活塞曲轴连杆机构三维建模与运动学分析课程作业

1第1章Solidworks软件介绍Solidworks公司是专业从事三维机械设计、工程分析和产品数据管理软件开发和营销的跨国公司，其软件产品Solidworks提供一系列的三维（3D）设计产品，帮助设计师减少设计时间，增加精确性，提高设计的创新性，并将产品更快推向市场。Solidworks软件组成：2D到3D转换工具将2D工程图拖到SolidWorks工程图中的功能；支持包括外部参考的可重复使用2D几何；视图折叠工具，可以从DWG资料产生3D模型。内置零件分析测试零件设计，分析设计的完整性。机器设计工具具有整套熔接结构设计和文件工具，以及完全关联的钣金功能。模具设计工具测试塑料射出制模零件的可制造性。消费产品设计工具保持设计中曲率的连续性，以及产品薄壁的内凹零件，可加速消费性产品的设计。对现成零组件的线上存取让3DCAD系统使用者透过市场上领先的线上目录使用现在的零组件。模型组态管理在一个文件中产生零件或零组件模型的多个设计变化，简化设计的重复使用。零件模型建构利用伸长、旋转、薄件特征、进阶薄壳、特征复制排列和钻孔来产生设计。曲面设计使用有导引曲线的叠层拉伸和扫出产生复杂曲面、填空钻孔，拖曳控制点以进行简单的相切控制。直观地修剪、延伸、图化、缝织曲面、缩放和复制排列曲面。SolidWorks2009新的运动管理器(MotionManager)将动态装配体运动、物理模拟、动画和COSMOSMotion整合到了一个易于使用的用户界面。新的运动管理器中有基于时间轴的关键帧，还能根据时间控制马达、重力和弹簧。用户只需要设置一次，就能看到装配体如何运动、部件如何互动，还可以创建演示，以及获得零部件的速度和加速度以供验证。使用MotionManager从生成运动算例开始，运动算例的界面是基于时间线的，包括有以下工具：【动画】在核心SolidWorks内使用。可使用【动画】来表达和显示装配体的运动：通过添加马达来驱动装配体中一个或多个零件的运动。通过设定键码点在不同时间规定装配体零部件的位置。动画使用插值来定义键码点之间零部件的运动。【基本运动】在核心SolidWorks内使用。可使用【基本运动】在装配体上模仿马达、弹簧、碰撞和引力。【基本运动】在计算运动时考虑到质量。【基本运动】计算相当快，所以可将其用来生成使用基于物理模拟的演示性动画。【Motion分析】在SolidWorksPremium的SolidWorksMotion插件中使用。可利用【Motion分析】功能对装配体进行精确模拟和运动单元的分析（包括力、弹簧、阻尼和摩擦）。2【Motion分析】使用计算能力强大的动力学求解器，在计算中考虑到了材料属性和质量及惯性。还可使用【Motion分析】来标绘模拟结果供进一步分析。用户可根据自己的需要决定使用三种算例类型中的哪一种：【动画】：可生成不考虑质量或引力的演示性动画。【基本运动】：可以生成考虑质量、碰撞或引力且近似实际的演示性模拟动画。【Motion分析】：考虑到装配体物理特性，该算例是以上三种类型中计算能力最强的。用户对所需运动的物理特性理解的越深，则计算结果越佳。运动算例是对装配体模型运动的动画模拟。可以将诸如光源和相机透视图之类的视觉属性融合到运动算例中。运动算例与配置类似，并不更改装配体模型或其属性。第2章活塞曲轴连杆机构的三维建模1.基本要求首先通过SolidWorks软件使用拉伸、切除、镜像和阵列等基础命令，对活塞曲柄连杆机构各个零部件进行三维建模，然后进行装配，通过添加配合，如重合、平行、同轴心等约束，使其装配完成，以便后面对机构仿真分析。2.活塞曲轴连杆机构的建模2.1曲轴的建模过程步骤01选择”文件”→”新建”→确定命令，完成新建。步骤02选择”文件”→保存命令，命名为曲轴，完成保存。步骤03新建草图，点击圆命令，绘制草图。步骤04点击“拉伸”命令。图1绘制圆图2拉伸凸台步骤05在圆柱一面上建立新草图选择，圆、直线、实体剪切、智能尺寸标注命令，完成草图如下。步骤06点击“拉伸”命令。3图3绘制曲轴草图图4拉伸草图2.2曲轴连接轴建模步骤01新建草图，点击圆命令，绘制草图。步骤02点击“拉伸”命令，设置拉伸长度为26mm。图5绘制曲轴草图图6拉伸草图步骤07把以上两个部件经过装配可以得下图图7曲轴三维图2.3其它零件建模图建模步骤与曲轴一样，利用“拉伸”，“旋转”，等特征，得到其它零件的三维图。4图8连杆图9机台图10活塞图11活塞销3.活塞曲轴连杆机构的装配活塞曲轴连杆机构是有活塞和连杆组组成的，在对其进行装配的时候注意事项有以下几点：首先在安装曲柄时要注意活塞此时时的位置要按照发电机做功的顺序进行装配，其次在对连杆在曲轴上安装时注意连杆在曲轴的位置，尽量不要产生不必要的误差。步骤01选择”文件”→”新建装配体”→确定命令，完成新建。步骤02选择”文件”→保存命令，命名为装配体，完成保存。步骤03插入零部件，机台和曲轴，设置机台为固定件。步骤04点击“配合”命令，配合如下图12所示步骤05插入零部件活塞，点击“配合”命令，配合如下图13所示。步骤06插入零部件活塞销，点击“配合”命令，配合如下图14所示。步骤07插入零部件连杆，点击“配合”命令，配合如下图15-17所示。步骤08总装配图，如下图18所示。图125图13图146图15图16图177图18总装配体第3章活塞曲轴连杆机构的运动学分析1.活塞曲轴连杆机构的运动仿真1.1激活MotionManager如果【运动算例】选项卡不可见，可按以下步骤将其激活：(1)单击菜单栏【视图】命令。(2)勾选【MotionManager】选项，图形区左下角出现两个选项卡【模型】选项卡：打开模型时，默认选择此选项。【运动算例】选项卡：可以有多个，新建动画时只有【运动算例1】。可以右键单击【运动算例】选项卡中现有运动算例的名称，然后选取【生成新运动算例】来生成新的运动算例选项卡。想要重新命名运动算例选项卡，右键单击标签并选择【重新命名】，填入新名称。