SolidWorksMotion运动仿真教程.ppt

Image courtesy of National Optical Astronomy Observatory,operated by the Association of Universities for Research in Astronomy,under cooperative agreement with the National Science Foundation.Motion 运动仿真培训1.About this course关于本课程Prerequisites前提条件Course Design Philosophy课程设计原理Using this book本书使用方法A note about files配套光盘说明Conventions used in this book本书中采用的原理Class Introductions课程介绍2 2.COSMOSWorksAdv.ProfessionalProfessionalDesign Validation Products设计仿真产品DesignerStaticVibration&BucklingThermalDrop TestFatigueNonlinearPost-dynamicsCOSMOSEMSElectromagneticCOSMOSMotionCOSMOSFloWorks Flow SimulationOptimization3.What is Motion Simulation 什么是运动仿真?Study of moving systems or mechanisms运动系统或机构研究Motion of a system is determined by运动系统定义：Mechanical joints connecting the parts零件的机械连接The mass and inertia properties of the components部件的质量和惯性特性Applied forces to the system(Dynamics)系统的作用力（动力学）Driving motions(Motors or Actuators)驱动运动（运动或致动器）Time时间4.Mechanism types机构类型Kinematic System运动学系统Movement of part(s)under enforced or constrained motion外加或强制运动下的部件动作Fully controlled and only one possible motion result irrespective of force and mass不考虑力和质量的全约束和单一运动的结果Zero degree of freedom零自由度Dynamic System动力学系统Movement of part(s)under free motion subject to forces自由运动物体与力作用下的零件运动Partially controlled and infinite number of results depending on forces依赖于力 的部分约束和无限数量的结果Greater than zero degrees of freedom自由度数大于零5.Understanding Basics运动基础Mass and Inertia质量和惯性Newtons First Law牛顿第一定律Conservation of momentum动力守恒Degrees of freedom自由度Rigid body刚性物体Grounded parts固定零件Moving parts运动零件Constraints约束Restrictions placed on a parts movement in specific degrees of freedom作用在零件运动上的特定自由度的限制Mechanical joints are connections that restrict the movement of one part to another 机械关节是约束零件相互运动的连接Joint motion运动副Gravity重力xyPendulum restrainedto pivot about mounting point6.7 2007 S一olidW个orks C点orp.对Confid点entia重l.Mapping of SolidWorks assembly mates(constraints)toCOSMOSMotion joints.映射SolidWorks装配体配合（约束）为COSMOSMotion的运动副100+ways of defining SolidWorks mates.100多种定义SolidWorks配合的方法Basic constraint types are merged to simplified mechanical joints.基础约束类型合并为简化的机械约束 One Orthogonal Concentric mate in SolidWorks becomes a Concentric joint.一个正交同轴配合转化为同轴副One Coincident and One Orthogonal Concentric mates i SolidWorks becomes a Revolute joint.一个重合和一个正交同轴配合转化为一个转动 副One Point to Point coincident mate in SolidWorksbecomes a spherical jointn合配合转化为一个球副。Constraint Mapping约束映射7.约束映射 什么是约束映射?