机械系统设计仿真大作业.doc

《机械系统设计仿真》大作业

一、简答题 （30分，每题5分）
1、机械系统设计的基本问题是什么?
答：机械系统设计的基本问题是机构的综合、运动学和动力学分析与设计。

2、 求解动力学的两个基本问题是什么?
答：两个基本问题是：一、动力学逆问题，己知运动求力；二、动力学正问题，已知力求运动。

3、 简述牛顿—欧拉法的解题步骤。
答： 采用牛顿—欧拉方法的基本步骤是先将系统的约束解除，分割成若干个单个的刚体或质点，然后对每个刚体或质点应用牛顿第二定律和欧拉动力学方程一一建立运动微分方程。

4、 简述主工具箱上部的12个图标的功能,如图1所示。
图1
答：图1所示主工具箱上部的12个图标的功能见下表 ：
位置：（行数，列数）
说明
（1，1）
选择命令
（1，2）
几何建模工具集
（1，3）
测量距离和角度工具集
（2，1）
后退或再做一次命令集
（2，2）
约束工具集
（2，3）
仿真分析命令
（3，1）
颜色设置命令集
（3，2）
运动约束工具集
（3，3）
回放访真分析结果命令
（4，1）
移动对象命令集
（4，2）
施加力工具集
（4，3）
调用后处理模块命令

5、 鼠标的右键操作主要应用于哪些场合?
答：使用鼠标右键的场合主要有：
1)显示建模过程中屏幕亡的各种对象的弹出式菜单，例如：构件、标记、约束、运动、力等。
2)在各种输入对话框中的参数文本输入栏，显示输入参数的弹出式菜单。
3)在后处理过程中，显示曲线图中各种对象的弹出式菜单，例如： 曲线、标题、坐标、符号标记等。
4)在主工具箱、快捷工具栏等有工具图标集的场合，显示所选择的工具图标集的所有图标命令。

6、 解释几何样机的参数化建模，并指出ADAMS／View提供的4种参数化建模方法。
答：1.参数化建模是将样机的建模参数设置为可以改变的变量、表达式和函数，在分析过程中，只需改变样机模型中有关参数值，程序就可以自动地更新整个样机模型，获得新的样机模型，以便预先设置可变参数，自动地进行一系列的仿真分析，研究一个或多个参数变化对样机性能的影响，获得最危险的操作工况以及最优化的设计结果。
图2
2.ADAMS／View提供了4种参数化建模方法：使用参数表达式、参数化点坐标、关联移动和使用设计变量。

二、图2所示为一单摆，质量为m，摆长为l。设摆的悬点P沿x轴
按xp＝Asinωt运动，讨论系统的自由度，并写出约束方程。(10分)
解：M、P共有2×N＝4个坐标，系统满足3个完整约束
XP＝Asint
YP＝0
（Xm－Yp）2＋Ym2＝L2
该系统没有非完整约束，因此是一个完整系统，其自由度数为4－3＝1。
图3

三、图3所示一长方块，设其上、下面均是边长为3的正方形，高为4。在C点沿棱边方向建立一直角坐标系C一e1e2e3，现该物块绕CD转动180º。试用方向余弦求物块转动后，C一e1e2e3系的最终状态相对其最初状态的空间关系A。
解：方向余弦描述：
先将物块绕e1转动一α角，使e2与CD重合，由几何关系可知cosα＝3／5，sinα＝4／5；再将物块绕当前的e2转180°；最后，将物块绕当前的e1转(一α)角。经过这三次转动得到了C一e1e2e3最终位置。设三次转动曲的方向余弦矩阵为A1、A2、A3，则

于是得 ：

四、 曲柄滑块机构如图4所示。已知：圆盘1的半径R＝350mm，厚度t＝100mm，材料密度为7.8×10-3kg／cm3；连杆2长度L=1000mm，宽度b＝150mm，厚度t＝50mm，质量Q＝65kg；滑块3长度L＝400mm，高度h＝300mm，厚度t＝300mm。试描述建立该曲柄滑块机构几何样机模型的方法和步骤，并给出上机建模后的结果。

