依次連接就可以確定一個(gè)鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)。2、建立四根桿的模型3、在桿件之間添加轉(zhuǎn)動(dòng)副4、選擇最長(zhǎng)桿為機(jī)架并固定5、給曲柄添加驅(qū)動(dòng)，使曲柄角速度為40deg/sec。6、使模型的顯示方式為實(shí)體顯示7、進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，主要通過(guò)時(shí)間和步長(zhǎng)來(lái)控制仿真運(yùn)動(dòng)的快慢。8、載入動(dòng)畫(huà)，進(jìn)行圖像處理，繪制曲線圖。9、將剛性搖桿換成柔性的搖桿并添加轉(zhuǎn)動(dòng)副和驅(qū)動(dòng)10、進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真11、載入動(dòng)畫(huà)，進(jìn)行圖像處理，繪制曲線。12、將連桿改為柔性體，添加轉(zhuǎn)動(dòng)副，并生成模型，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真。13、 載入動(dòng)畫(huà)，生成曲線圖

4、。14、 將搖桿換成彈性體，生成模型，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真。15、 載入動(dòng)畫(huà)，進(jìn)行圖像處理，生成數(shù)據(jù)。二、運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)分析圖1 剛性擺桿質(zhì)心位移圖2 柔性擺桿質(zhì)心位移圖3 柔性擺桿質(zhì)心位移分析圖1，圖2，圖3 分析擺桿質(zhì)心位置的變化曲線。剛性和柔性擺桿質(zhì)心的初始位置的X坐標(biāo)均為500mm，Y坐標(biāo)均為175mm，Z坐標(biāo)均為0，說(shuō)明兩次運(yùn)動(dòng)過(guò)程起始位置一模一樣，兩個(gè)模型具有對(duì)比性。剛性擺桿和柔性擺桿質(zhì)心的位置均按類(lèi)似余弦曲線變化，說(shuō)明搖桿在一定角度范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，與預(yù)期相符合。由圖中觀察和數(shù)據(jù)分析，周期T大概為9s左右，從而驗(yàn)證了角速度為40 。其中剛性擺桿最低點(diǎn)Y坐標(biāo)大約為50mm左右，說(shuō)明搖桿沒(méi)有運(yùn)動(dòng)到

5、水平位置，最高點(diǎn)大約為200mm左右，說(shuō)明當(dāng)曲柄和連桿共線時(shí)，搖桿接近和機(jī)架垂直。柔性擺桿質(zhì)心最低位置Y坐標(biāo)大約25mm，說(shuō)明搖桿也沒(méi)有運(yùn)動(dòng)到水平位置，最高位置Y坐標(biāo)也約為200mm，說(shuō)明曲柄和連桿共線時(shí)，搖桿也能和機(jī)架接近垂直。柔性擺桿最低點(diǎn)Y坐標(biāo)小于剛性擺桿，可能是由于桿發(fā)生了彎曲變形。在任意時(shí)刻，柔性擺桿的X坐標(biāo)均大于剛性擺桿的，說(shuō)明桿發(fā)生彎曲了，使得X坐標(biāo)增大。Z坐標(biāo)沒(méi)有變化且為0，說(shuō)明機(jī)構(gòu)在XY平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)，與預(yù)期相符合。由圖還看出曲柄搖桿機(jī)構(gòu)具有急回特性。無(wú)論在什么方向上，擺桿質(zhì)心的坐標(biāo)始終為正，說(shuō)明擺桿在XY平面的第一象限內(nèi)運(yùn)動(dòng)，并且擺角不超過(guò)180度。圖4 剛性擺桿質(zhì)心速度曲線圖