是指在2个指定的零件之间，自动地、智能的将装配关系 转化为最小的机构运动幅的形式。基本的约束类型可以合并为 简单的机构运动幅，例如e.g.1 coincident joints becomes a planar joint2 orthogonal coincident joints becomes a translational joint 3 orthogonal coincident joints becomes a fixed joint1 Coincident and 1 orthogonal concentric becomes a revolute joint 所有的装配约束被映射为连接，包括曲面和曲面的约束(如：圆柱面/平面相切、圆柱面/圆柱面相切)。这些是共有的连接。8.映射的约束注注:SolidWorks 中中 有有100多种零件多种零件 约束的方式约束的方式SW GeometrySW Geometry装配关系装配关系运动约束运动约束PointPoint重合PointPointPointPoint距离PointPointDistPointLine重合PointLinePointLine距离PointLineDistPointPlane重合PointPlaneDistPointPlane距离PointPlaneDistPointCylinder重合PointLineDistPointCylinder同轴PointLineLineLine重合LineLineLineLine距离LineLineDistLineLine角度LineLineAngLineLine平行LineLineAng(0 deg.)LineLine垂直LineLineAng(90 deg.)9.10LinePlaneCOINCIDENTLinePlaneDistLinePlaneDISTANCELinePlaneDistLinePlanePARALLELLineLineAng(0 deg.)LinePlanePERPENDICULARLineLineAng(90 deg.)LineCylinderCOINCIDENTLineLineDistLineCylinderTANGENTLineCylTanLineConeCOINCIDENTLineLinePlanePlaneCOINCIDENTPlanePlaneDistPlanePlaneDISTANCEPlanePlaneDistPlanePlaneANGLELineLineAngPlanePlanePARALLELLineLineAng(0 deg.)PlanePlanePERPENDICULARLineLineAng(90 deg.)PlaneCylinderTANGENTPlaneCylTanCylinderCylinderCONCENTRICLineLineCylinderCylinderTANGENTLineCylTanCylinderConeCONCENTRICLineLineConeConeCONCENTRICLineLine10.计算机如何进行运动分析？11 程序在每一个时间步都应用修正的Newton-Raphson迭代法进行运算 采用很小的时间步，软件就会预测零件相对于原始条件或当前 时间步的下一个时间步的位置 仿真求解必须满足以下要求：零件的速度零件的速度零件间的配合关系零件间的配合关系 力和加速度力和加速度结果会一直迭代计算直到达到该时间步上的力和加速度值的结果会一直迭代计算直到达到该时间步上的力和加速度值的某一精度为止。某一精度为止。11.运动副基础知识（1）原点原点方向方向Revolute铰接副铰接副约束约束2个旋转，个旋转，3个移动自由度个移动自由度构件构件1构件构件2Cylindrical圆柱副圆柱副约束约束2个旋转，个旋转，2个移动自由度个移动自由度12.运动副基础知识（2）原点原点方向方向原点原点y-axisx-axisz-axisTranslational 移动副移动副Spherical球形副球形副约束约束3个旋转，个旋转，2个移动自由度个移动自由度约束约束3个移动自由度个移动自由度13.运动副基础知识（3）连接点连接点轴轴 1轴轴 2原点原点方向方向Planar平面副平面副Universal万向副万向副约束约束1个旋转，个旋转，3个移动自由度个移动自由度约束约束2个旋转，个旋转，1个移动自由度个移动自由度14.运动副基础知识（4）原点原点Fixed固定副固定副Screw螺旋副螺旋副约束约束3个旋转，个旋转，3个移动自由度个移动自由度约束约束1个自由度个自由度2个构件可以不平行于移动和旋转轴，但个构件可以不平行于移动和旋转轴，但2个构件的个构件的Z轴轴 应该平行且方向一致。应该平行且方向一致。移动和旋转轴移动和旋转轴螺距螺距15.运动副基础知识（5）原点原点方向方向1st Axis2nd AxisParallel平行轴平行轴约束构件约束构件1的的Z轴，始终平行于构件轴，始终平行于构件2的的Z轴轴 即构件即构件1只能绕构件只能绕构件2的一个轴旋转的一个轴旋转约束约束2个旋转自由度个旋转自由度Perpendicular垂直轴垂直轴约束构件约束构件1的的Z轴，始终垂直于构件轴，始终垂直于构件2的的Z轴轴 即：构件即：构件1只能绕构件只能绕构件2的二个轴旋转的二个轴旋转约束约束1个旋转自由度个旋转自由度16.运动副基础知识（6）连接点连接点方向方向连接点连接点指定指定的面的面X参考轴参考轴In Line点在直线上点在直线上约束构件约束构件1的连接点，只能沿着构件的连接点，只能沿着构件2连接点连接点 标记的标记的Z轴运动轴运动约束约束2个移动自由度个移动自由度In Plane点在面内点在面内约束约束3个旋转自由度个旋转自由度约束约束2个构件之间的相对转动个构件之间的相对转动17.运动副基础知识（7）Orientation方向方向约束约束3个旋转自由度个旋转自由度约束约束2个构件之间的相对转动个构件之间的相对转动18.CosmosMotion机构基础 刚性实体：1、在Motion中，所有构件都被作为理想刚体。