图4
解： 1、圆盘几何建模步骤：
1)在几何建模工具集，选取圆柱体建模工具。
2)在参数设置栏，设置New Part：Length=ON，Length=0.1；Radius＝ON，Radius＝0．3。
3)用鼠标选择POINT_1点为起始绘图点，拖动鼠标，此时可以看见几何形体随鼠标拖动改变方向。释放鼠标键，完成圆盘形体建模。
4)改变圆盘方向。用鼠标选择屏幕上无对象处，或选择，放弃当前对圆盘的选择；将鼠标置于刚建的圆柱体上，用右键显示弹出式菜单；在Part_1下方，选择Marker_1，再选择Modify，显示修改对话框；修改Orientation栏为（0.0，0.0，0.0)，选择OK按钮。可以看见圆盘改变了放置方向。
5)改变圆盘位置。在主工具箱，选择；选择不同视图方向工具，从不同的方向观看圆盘，可以看到圆盘在z轴方向不对称于栅格平面。选择Marker_1，再选择Modify，显示修改对话框；在Location栏，将(0，0，0)改为(0，0，-0．05) ；选择OK按钮，圆盘移动到对称于栅格平面的位置。
6)改变圆盘名称。将鼠标置于圆盘处，显示弹出式菜单，选择PART_1，再选择Rename，显示改名对话框：在New Name栏，将PART_1改为wheel，选择0K按钮。
7)设置圆盘物理性质。在圆盘处，显示弹出式菜单，选择wheel，再选择Modify，显示修改对话框；在Mass ＆ Inertia defined by栏，选择Geometry and Density，在Density栏，输入7800；选择Apply，然后选择Show calculated Inertia，查看在当前的材料密度下，圆盘的质量和转动惯量；选择OK按钮。

2、连杆几何建模步骤：
1)在几何建模工具集，选取连杆建模工具。
2)在参数设置栏，选择New Part，Width=ON，Width＝0.15；Depth=ON，Depth=0.05。
3)选择POINT_2点为起始绘图点，拖动鼠标到POINT_3，释放鼠标键，完成建模。
4)改变连杆名称。在连杆处，显示弹出式菜单，选择PART_2，再选择Rename, 显示改名对话框；在New Name栏，将PART_2改为coupler，选择OK按钮。
5)设置连杆物理性质。在连杆处，显示弹出式菜单，选择coupler，再选择Modify，显示修改对话框；在Mass ＆Inertia defined by栏，选择User Input：输入：Mass＝65，Ixx=0.132，Iyy＝6.8，Izz＝6.91；选择0K按钮。

3、滑块几何建模步骤：
1)在几何建模工具集，选取长方体建模工具。
2)在参数设置栏，选择：New Part，Depth＝ON，Depth＝O.3。
3)选择点(1.15，-0.15，0)为起始绘图点，拖动鼠标到点(1.55,0.15,0)，释放鼠标键，产生滑块几何模型。
4)改变滑块位置。在点(1.15，-0.15，0)处，显示弹出式菜单，选择Marker_1，再选择Modify，显示修改对话框；在Location栏，将(1.15，-0.15，0)改为(1.15，-0.15，-0.15)，选择0K按钮。
5)改变滑块名称。在滑块处，显示弹出式菜单，选择PART_3，再选择Rename，显示改名对话框；在New Name栏，将PART_3改为piston，选择OK按钮。
6)设置滑块物理性质。在滑块处，显示弹出式菜单，选择piston，再选择Modify，显示修改对话柜；在Mass ＆Inertia defined by栏，选择Geometry and Material Type；在Density栏，显示弹出式菜单，选择Material，再选择Browse，显示数据库浏览器，选择Brass，选择0K按钮，输入黄铜材料；选择Apply，然后选择Show calculated inertia，观察在黄铜材料下，滑块的质量和转动惯量；选择OK按钮。

