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solidworks教程资料:
第4章  实体接触
学习目标

4.1  接触力
    本章的学习目的是熟悉实体接触的定义并了解它们的限制,并在SolidWorks Motion中学会使用接
触。利用各种表达式来指定位移和其他算例特征,可以获得弹簧谈被锁上时的接触力以及关闭弹簧锁
需要的力。本章中还将讨论接触力的精度。

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4.2  实例:锁装置
    在这个装配体中.一个中心锁扣将用于固定住零件“Carriage”,以免被弹簧顶开,如图4-1所示。
4.2.1 问题描述
    对于这个锁紧机构,需要确定:
    ·当弹簧锁关闭时.弹簧杆和弹簧片所产生的接力触力。
    ·关闭弹簧锁需要的力。
锁装置
操作步骤
检查装配体
步骤3
4.2.2  使用马达限定运动
    取代附加配合的变换方法就是添加马达。使用这个方法可能不会立竿见影,但我们将在这个运动
模型中使用它。
    使用一个马达来替换一个配合,原因之一是它并不会对运动模型带来更多约束,这有助于减少冗
余约束的数量。
步骤6定义线性马达步骤7
4.2.3 马达输入和力输入的类型
  SolidWorks Motion 允许用户以多种不同的方式设置马达的输入。到目前为止.我们在学过的大多数
章节中使用了【等速】、【距离】和【数据点】,此外还可以选择【表达式】、【振荡】和【线段】。
【表达式】让用户定义一个轮廓,在各种数学函数的协助下支配马达运动。
4.2.4函数表达式
    用户可以使用函数表达式来定义下列项目的输入大小:
    ·马达
    ·力
    两数可以由时间或其他系统数据.例如位移、速度、反作用力构成,也可以由各种有效组合而构
成,组合包括简单常数、运算符号、参数,以及诸如步进(STEP)和谐波(SHF)等可用的求解器函数。
对于函数和相关语句的详细列表请参见在线帮助。
    常用的函数及其定义见表4-1。
常用的函数及其定义
4.2.5  力的函数
定义力时可以用到下列五类力的函数:
·常量:设置一个常数。
·步进:通过初始位、开始步长时rui .最终值、结束步长时间定义一个步长。
·谐波:通过幅度、频率、平均数和相移定义这个沮。
·线段:通过线性、多项式、半正弦或其他常见函数的线段组合来定义这个值。
·数据点:从数据点的表格取得数位.并在这些数据点之间进行插值得到一条样条曲线。
·表达式:使用公式定义这个值。

4.3  步进函数
    步进函数表现了在给定数量(例如:位移、速度、加速度或力的大小)的两个数值
之间具有光滑过渡。在过渡前后,位移、速度或加速度的大小是常数。
    例如,考虑图4-6中的例子,其中:
    do代表位移的初始值。
    d1代表位移的最终值。
    to代表开始步长的时间。
    t1代表结束步长的时间。
步进函数
步骤8
步骤9
函数编制程序对话框
步骤10
步进函数定义弹簧和阻尼

