基于Solid Works的雙擺桿擺角放大機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真分析*

張曉露，吳德峰

(1.空軍工程大學(xué)航空航天工程學(xué)院，陜西西安 710038;2.中航工業(yè)西安飛行自動(dòng)控制研究所，陜西西安 710065)

1 引言

機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析，一般是避開作用力，只從幾何上來分析機(jī)構(gòu)的位移、速度和加速度等情況，是機(jī)械分析的基礎(chǔ)［1］。機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析的方法主要有圖解法和解析法，圖解法的特點(diǎn)是形象直觀，一般也較簡(jiǎn)單(對(duì)于平面機(jī)構(gòu))，但精度不高;解析法的特點(diǎn)是把機(jī)構(gòu)問題從數(shù)學(xué)上進(jìn)行深化分析，因而精度很高，但比較抽象，計(jì)算也較繁瑣。隨著計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的發(fā)展，利用CAD/CAE軟件對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真分析成為一種重要手段，可使機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析在精確高效的基礎(chǔ)上更加形象、生動(dòng)。

SolidWorks軟件具有零件三維設(shè)計(jì)、裝配、分析、工程圖等強(qiáng)大功能，以其優(yōu)異的性能、易用性和創(chuàng)新性，極大地提高了機(jī)械工程師的設(shè)計(jì)效率，因而廣泛應(yīng)用于機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域［2］。筆者利用SolidWorks軟件對(duì)雙擺桿擺角放大機(jī)構(gòu)進(jìn)行三維實(shí)體建模及裝配，并運(yùn)用Motion模塊進(jìn)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真分析，得出機(jī)構(gòu)的角位移、角速度和角加速度隨時(shí)間變化的曲線。

2 三維建模

雙擺桿擺角放大機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖如圖1所示。為便于對(duì)常用平面機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析，利用SolidWorks軟件建立了機(jī)架及具有不同結(jié)構(gòu)尺寸的常用構(gòu)件(零件)模型，如圖2和圖3所示，根據(jù)雙擺桿擺角放大機(jī)構(gòu)各構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)尺寸進(jìn)行選用。

圖1 雙擺桿擺角放大機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖

圖2 機(jī)架三維模型

圖3 常用構(gòu)件三維模型

3 機(jī)構(gòu)裝配

一個(gè)機(jī)構(gòu)往往由多個(gè)構(gòu)件(零件)裝配而成，建立了構(gòu)件(零件)模型后，就可在SolidWorks軟件環(huán)境中進(jìn)行虛擬裝配，為機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析做好準(zhǔn)備。裝配設(shè)計(jì)一般有兩種基本方式:自底向上裝配和自頂向下裝配，本文中已設(shè)計(jì)好全部的零件，將零件作為部件添加到裝配體中，屬于自底向上的裝配。SolidWorks的裝配模塊中提供了方便的部件定位方法，可以輕松的設(shè)置部件的位置關(guān)系，通過對(duì)部件添加多個(gè)配合，可以準(zhǔn)確的把部件裝配到位，從而形成復(fù)雜的裝配體。按照生成裝配體文件、導(dǎo)入三維模型、進(jìn)行虛擬裝配三個(gè)步驟，進(jìn)行雙擺桿擺角放大機(jī)構(gòu)的虛擬裝配，得到的裝配體如圖4所示。

圖4 雙擺桿擺角放大機(jī)構(gòu)裝配效果圖

4 運(yùn)動(dòng)仿真

在SolidWorks的Motion模塊下，機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真主要通過以下三個(gè)步驟進(jìn)行:一是對(duì)裝配好的機(jī)構(gòu)模型加載伺服馬達(dá)，使機(jī)構(gòu)產(chǎn)生一定形式的運(yùn)動(dòng);二是運(yùn)行一個(gè)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析，產(chǎn)生可視化的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過程，保存運(yùn)動(dòng)分析結(jié)果;三是進(jìn)行分析測(cè)量，得到分析測(cè)量圖形，同時(shí)輸出分析結(jié)果。

在雙擺桿擺角放大機(jī)構(gòu)中，對(duì)曲柄加載一個(gè)8r/min的等速馬達(dá)，通過運(yùn)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析，產(chǎn)生了整個(gè)機(jī)構(gòu)的一個(gè)可視化的運(yùn)動(dòng)過程。在分析測(cè)量階段，主要分析了輸出擺桿的角位移、角速度、角加速度隨時(shí)間變化的過程，如圖5～7所示。

圖5 角位移曲線圖

圖6 角速度曲線圖

圖7 角加速度曲線圖

5 結(jié)語(yǔ)

利用SolidWorks的Motion模塊對(duì)建立的雙擺桿擺角放大機(jī)構(gòu)虛擬樣機(jī)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，可以快速獲得輸出擺桿的角位移、角速度和角加速度曲線。從分析過程可知，運(yùn)用SolidWorks進(jìn)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真分析，具有很大的優(yōu)越性，它不但使機(jī)構(gòu)的造型形象化、可視化，而且也使得整個(gè)分析過程在精確、高效的基礎(chǔ)上更加形象、生動(dòng)，消除了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中的許多弊端。將它應(yīng)用于機(jī)械產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計(jì)中，可在產(chǎn)品設(shè)計(jì)的早期階段進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真分析或找出設(shè)計(jì)問題，這既能提高工作效率，又能降低產(chǎn)品制作成本。

［1］ 劉永強(qiáng)，仝崇樓.機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)［M］.北京:兵器工業(yè)出版社，2009.

［2］ 詹迪維.SolidWorks快速入門教程［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2008.