意味着零件内 部没有变形，在仿真过程中构件不会变形或改变形状。一个刚 性构件可以是单一的SolidWorks零件或子装配体。2、SolidWorks零件或子装配体的两种状态：固定或灵活。3、一个刚性的子装配体就是指组成子装配体的独立部件被刚 性地相互附加（焊接）在一起，如果它们也是单一零件。19.CosmosMotion机构基础20 固定零件 一刚性零件可被当作固定构件或浮动（运动的）零件。固定零件就是绝对静止。每一固定的实体都具有0个自由度 固定零件承担为运动刚性实体的参考结构 SolidWorks中，装配体中的固定零件会自动地被处理为固定构件，在开始一个新的机构和映射装配体约束时。20.CosmosMotion机构基础 浮动零件 机构中可以运动的部件被当作是活动构件。每个活动构件有六个自由度。SolidWorks中，装配体中的浮动零件会自动地被处理为活动 构件，在开始一个新的机构和映射装配体约束时。21.CosmosMotion机构基础 配合 SolidWorks配合充分定义刚性构件如何连接以及它们之间如何相互运动。配合从零件的连接中移除自由度。在两个刚性构件中添加配合，例如同轴配合，就移走了自由度，致使它们相对于其它构件保持定位，即使机构中存在运动或 作用力。22.CosmosMotion机构基础 电机 电机可为零件定义在一个时间段内的运动。电机可定义位移，速度，或作为时间函数的加速度。23.CosmosMotion机构基础 重力 当零件的重量对运动仿真有影响时，重力是一个非常重要的数量，例如自由落体。重力有两部分组成：重力矢量方向重力矢量方向 重力加速度的幅值重力加速度的幅值 重力属性对话框可以指定方向和重力矢量值，可以在对应的文 本框内输入x,y,z方向的值，或通过指定一个参考平面。幅值 必须单独输入。默认的重力矢量值为（0，-1，0），幅值为 386.22in/s2(或与当前激活单位的当量值）24.CosmosMotion机构基础 约束映射概念25.CosmosMotion机构基础 力 当在CosmosMotion中定义各种力时，必须指定力的位置和方 向。这些位置和方向可以从选定的SolidWorks实体中派生出 来。实体可以是草图点，顶点，边线和面。26.User Interface用户界面27.总结28.Image courtesy of National Optical Astronomy Observatory,operated by the Association of Universities for Research in Astronomy,under cooperative agreement with the National Science Foundation.Lesson 1第1课Car Jack汽车千斤顶29.Lesson 1:Topics内容Introduction to the COSMOSMotion Feature ManagerCOSMOSMotion特征管理器介绍Understand basic capabilities of COSMOSMotionCOSMOSMotion的基本能力Run a Simulation运行仿真Create a result plot创建结果输出30.Cosmosmotion界面1、SolidWorks特征树特征树 4、动画和特征时间线、动画和特征时间线2、运动类型选项框、运动类型选项框3、Motion特征管理器特征管理器5、MotionManager工具条工具条31.Lesson1:模型说明A mechanical jack is a device that lifts heavy equipment.The most common form is a car jack,floor jack,or garage jack which lifts vehicles so that maintenance can be performed.Car jacks usually use mechanical advantage to allow a human to lift a vehicle.More powerful jacks use hydraulic power to provide more lift over greater distances.Mechanical jacks are usually rated for a maximum lifting capacity(e.g.,1.5 tons or 3 tons).机械千斤顶是提升重型设备的装置。最常见的样式是轿车千斤 顶，地板千斤顶、车库千斤顶，用以提升汽车，以方便维修。轿车千斤顶通常借助机械优势让一个人就可提升汽车。更强大 的千斤顶使用液压动力可以提供更远距离的举升。机械千斤顶 通常以最大提升能力分级（例如1.5吨或3吨等）32.Lesson 1:Simulation Goal 仿真目标33.Lesson 1：Analysis Step分析步骤（1）1、Open the assembly：to open the assembly file Car_Jack.sldasm from the Lesson01 folder.打开装配体：Car_Jack.sldasm（文件夹Lesson01）2、Change to the Motion Study.切换到运动算例3、Create a Motor that drives the Screw_rod at 5 RPM创建电机，驱动丝杠：5rpm.、Type of Study研究类型、Run the Animation for 5 seconds.