4.4  接触:实体
    接触是被定义为发生在两个或多个实体间或两条曲线间(一个接触对)的。在定义实体之间的接触
时,无论用户选择了实体的什么特征.其对应的实体都将被选定(并用于接触分析)。在求解过程中.
软件将在每一帧计算零件干涉的边界框。一旦满足条件,则会在两个零件之间进一步计算干涉,而且
将计算的冲击力并应用到两个实体中。这一过程的原理如图4-11所示。
接触类型
    为了解Solid Works Motion是如何处理接触的,首先必须重中这个模块的最初似定:所有参与运动仿
真的零件都是刚体。接触条件用于模拟两个或更多碰撞零件(现实生活中并不坚硬)的撞击。几乎无一
例外的是,所有冲击将产生相对高的速度,从而导致弹塑性变形,造成严重的局部应变,而且局部几
何体(接触区域的几何体)也会发生显著变化。因此有必要使用近似方法。
    Solid Works Motion允许两个特有方法来定义接触参数:冲击模型(冲击属性)和泊松模型(恢复系数)。
4.4.1  泊松模型(恢复系数)
    恢复系数(泊松模型):基于对恢复系数e的使用,关系式定义如下
                  vt2-vt1=e(v1-v2)
   式中  v1和v2——球体撞击前的速度;
         vt1和vt2——球体撞击后的速度。
    这个系数的边界值为(0;1).其中1代表完全弹性的撞击.即没有能量损失;而0代
表完全塑性撞击.即零件在撞击后黏附在一起而且能量可能已经损失了,如图4-12所示。
    恢复系数与几何体有关.图4-12中使用的球体只是用于演示的目的。
撞击模型
    泊松模型不需要指定阻尼系数(冲击模型的确需要,将在后面进行讨论).并且对能量耗散计算准
确。因此若关注仿真中的能量耗散时,推荐使用这种模型.同时.决定泊松模型的参数“恢复系数
e”比冲击模型更为直接。在很多情况下,可以使用标准化的方法来测量恢复系数(参考ASTM
F1887-98 Standard Test Method for Measuring the Coefficient of Restitution(COR)of Baseballs and Soft-
balls),或通过多种表格进行查找。
    这个模型不适合持续撞击(撞击在很长一段时间内在接触的地方发展),持续撞击情况下应该使用
冲击模型。
4.4.2  冲击模型
    冲击模型(冲击属性):Solid Works Simulation中的冲击属性允许使用下面的表达式来计算接触力
                                  Fcontact=看(xo-x)e-cv
式中  k——接触刚度;
      e——弹力指数;
      c——阻尼系数,cmax为阻尼系数的最大值。
    对于恢复系数而言,这些参数同时与材料和几何体相关,而且无法明显地在材料表中找到。下面
将更为详细地描述冲击模型的参数。
    很明显.要想得到上述参数是比较困难的,因此必须引人有效的简化方法。上面得到的推论是,
碰撞特征(冲击力、碰撞区域的加速度等)只能得到近似解。它们的准确解只能借助更加高级的计算方
法,例如使用SolidWorks Simulation Premium非线性动力学模块的解决方案,但对计算而言要求很高。
    需要注意的是:碰撞区域的冲击力和加速度这些术语代表接触开始的接触数值,在那里将产生极
大的减速力,也就是冲击或碰撞。碰撞持续的时间通常非常短暂。一定时问之后,当冲击或碰撞的零
部件相互接触且解决方案的动力学特征不再重要时,接触力是准确的,并可以通过Solid Works Motion获
取。本章最后将演示这个环节。
    总之,如果运动仿真的一个重要目的是获得冲击数据(冲力力、冲击区域的加速度等),则需要花费
一定的时间来获取上述参数,或者必须使用更高级的分析模型。通常情况下.用户对冲击区域的精确
结果不感兴趣,但是它们决定大系统的运动或动力属性。近似值将随后用于接触特征,同时也能得到
系统运动学和动力学的精确结果。
    为了帮助用户得到冲击属性.Solid Works Motion的接触库给出了一些接触材料配置(注意到几何体
不需要明确定义)的近似值。如果用户使用的零件材科成分与库中的类似,则可以在接触中使用这些数
值供参考。然而,如果需要得到更精确的冲击结果,则必须输入准确的冲击参数。
知识卡片知识卡片1步骤11定义接触步骤14

4.5  接触的几何描述
    SolidWorks Simulation以两种特有的方式处理接触实休的几何体:
    1.细化几何体(3D接触) 接触实体的表面被划分为多个三角形的网格单元来简化外形描述。网格
的密度,也就是接触儿何分辨率受控于算例属性中的【3D接触分辨率】。因为这个描述非常有效,而且
通常情况下也足够准确,因此细化几何体是系统的默认选择。但过于粗糙的描述可能产生不准确的结
果,甚至或许会无法捕捉到接触,这也是本例中求解失败的原因。
    2.精确几何体(精确接触) 如果细化几何体的描述还不能解决问题(求解不充分或不能得到解),
可以勾选【使用精确接触】复选框。系统将采用物体表面的精确描述。由于这是最为精确的描述,会占
用较多计算资源,因此需要谨慎使用。如果用户接触实体的特征复杂或处理类似于点状的几何体时,
请使用这个选项。
    图4-17给定了两个不同水平分辨率下的细化几何体及一个精确几何体。
几何分辨率
步骤15
步骤17
修改运动算例属性2高级motion分析选项对话框
步骤19

4.6  失稳点
    失稳点可以定义为下列情况.即自平衡的结构不会移动,但在任何一个方向的一次小扰动将会导致急
速运动,而且在运动过程中.储存的弹性能量将快速转换为动能。这样的情况很难通过数学方法解决。这
个点在解中是特定的.并且求解器也会考虑到这些问题。同时,请留意完成计算所需的时间。
步骤21查看图解1

4.7  修改结果图解
    在默认生成的图解中,X轴表示仿真持续的时间.Y轴表示在图中绘制的变量最大值的尺寸。然
而.有些时候想以不同的尺寸来生成图解。
知识卡片步骤23
查看图解2步骤26查看图解3步骤27查看图解5知识卡片步骤30

4.8  精确接触
    使用精确接触来取代细分几何体将得到更精确的结果,但是求解时问将大大延长。现在我们将使
用精确接触再次求解本例,并比较其结果。
操作步骤提示