6、5 柔性擺桿質(zhì)心速度曲線圖6 柔性擺桿質(zhì)心速度曲線分析圖4，圖5，圖6分析擺桿質(zhì)心速度變化曲線。在Z方向上，剛性桿和柔性桿質(zhì)心速度始終為0，可見(jiàn)機(jī)構(gòu)在XY平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)。在X方向上，剛性桿質(zhì)心初始速度為-57mm/s,而柔性桿在X方向上速度為0，由此可以看出，對(duì)于剛性桿，任一點(diǎn)的速度都可以用質(zhì)心的速度來(lái)代替，而柔性桿則不可以。剛性桿運(yùn)動(dòng)時(shí)整個(gè)桿件同時(shí)運(yùn)動(dòng)，而柔性桿則是由一部分帶動(dòng)另一部分類(lèi)似于波的傳播過(guò)程。從圖中看出，無(wú)論剛性還是彈性的擺桿，質(zhì)心的速度均有正有負(fù)，說(shuō)明搖桿是往復(fù)擺動(dòng)，符合實(shí)際。在Y方向上,剛性擺桿質(zhì)心初始速度為-33mm/s，而柔性桿初始速度為0，也說(shuō)明了剛性構(gòu)件和彈性構(gòu)件在運(yùn)動(dòng)時(shí)

7、的不同。剛性擺桿質(zhì)心最低速度大于25mm/sec,而柔性擺桿質(zhì)心最低速度小于25mm/sec,說(shuō)明柔性擺桿由于彎曲變形，使得運(yùn)動(dòng)速度變得緩慢。剛性擺桿和柔性擺桿質(zhì)心的最大速度幾乎相同，說(shuō)明此時(shí)雖然柔性擺桿發(fā)生了彈性形變，但是對(duì)速度的影響很低。剛性擺桿速度在最大值附近瞬間變化，而柔性擺桿幾乎是緩慢過(guò)渡。在Adams中，對(duì)剛性擺桿質(zhì)心的位移曲線對(duì)時(shí)間求導(dǎo)數(shù)可以得到質(zhì)心的速度變化曲線，和直接生成的質(zhì)心速度曲線一致。從中可以看出，速度的變化周期為9s，和預(yù)期相符合。而對(duì)柔性桿，由于是將構(gòu)件離散化后采用柔性梁連接，屬于不連續(xù)體，不能直接對(duì)質(zhì)心的位移變化曲線求導(dǎo)來(lái)得到相應(yīng)的速度曲線。雖然X,Y方向速度有正

8、有負(fù)，但是空間的速度始終為正。圖7 剛性擺桿質(zhì)心加速度曲線圖8 柔性擺桿質(zhì)心X方向加速度圖9 柔性擺桿質(zhì)心加速度分析圖7，圖8，圖9由圖可以看出，剛性擺桿和柔性擺桿區(qū)別十分明顯。剛性擺桿呈現(xiàn)明顯的周期性，而柔性擺桿只在X方向上有周期性。對(duì)于剛性擺桿，加速度最小值為-50mm/,最大值為60mm/。分析圖9可知，對(duì)于柔性擺桿，在剛啟動(dòng)瞬間，加速度有一個(gè)突變，之后幾乎一直為零，說(shuō)明柔性體在Y方向上幾乎不受力。由圖7和圖8均可分析出，搖桿運(yùn)動(dòng)的周期為9s。圖10 剛性擺桿質(zhì)心角速度圖11 柔性擺桿質(zhì)心角速度圖12 柔性擺桿質(zhì)心角速度分析角速度圖10和圖11說(shuō)明，在繞X軸和繞Y軸，擺桿的角速度都為0，

9、說(shuō)明角速度為繞Z軸施加。在繞Z軸，角速度有正有負(fù)，說(shuō)明擺桿是往復(fù)擺動(dòng)。繞Z軸的角速度和擺桿在空間的角速度曲線在03秒內(nèi)完全重合，說(shuō)明繞Z軸的角速度即為擺桿的角速度。雖然繞Z軸角速度有正，有負(fù)，但是在空間，擺桿的角速度始終為正。剛性擺桿最大角速度為22.5deg/sec，最小角速度為-22.5dec/sec。說(shuō)明剛性擺桿是左右對(duì)稱(chēng)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。柔性擺桿最大角速度36dec/sec，最小角速度-33dec/sec，最大和最小角速度絕對(duì)值不等，說(shuō)明擺桿在經(jīng)過(guò)同一位置時(shí)往復(fù)運(yùn)動(dòng)速度不一樣。從圖可以清楚的看出擺桿運(yùn)動(dòng)的周期為9s。擺桿在空間的角速度始終為正，當(dāng)繞Z軸的角速度為負(fù)時(shí)，將曲線沿著X軸翻轉(zhuǎn)就得到