运行一个5秒的动画、Run the Animation for 8 seconds2运行一个8秒的动画3、Rename the Assembly Simulation study重命名装配体算例34.Lesson 1：Analysis Step分析步骤（2）358Duplicate the Assembly motion study to create a new Motion Study复制装配体算例创建一个新的运动算例9Ensure that COSMOSMotion is added in启动COSMOSMotion插件10Select COSMOSMotion as the Type of study选择COSMOSMotion作为研究类型11Apply Gravity to the assembly应用重力到装配体12Create a contact condition between SprocketLink3 and SprocketLink4.在SprocketLink3 和 SprocketLink4.间设定接触条件Create similar contact condition between SprocketLink1 and SprocketLink2.SprocketLink1和 SprocketLink2之间创建一个同样的接触条件Create a force of 2000 lbs to simulate the weight of the car on the car jack.11创建一个2000lbs的力，以模拟汽车重量作用在千斤顶上。35.3615Run the Simulation for 8 seconds.运行一个8秒的仿真16Plot the torque required to lift the weight of the car.输出提升汽车重量所需的扭矩17Plot the power consumed to lift a weight of 2000 lbs.输出提升2000lbs重量所需消耗的功率18Rotate assembly转动装配体19Play the animation.播放动画20Enable View Key Creation.激活视窗键创建15Create a new view key.建立一个新的视窗键Reorient the view定位视窗15Play the animation 2007 SolidWorks Corp.Confidential.16播放动画Lesson 1：Analysis Step分析步骤（3）36.Lesson 1：Analysis Step分析步骤24 Save and close assembly.保存和关闭装配体37.Lesson 1:Defining and Simulating a Mechanism第1课：定义和仿真一个机构Parts部件Moving Parts运动部件Ground Parts固定部件Constraints约束Joints运动副Joint Primitives基本副Cam Constraints凸轮 约束ForcesApplied Forces施加力Flexible Connectors连接柔性处理Gravity重力Results结果添加电机添加电机折叠运动管理器折叠运动管理器38.39.40添加马达40.运行一个8秒的动画计算按钮时间线关键码41.备注：备注：运动算例简介运运动动算算例例是是装装配配体体模模型型运运动动的的图图形形模模拟拟。您您可可将将诸诸如如光光源源和和 相相机机透透视视图图之之类类的的视视觉觉属属性性融融合合到到运运动动算算例例中中。运运动动算算例例不不更更改改 装装配配体体模模型型或或其其属属性性。它它们们模模拟拟并并动动作作给给模模型型规规定定的的运运动动。可可使使 用用 SolidWorks 配配合合在在您您建建模模运运动动时时约约束束零零部部件件在在装装配配体体中中的的运运 动。动。可从运动算例使用可从运动算例使用 MotionManager，此为基于，此为基于时间线时间线的界的界面，面，包括有以下运动模拟工具：包括有以下运动模拟工具：装配体运动装配体运动 物理模拟物理模拟 COSMOSMotion42.比较 装配体运动（可在 SolidWorks核心包内使用）。您可使用装配体运动来动画装配体的运动：添加马达来驱动装配体一个或多个零件的运动。使用设定键码点在不同时间规定装配体零部件的位置。装配体运动使用插值来定义键码点之间装配体零部件的运动。物理模拟（可在 SolidWorks核心包内使用）。您可使用物理模拟在装配 体上模仿马达、弹簧、碰撞、以及引力。物理模拟在计算运动时考虑到质 量。物理模拟计算相当块，所以您可将之用来生成使用基于物理的模拟的 演示性动画。COSMOSMotion（可在 SolidWorks office premium 中使用。）您可使用 COSMOSMotion 在装配体上精确模拟和分析模拟单元的效果（包括力、弹簧、阻尼、以及摩擦）。COSMOSMotion 使用计算能力强大的动力 求解器，在计算中考虑到材料属性和质量及惯性。您也可使用 COSMOSMotion 为进一步分析标绘模拟结果。43.决定使用哪种算例类型决定使用哪种算例类型使用装配体运动为不需要考虑到质量或引力的运动生成使用装配体运动为不需要考虑到质量或引力的运动生成演示性动画。演示性动画。使用物理模拟生成考虑到质量、碰撞、或引力的运动的使用物理模拟生成考虑到质量、碰撞、或引力的运动的 演示性近似模拟。演示性近似模拟。使用使用 COSMOSMotion 运行考虑到装配体运动的物理运行考虑到装配体运动的物理特特 性的计算能力强大的模拟。该工具为以上三种选项性的计算能力强大的模拟。该工具为以上三种选项中计算能中计算能 力最强的。您对所需的运动的物理特性理解力最强的。您对所需的运动的物理特性理解越深，则您的结越深，则您的结 果越佳。您可使用果越佳。