采用轴测投影显示曲柄滑块机构样机几何模型，如下图所示。

图：样机中曲柄滑块机构几何模型

五、对图4曲柄滑块机构的样机进行参数化，用设计变量表示曲柄半径和连杆长度、其他尺寸不变。试描述参数化该样机模型的方法和步骤。
解：参数化曲柄滑块机构
1、产生设计变量
1)将鼠标置于POINT_2处，显示弹出式菜单；选择POINT_2，再选择Modify，显示表格编辑器。
2) 选择POINT_2的Loc_x栏，在输入栏按鼠标右键，显示弹出式菜单；然后依次选择：Parameterize，Create Design Variable，Real，产生设计变量
.Pistonpump DV_1。
3) 选择POINT_3的Loc_x栏，在输入栏按鼠标右键，显示弹出式菜单；然后依次选择：Parameterize，Reference Design Variable，DV_1，OK，在输入栏，将(．Pistonpump.DV_1)改为(．Pistonpump.DV_1+1.0)，按回车键。也可使用函数构造对话框产生该表达式。
4) 定义POINT_4并选择其Loc_x栏，采用相同的方法，设置为(.Pistonpump.DV_1+1.25)。
5) 在Build菜单，选择Design Variable，再选择Modify，显示数据库浏览器：选择DV_1，然后选择OK按钮，显示设计变量修改对话框；设置：Standard value＝0.3, Units＝length，Value Range by＝Absolute Min and Max Value＝0.2，Max. Value＝0.4；选择0K按钮。
2、参数化模型的其他几何结构
1)参数化圆盘半径R。在圆盘处显示弹出式菜单，选择Cylinder：CYLINDER_1，再选择Modify，显示圆柱修改对话框：在Radjus栏，显示弹出式菜单，然后依次选择：Parameterize，Reference Design Variable，DV_1， 0K；在Radius输入栏，将(.Pistonpump.DV_1)改为(.Pistonpump.DV_1+0.05)，选择OK按钮。
2)参数化连杆质心标记coupler.cm。在连杆质心处显示弹出式菜单，选择Marker：cm，再选择Modify，显示标记修改对话框；在Location栏，显示弹出式菜单，然后依次选择：Parameterize，Reference Design Variable，DV_1， 0K；在Location输入栏，将质心标记坐标改为(．Pistonpump.DV_1+0.5)，0.0，0.0；选择OK按钮。
3）参数化滑块MARKER_1标记。采用相对坐标定义位置。在点(1.15，-0.15，0.0)处，显示弹出式菜单，选择Marker：MARKER_1，再选择Modify，显示标记修改对话框；在Location输入栏，显示弹出式菜单，然后依次选择：Parameterize，Expression Builder，利用函数编辑器定义 Location＝(LOC_RELATIVE_T0 ({-0.15，-0.15，0.15}，.pistonpump.ground.POINT_3))；选择OK按钮。
4）参数化滑块质心标记。在滑块质心处显示弹出式菜单，选择Marker：cm，再选择Modify；将Location输入栏改为(LOC_RELATIVE_T0 ({0.05，0.0，0.0}，.pistonpump.ground.POINT_3))；选择OK按钮。
3、查看设计变量
1)在TooIs菜单，选择Table Editor，显示表格编辑器；在表格编辑器底部，选择Variables项。
2)选择Filters，显示对话框，设置：Dalta Type=0N，Units=ON, 然后选择OK按钮，查看或修改设计变量DV_1的当前设置。
3)选择DV_1的Real_Value栏，在表格编辑器输入栏，将0.3改为0.2，按回车键，
表格中的Real_Value值变为0.2；选择Apply按钮，可以看到ADAMS/View窗口中的曲柄滑块机构随之改变。

六、在完成题四的基础上，令曲柄转速为20*time, 仿真时间time从0到10秒，对机构进行运动仿真，输出滑块的位移、速度和加速度曲线。

七、在完成题四的基础上，令作用在滑块上力F, 其大小为10000N, 方向总是与滑块的运动方向相反。试描述进行动力学仿真的步骤，并给出曲柄转速和连杆两端运动副的约束反力在5个运动周期内的变化规律。

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