要复制现有运动算例选项卡，右键单击现有运动算例标签，然后选择【复制】。1.2生成动画MotionManager可以具备多个动画配置，彼此相互独立。在生成动画之前，需要对装配体零部件进行合理的位置约束。零件有六个自由度，通过添加配合关系来限制自由度，以达到和实际物理模型有同样的运动状态：平移或转动。生成关键帧有三个步骤：(1)将零件移动到初始位置；(2)根据机构运动的时间长度，将时间栏拖动到相应的位置；(3)将零件移动到最终位置。1.3Solideworksmotion运动仿真过程1、首先进入Solideworksmotion界面，新建运动算例，选择“动画”选项，时间设置为8秒，如下图所示。8图192、然后添加马达、转速，以曲轴为马达，做圆周运动，转速为50RPM如图20所示。图20添加马达，设定转速3、点击设计算例命令，进行运动解算，设定运动时间为8s，完成运动分析，结果如下图21所示，再点击保存命令，保存动画。9图21运动解算1.4活塞和曲轴运动仿真结果分析由上节的运动解算，得到活塞和曲轴的位移、速度、和加速度图像。1、活塞沿Y轴方向运动，位移与时间的关系、速度与时间的关系、加速度与时间的关系如下图22所示。图22（a）活塞Y轴位移与时间的关系10图22（b）活塞Y轴速度与时间的关系图22（c）活塞Y轴加速度与时间的关系结果分析：从活塞的速度和加速度图像看，活塞先做加速运动达到最大速度，又开始减速。位移、速度图像符合余弦运动规律，和解析法得出的运动规律一致。2、曲轴沿Z轴的旋转运动，其角位移与时间的关系、角速度与时间的关系、角加速度与时间的关系如下图23所示。图23（a）曲轴角位移与时间的关系图23（b）曲轴角速度与时间的关系11图24（c）曲轴角加速度与时间的关系结果分析：曲轴角速度、角加速度图像近似为水平直线，这说明曲轴的旋转运动，接近为匀速圆周运动，曲轴的转速稳定，曲轴的运动过程中，机械振动小。第4章活塞曲轴连杆机构的有限元分析模拟对象为曲轴日期:2017年12月31日设计师:Solidworks算例名称:静应力分析1分析类型:静应力分析12说明无数据目录说明...................................................................1假设....................................错误!未定义书签。模型信息............................错误!未定义书签。算例属性............................错误!未定义书签。单位....................................错误!未定义书签。材质属性............................错误!未定义书签。负载和夹具.....................................................18接头定义.........................................................18联系信息.........................................................19网格信息............................错误!未定义书签。传感器细节........................错误!未定义书签。合力....................................错误!未定义书签。横梁....................................错误!未定义书签。算例结果............................错误!未定义书签。结论....................................错误!未定义书签。13模型信息模型名称:曲轴当前配置:默认实体文档名称和参考视为容积属性文档路径/修改日期凸台-拉伸2实体质量:0.36745kg体积:4.77208e-005m^3密度:7700kg/m^3重量:3.60101NF:\发动机原理v1\轴-外.SLDPRTDec3120:44:26201714凸台-拉伸2实体质量:0.36745kg体积:4.77208e-005m^3密度:7700kg/m^3重量:3.60101NF:\发动机原理v1\轴-外.SLDPRTDec3120:44:262017凸台-拉伸3实体质量:0.623625kg体积:8.09903e-005m^3密度:7700kg/m^3重量:6.11153NF:\发动机原理v1\轴-异.SLDPRTDec3120:44:242017凸台-拉伸3实体质量:0.623625kg体积:8.09903e-005m^3密度:7700kg/m^3重量:6.11153NF:\发动机原理v1\轴-异.SLDPRTDec3120:44:242017凸台-拉伸3实体质量:0.623625kg体积:8.09903e-005m^3密度:7700kg/m^3重量:6.11153NF:\发动机原理v1\轴-异.SLDPRTDec3120:44:24201715凸台-拉伸3实体质量:0.623625kg体积:8.09903e-005m^3密度:7700kg/m^3重量:6.11153NF:\发动机原理v1\轴-异.SLDPRTDec3120:44:242017凸台-拉伸1实体质量:0.0353783kg体积:4.59458e-006m^3密度:7700kg/m^3重量:0.346707NF:\发动机原理v1\轴-连接.SLDPRTDec3120:44:242017凸台-拉伸1实体质量:0.0353783kg体积:4.59458e-006m^3密度:7700kg/m^3重量:0.346707NF:\发动机原理v1\轴-连接.SLDPRTDec3120:44:242017凸