您可使用 COSMOSMotion 运行冲击分析算例以了运行冲击分析算例以了 解零部件对各种不同力的响应解零部件对各种不同力的响应。44.2007 SolidWorks Corp.Confidential.45MotionManager 工具工具45.模拟单元46.解算器没能收敛。可能原因是:1.解算器没能取得指定的精度。松弛 COSMOSMotion属性中的精度设定。2.如果模型中的零件快速移动，经常评估雅可比值。3.机制可能已锁定。以不同的初始配置开始模拟或者更改您 的马达以获得有效的运动。4.如果在模拟开始时就出现故障，使用较小的初始积分器步 长大小。5.尝试使用一严格解算器，如 WSTIFF。6.尝试在模型中避免激烈断续性，如突然运动变化，力变化或启用/禁用配合。7.您可能在使用速度极高的马达。尝试降低马达速度。8.确定任何时候只有一个马达在驱动某一零部件。47.Image courtesy of National Optical Astronomy Observatory,operated by the Association of Universities for Research in Astronomy,under cooperative agreement with the National Science Foundation.Lesson 2第2课Slider Crank Mechanism滑块曲柄机构滑块曲柄机构48.Lesson 2:Topics内容Create moving and ground parts建立运动和固定部件Review basic joint types in COSMOSMotion回顾COSMOSMotion中基本运动副类型Understand Automatic Constraint mapping理解自动约束映射Apply motion to a joint给运动副添加运动Create a result plot创建结果输出49.Lesson 2:Constraint Mapping Concept约束映射概念1 Coincident and 1 concentric mates becomes a revolute joint一个重合和同轴配合转化为转动副1 Concentric mate becomes a cylindrical joint一个同轴配合转化为圆柱副A point on a point coincident mate becomes a spherical joint一个点对点的重合配合转化为球副A point on an axis coincident mate becomes an Inline Joint轴上一点的重合配合转化为在线连 接50.Lesson 2:Results结果Collar-1 not only translates along collar_shaft-1 but also rotates.Collar-1（轴套）不仅沿collar_shaft-1（滑动轴）移动同时还绕轴转动。The rotation needs to be prevented转动必须消除51.Lesson 2:Motion on JointsJoint Types运动副类型运动副类型Type of motion allowed允许的运动类型允许的运动类型Available options under Motion On list应用选项应用选项Cylindrical圆柱副Rotation and translation in onedirection沿同一方向既移动又转动Rotate Z（转动）Translate Z（移动）Revolute转动副Only Rotation in one direction只允许在同一方向转动Rotate Z（转动）Translational移动副Only Translation in one direction只允许在同一方向移动Translate Z（移动）Spherical球副Rotations in all directions,Notranslation所有方向的转动，没有移动Rotate X（转动）Rotate Y（转动）Rotate Z（转动）52.Lesson 2:Results结果Power Consumption in Mechanism机构的能量消耗机构的能量消耗Why is Power Consumption negative in some places?为什么在某些位置能量消耗为负值？为什么在某些位置能量消耗为负值？53.Image courtesy of National Optical Astronomy Observatory,operated by the Association of Universities for Research in Astronomy,under cooperative agreement with the National Science Foundation.Lesson 3Piston Crankshaft Mechanism活塞曲柄机构活塞曲柄机构54.55 2007 SolidWorks Corp.Confidential.Lesson 3 Topics内容Review basic joint types in COSMOSMotion COSMOSMotion基本运动副回顾Create Mechanical Joints建立机械副Apply motion to a joint为运动副添加运动Create and review results创建和浏览结果55.56 2007 SolidWorks Corp.Confidential.Lesson 3:Basic Joint TypesJoints used to constrain the relative motion of a pair of rigid bodies by physically connecting them.