运动仿真技术.doc

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1、一SW运动仿真1.简介二十世纪八十年代以来，设计工程中首次使用计算机辅助工程（CAE）方法后，有限元分析（FEA）就成了最先被广泛采用的模拟工具。多年来，该工具帮助设计者在研究新产品的结构性能时节约了大量时间。由于机械产品日渐复杂，不断加剧的竞争加快了新设计方案投入市场的速度。设计者迫切感到必须使模拟超出FEA的局限范围，除使用FEA模拟结构性能外，还需要在构建物理原型之前确定新产品的运动学和动力学性能。运动仿真（又称刚性实体动力学）提供了用于解决这些问题的模拟方法，并很快得到了广泛应用。2.用于机构分析与合成

2、的运动仿真假设设计者要设计一个用于绘制各种椭圆的椭圆规。在CAD装配体中定义配合后，便可使模型活动起来，以查看机构零部件的移动方式。虽然装配体动画可以显示装配体零部件的相对运动，但运动速度却没有意义，要得出速度、加速度、驱动力、反馈力、功率要求等结果，设计者需要一个更强大的工具，运动仿真便应运而生了。图1CAD动画制作器模拟的处于不同位置的椭圆规运动仿真可以提供运动机构所有零部件的运动学性能（包括位置、速度和加速度）和动力学性能（包括驱动力、反馈力、惯性力和功率要求）的完整量化信息。更重要的是，不用耗费更多时间

3、就可以获得运动仿真结果。因为执行运动仿真所需的所有内容都已在CAD装配体模型中定义好了，只需将它传输到运动仿真程序即可。在椭圆规案例中，设计者只需确定马达的速度，要绘制的点以及希望查看的运动结果。程序会自动执行其余的内容，无需用户干预，程序会自动用等式描述机构运动。数字解算器会很快解算出运动方程式，包括所有零部件的位移、速度、加速度、接点反作用力和惯性载荷以及保持运动所必需的功率的完整信息。（图2）图2由运动模拟器计算的椭圆规线速度和马达功率翻转滑杆机构运动模拟是机械运动学常见示例。为了获得曲柄以匀速旋转时摇臂

4、的角速度和加速度，可以使用多种分析方法来解决该问题。学生最常使用的是复数方法。但“手动”解决此类问题需要进行大量的计算，耗费时间。且滑杆的形体发生改变，整个计算过程都需从头再来。这对于学生来说也许是个有趣的作业，但在现实产品开发中根本不切实际。运动模拟软件使用CAD装配体模型中已有的数据可以即时模拟翻转滑杆的运动。图3翻转滑杆机构及摇臂角速度运动模拟还可以用于检查干涉，与使用CAD装配体动画进行干涉检查有很大不同。运动模拟对干涉检查进行实时管理，并提供所有零部件的精确空间和时间位置以及精确的干涉体积。当几何体发

5、生改变时，可在几秒内更新所有结果。图4为急回机构中滑杆和驱动连杆之间的干涉。图4急回机构中滑杆和驱动连杆之间的干涉运动模拟可在短时间内对任何复杂程度的机构进行分析，可能包含刚性连接装置、弹簧、阻尼器和接触面组。如雪地车前悬架、健身器、CD驱动器等的运动。图5复杂机构的运动仿真除机构分析外，设计者还可通过将运动轨迹转换成CAD几何体，将运动模拟用于机构合成。例如，设计一个沿着导轨移动滑杆的凸轮，用运动仿真生成该凸轮的轮廓。首先将所需滑杆位置表达为时间和滑杆在旋转凸轮上移动轨迹的函数，然后将轨迹路径转换为CAD几何

6、体，以创建凸轮轮廓。图6滑杆沿导轨移动的位移函数图7滑杆沿旋转盘移动绘制的凸轮轮廓设计者还可将运动轨迹用于很多用途，例如，验证工业机器人的运动、测试工具路径以获取选择机器人大小所需的信息，以及确定功率要求。图8工业机器人在多个位置之间的移动运动模拟的另外一项重要应用是模拟零部件之间的碰撞和接触，以研究零部件之间可能形成的缝隙，得出机构的精确结果。例如，通过模拟碰撞和接触，可以研究阀提升机构中凸轮和曲线仪（摇杆）之间可能形成的缝隙。3.将运动仿真与FEA结合想了解运动仿真和FEA在机构仿真中如何结合使用，首先要了

7、解每种方法的基本假设。FEA是一种用于结构分析的数字技术，已成为研究结构的主导CAE方法。它可以分析任何固定支撑的弹性物体的行为，此处弹性是指物体可变性。如图8所示托架，在静态载荷作用下会变形，到一定程度将不再变化；在动态载荷作用下，会围绕平衡位置振动。FEA可以研究在静态或动态载荷作用下托架的位移、应变、应力和振动。图9固定支撑的托架相反，局部支撑的物体，如托架上铰接的调速轮可以旋转而无需变形。调速轮可像刚性实体一样移动，因而该设备属于机构，而非结构。将调速轮视为刚性实体，则无法计算应变和应力，可使用运动仿真

8、来研究调速轮的运动。图10存在刚性实体运动的机构结构与机构之间的差异在于：结构在载荷作用下产生变形，存在应变和应力；机构在载荷作用下存在刚性实体的运动，无需变形。如图所示的两个设备，都有通过铰链连接到固定基体的摆动杆，区别在于2用弹簧将摆动杆与基体连接一起。1属于机构，因为摆动杆无论是围绕铰接链旋转，还是围绕平衡位置摆动，任何零件都无需变形，摆动杆显示的是刚性实体运动。因此将1设备归类