基于Proe的活塞连杆机构的运动学仿真.docx
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基于Proe的活塞连杆机构的运动学仿真
北京科技大学
机械动力学大作业
基于Proe的活塞连杆机构的运动学仿真
学院:
机械工程学院
班级:
机研111
姓名:
陈欣欣
学号:
s2*******
2012年5月日
基于Proe的活塞连杆机构的运动学仿真
陈欣欣
(北京科技大学机械工程学院北京:
100083)
摘要:
以发动机的活塞连杆机构为研究对象,使用Proe软件的实体建模功能对其进行建模,并通过装配功能建立装配模型,本文主要对活塞连杆机构的运动仿真以及结构分析和热力学分析,得到活塞连杆机构的运动规律,进一步分析其运动是否合理、结构是否发生运动干涉等技术信息,从而为机构设计及优化提供可靠的理论基础。
关键字:
活塞;连杆;碰撞检测;干涉;
Abstract
ABSTRACT:
theenginepistonlinkagemechanismastheresearchobject,usingProesoftwareoftheentitymodelingfunctionmodeling,andthroughtheassemblyfunctionestablishassemblymodel,thispapermainlyonthepistonlinkagemechanismandthestructureofthemotionsimulationanalysisandthermalanalysis,getthepistonslinkagemechanismmovementrules,andfurtheranalyzesthemovementwhetherreasonable,whetherstructuremotioninterferencetechnicalinformation,soastoprovidereliableandoptimizationmechanismdesigntheorybasis.
Keyword:
Detroit;Connectingrod;Collisiondetection;Interference;
0引言
活塞连杆是机械行业中的曲柄滑块机构,应用该机构最典型的实例就是发动机气缸,它可以将燃气的能源转换为机械动能。
在工作过程中,连杆将活塞上的力传给曲轴,是活塞的往复运动转变为曲轴的旋转运动,对外输出做功。
连杆小端工作时作往复运动,大端作旋转运动,杆身做复杂的平面运动,因此对活塞连杆机构的运动进行仿真得出其运动规律,可以对该机构的优化设计奠定基础。
1仿真模型的建立
在进行各部件的建模之前,应首先进行结构分析,制定出建模方案。
根据已知数据和参数在proe中对活塞、基座、输出轴、连杆进行建模并装配,模型如下图
图1-活塞连杆机构的装配图
2机构设置
在对机构进行设置之前,需要对机构进行检测,如果机构是符合设计意图,那么就可以对机构设置动力源和运动环境等模型元素。
1)机构检测在【机构】平台中通过拖动曲轴,看模型的运动是否按照设计的意图运动。
2)添加伺服电机
一、运动分析
1自由度分析
从理论上,一个自由度代表只要确定机构中任意一个活动机构的位置,就可以确定机构中所有其他机构的位置。
从数学意义来讲,整个机构只需要一个变量就可以确定下来。
从实际应用的观点来看,可以认为一个有一个自由度的机构,只需要一个伺服电动机就能驱动它。
2运动仿真
选取连杆元件,对其进行包络分析。
如图2所示。
图2-连杆的包络图
包络分析后在“AnalysisDefinition”选项中,进行全局碰撞检测,这样在仿真中如果发生碰撞冲突时则会响起消息铃声。
分析测量结果
a.对活塞的孔轴线进行测量,得到活塞轴线位置曲线如图所示。
图3-活塞的位置曲线图
b.对销轴进行测量,得到活塞运动的速度和加速度曲线如果所示。
图4-活塞的速度和及速度曲线
从上面的图表中可以得到机构的一些运动信息。
改变曲轴的速度以及相关的机构参数,相应地会得到新的设计结果,便于对机构的运动特性进行控制。
设计的更改可以反映在装配主模型的复制分析方案中,再重新分析,一旦确定最后的设计方案,设计更改就可以直接反映到装配的主模型中。
通过对位移的分析,可以确定构件运动所需的空间及行程,考察构件或构件上的某点能否实现预定位置变化的要求。
通过对速度的分析,可以确定机构中从动件的速度变化是否满足工作要求,得出准确的理论数据和曲线,有效地分析机构运动过程中的运动特性和规律,并应用于现实中,为结构设计及优化提供理论基础。
二、活塞的结构分析
1建立分析模型
分析条件:
活塞顶部受到2500K、9Mpa高温气体作用,在复返1千万次运行的疲劳安全系数。
活塞为A16061合金铝,抗拉强度为290MPa,屈服强度为240MPa,疲劳强度为95MPa,热传导为167W/m℃。
1.1简化模型并分配材料
简化模型时,不影响分析结构的特征简化掉,尽量不能出现锐角等难以进行网格划分的结构缺陷。
否则容易产生分析错误。
如果出现不可避免的锐角,可采用倒圆角工具使其圆滑过渡。
简化后的模型,尽量结构简单,以减少分析中产生的错误和降低计算分析时间。
图5-简化后的模型
1.2定义约束
在孔的内表面添加轴约束,且为对称约束。
1.3创建载荷
在活塞的上表面定义9MPa的载荷。
2结构分析
2.1静态分析
条件:
活塞在约束条件下,受到9MPa压力作用是,计算其应力和变形。
得到的应力曲线图和变形曲线如下图所示。
图6-应力曲线图
图7-变形曲线图
2.2模态分析
在模态分析定义中,设置模式数位5,最小频率为50。
运行后分别得到变形条纹图和变形曲线以及变形线框图。
图8-变形条纹图
图9-变形曲线
图10-变形线框图
2.3疲劳分析
设置寿命所需强度为107,正在加载为恒定振幅,振幅类型为“峰值—峰值”,对前一静态分心“analysis1”进行疲劳分析。
寿命条纹图和破坏条纹图如下
图11-寿命条纹图
图12-破坏条纹图
图13-安全系数条纹图
图14-寿命置信条纹图
通过Pro/Mechanica对活塞进行结构分析得出了活塞的结构强度和寿命评估
三、热力学分析
活塞直接与高温气体接触,瞬时温度可达2500K以上,产生18kW的动力。
因此,受热严重,热传导系数为167W/m℃,散热条件差,所以活塞工作时温度很高,顶部高达600-700K,且温度分布不均匀。
根据这些条件对其进行热力学分析,得出了活塞的稳态和瞬态温度场分布。
1创建热载荷
在活塞表面添加18kW的热载荷,如下图所示。
图15-加载了热载荷的活塞
2设置边界条件
规定的温度为2500K,在对流条件中设置热传导系数为167W/m℃,体表温度为700K。
3稳态热分析得到活塞的温度条纹图和温度曲线
图16-活塞的温度条纹图
图17-活塞的稳态温度曲线图
4瞬态热分析
图18-活塞的瞬态温度曲线
结语
借助Proe软件强大的实体建模功能,对发动机的基座、曲轴、连杆、活塞分别建模,并利用装配功能完成了虚拟模型的创建,然后进行了详细的运动仿真分析、机构分析和热力学分析。
利用Proe软件的运动仿真功能,可以得出机构的运动动画,更加形象地了解其运动方式,并可以输出仿真结果,可以生成所有运动服位移。
速度、加速度随时间的变化情况,通过结构分析和热力学分析更能够得出活塞在实际运动过程中变形、疲劳破坏、安全系数、寿命置信度以及温度变化曲线。
通过这些工作,为进一步进行动力学分析奠定了基础,对缩短产品开发周期,提高产品质量和性能有积极的作用。
参考文献
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- 基于 Proe 活塞 连杆机构 运动学 仿真