物理连接的一对刚性体应用机械副约束相对运动Joint Primitives used to enforce standard geometric constraints 虚约束应用于强化标准几何约束56.Image courtesy of National Optical Astronomy Observatory,operated by the Association of Universities for Research in Astronomy,under cooperative agreement with the National Science Foundation.Lesson 4Door Mechanism门开关机构57.Lesson 4 Topics内容Create springs and damper entities in COSMOSMotionCOSMOSMotion中创建弹簧和阻尼器Attach different parts together to move them as a single entity绑定不同部件作为同一实体运动Constrain the motion of a cylindrical joint to achieve correctmechanism behavior约束圆柱副运动，实现正确的机构运动Modify springs and dampers to achieve desired design goals修改弹簧和阻尼器，实现设定的设计目标58.Lesson 4 Attaching PartsPhysically attach one part to another物理绑定一个零件到另一个零件上Two parts will be welded or rigidly connected to one another.两零件被焊接或刚性连接到一起No relative motion between the two parts消除两零件间的相对运动Initial orientation between the two parts will be locked and will be maintained throughout the simulation锁定两零件的原始定位，并在仿真求解中保持定位2#实体实体1#实体实体59.60Similar force expression applies to Torsional Springs近近 200似似7 So表表lidWo达达rks Co式式rp.C可可onfide用用ntial.于扭转弹簧于扭转弹簧Lesson 4:Springs弹簧Translational Spring Force（线性弹簧力线性弹簧力）=-k(X-X0)n+F0Where（这里）:k=Spring stiffness coefficient(always 0)弹簧刚度系数（总是0)X=Current distance between the spring connection pointsX0=Reference length of the spring(Free length)弹簧参考长度（自由长度）n=Exponent defining spring characteristic弹簧特性定义指数F0=Reference force of the spring(preload)参考力（预紧力）Positive force repels the two parts.正向力分离物体Negative force attracts the two parts.负向力拉近物体60.61近似表达式可用于扭转缓冲近似表达式可用于扭转缓冲器器 2007 SolidWorks Corp.Confidential.Lesson 4:Dampers缓冲器Translational Damper Force（线性阻尼力）（线性阻尼力）=c*vnWhere（此处）:c-Translational damping coefficient线性阻尼系数v-Current relative velocity between parts at the attachment points零件在连接点上的相对速度n-Exponent.指数Similar force expression applies to Torsional Dampers61.62 2007 SolidWorks Corp.Confidential.Lesson 4:Results结果gas_piston-1 not only translates along gas_cylinder-1 but also rotates.活塞沿缸体既移动又转动The rotation needs to be prevented消除转动62.63 2007 SolidWorks Corp.Confidential.Lesson 4:Results结果Velocity goal is satisfied速度目标应该满足：速度目标应该满足：Door does not stop in 30 seconds门应该不在门应该不在30秒内停下。秒内停下。Should we increase or decrease spring stiffness?应该减小还是增加弹簧刚度？应该减小还是增加弹簧刚度？Spring stiffness 弹簧刚度弹簧刚度:1 N/mmDamper Co-efficient阻尼系数阻尼系数:5 N(sec/mm)63.64 2007 SolidWorks Corp.Confidential.Lesson 4:ResultsVelocity goal is satisfied