10、了擺桿在空間的曲線。圖12說(shuō)明，啟動(dòng)瞬間，擺桿的角速度有一個(gè)變化的過(guò)程，之后和圖10，圖11幾乎一樣，說(shuō)明采用兩種方法建立的柔性體十分類(lèi)似。圖13 剛性擺桿質(zhì)心角加速度圖14柔性擺桿質(zhì)心角加速度圖15 柔性擺桿質(zhì)心角加速度分析角加速度曲線對(duì)比分析圖13和圖14，在X,Y方向上，角加速度均為0，和角速度曲線符合。在0到6s內(nèi)，剛性擺桿角加速度有兩個(gè)最大值，分別為19.5,7.5，一個(gè)最小值點(diǎn)為4.5，在1.5秒和6秒的時(shí)候，角加速度為0.且在空間的角加速度為沿著軸的角速度沿著X軸翻轉(zhuǎn)。整個(gè)周期內(nèi)最大角加速度為24，最小角加速度為-19.5.角加速度的變化周期為9秒。柔性擺桿有三個(gè)最值，兩個(gè)最小值

11、，兩個(gè)0點(diǎn)。變化周期為9秒。而對(duì)于圖15，空間角加速度在啟動(dòng)瞬間有一個(gè)突變，之后一直為0 。圖16 連桿和剛性搖桿之間的轉(zhuǎn)動(dòng)副受力曲線圖17 連桿與柔性搖桿之間的轉(zhuǎn)動(dòng)副受力曲線圖18 連桿與柔性搖桿之間的轉(zhuǎn)動(dòng)副受力曲線分析受力曲線 對(duì)比分析可知，轉(zhuǎn)動(dòng)副受力明顯不一樣，剛性的時(shí)候轉(zhuǎn)動(dòng)副受力比較小，而柔性的時(shí)候轉(zhuǎn)動(dòng)副受力明顯比較大。在空間，轉(zhuǎn)動(dòng)副受到的力始終為正。剛性擺桿在X方向，受力始終為負(fù)值，Y方向上有正值和負(fù)值，Z方向上不受力。柔性擺桿在X方向上受力有正值和負(fù)值，在Y方向上有正值和負(fù)值，在Z方向上不受力。圖18說(shuō)明，啟動(dòng)瞬間，轉(zhuǎn)動(dòng)副受力有突變。圖19 曲柄角速度曲線圖19 說(shuō)明，曲柄是勻速轉(zhuǎn)

12、動(dòng)的，從而驗(yàn)證了其它曲線圖的正確性。從角速度和周期的角度來(lái)看，互相印證，說(shuō)明了本次結(jié)果的可靠性。三、結(jié)論1、 絕對(duì)剛體在現(xiàn)實(shí)生活中是不存在的，平時(shí)我們?cè)谧鲇嘘P(guān)桿件的計(jì)算時(shí)，如果不考慮應(yīng)力和應(yīng)變，可以將桿件看成剛體。如果需要研究應(yīng)力和應(yīng)變，可先將物體當(dāng)作剛體，用理論力學(xué)的方法求得加給它的各未知力，然后再用變形體力學(xué)，包括材料力學(xué)、彈性力學(xué)、塑性力學(xué)等的理論和方法進(jìn)行研究。2、 作為傳動(dòng)構(gòu)件，如果傳遞的載荷比較大，則必須要考慮到構(gòu)件的變形，否則可能引起重大的事故發(fā)生。3、 在曲柄搖桿機(jī)構(gòu)中，曲柄的剛性也很重要，如果曲柄很容易發(fā)生變形，很有可能無(wú)法帶動(dòng)整個(gè)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)。4、 對(duì)于無(wú)法直接獲得的柔性體，可以考慮采用離散柔性連接件的方法來(lái)獲得柔性體。對(duì)于任何一個(gè)剛體，可以將其