4.9 积分器
    一组耦合微分代数方程式(DAE)定义了SolidWorks Motion中的运动方程,这些方程的求解可以通
过对这些微分方程进行积分而获得。求解的速度取决于这些方程中数值的刚度.方程的刚度越大.则
求解更慢。
    当高频和低顿持征值之间范围很大时.在高频特征值过阻尼的情况下,一组常微分方程被定性为
在数值上是刚性的。需要特殊有效的积分法来求解数值是刚性的微分方程,因为用于求解微分方程的
常规方法运算效率低下且相当耗时。
    SolidWorks Motion求解器提供了三种刚性积分法来计算运动。
4.9.1  GSTIFF
    CSTIFF积分器来自C. W. Gear.它是一个变阶变步长的积分器。它是SolidWorks Motion默认的求
解器。当计算大范围运动分析问题的位移时,使用GSTIFF积分器是最快和最精确的。
4.9.2  WSTIFF
    WSTIFF是另一个变阶变步长的刚性积分器,它与GSTIFF非常近似,两者都使用了向后差分的方
程。唯一的区别在于GSTIFF中内部使用的系数是基于固定步长的假设计算而得,而在WSTIFF中这些系
数是步长的函数。因此,在积分的过程中如果步长突然改变,GSTIFF在求解过程中将有一个小的误差.而
WSTIFF可以在不损失任何精度的情义下解决这个问题。因此在WSTIFF中问题可以处理得更加滑顺。当
存在不连续的力、不连续的运动或诸如在模型中具有3D接触等突发事件时,步长都会突然改变。
4.9.3   S12
    SolidWorks Motion中提供的S12积分器是GSTIFF积分器的变体。该积分器可以更好地控制运动方
程中的速度和加速度的误差。
    如果运动足够顺畅.S12得到的速度和加速度结果比用GSTIFF或WSTIFF计算所得到的结果要更加
精确,甚至对于高频振荡运动也是如此。S12在小步长下的计算也更加精确,但是相当慢。
    更多信息请参阅附录A.
步骤2查看图解1步骤6

4.10  总结
    本章分析了一个弹簧锁装置的闭锁操作。利用控制零部件J_Spring运动的马达,帮助我们模拟人
手的操作。本章的目的是获取闭镇的力,并得到Spring Lever和Keeper之间的接触力。
    这个装配体最初没有完全定义,最终在添加配合和零位移马达的情况下完成了定义。在某些情况
下,通过零位移马达来限定运动比添加配合更有好处,因为这时没有额外的自由度被移除(马达是添加
到系统中的力,配合是移除一定自由度的一个约束)。闭锁马达的数值(例如,模拟人手的动作)是通过包
含数学函数的表达式完成的。我们解释了所有可选的函数,其中重点介绍了STEP函数。
    这个分析还涉及了实体的高速接触。详细讨论了可选的两个冲击摸型:泊松和冲击模型。我们还
详细讨论了接触特征(参数及几何描述)的精度,以及某些结果数据的精度,即冲击区域的接触力和加
速度。我们使用了两个可用的几何描述来运算这个分析:细分及精确模型。还解释了几个收敛问题及
其解决方案。算例“Precise geometry”还介绍了各种SolidWorks Motion仿真中提供的积分器。还使用了
WSTIFF积分器来求解问题的部分内容。

练习4-1  掀背气动顶杆
    现代许多汽车都设计成掀背式的,这种形式和旅行车类似,但拥有更小的尺寸,如图4-32
所示。掀背车允许货物装填至车的尾部,通常位于后座下方,以提高行李箱的空间。
行李箱掀背
    本练习将应用以下技术:
    ·接触力
    ·实体接触
    ·马达输人和力输入的类型
    ·修改结果图解
    项目描述
    掀背车的关键是掀背门本身,掀背门通过向上的摆动铰链连接到车上,而且都由气动顶杆进
行支撑和辅助。为了在Solid Works Motion中得到相同的结果.我们将对装配体应用一个马达。
    确定气动顶杆作用在门上的力。
操作步骤添加作用力
定义力步骤7
调整lid1-1的质量属性步骤8步骤12
查看图解1
查看图解2
步骤17步骤18步骤19步骤22查看图解6
    总结
    在这个练习中,我们分析了开启汽车掀背门的过程。然而在现实中,两个活塞可能产生变化的非
线性力,我们将仿真简化,只应川一个恒定的力。然而,可以对力的大小和取决于位置的气动顶杆进
行复杂的修改,但这不是本次练习的目的。
    掀背门打开的最终阶段是当气动顶杆接触到缸筒背面的时刻。我们使用了实体接触并研究了掀背
门打开的特性(例如开启时间、接触力等》为接触参数的x数。发现在各种参数规格下,掀背门会在不同
时间停止运动。最后一个算例有些极端,我们使用了不现实的接触组合:即橡胶作用在橡胶上。在此
情况下,掀背门的表现为反复振动。
    我们还分析了接触力的大小。然而与短时碰撞的数值和吻合的峰值并不可靠,因为
它们需要非常精确的接触特征,运动停止后的静态接触力是精确的。我们在所有三个仿
真中得到了非常近似的结果,从而证明了这一点。

练习4-2  传送带(无摩擦)
    一个传送带包含多个分段面扳,并沿着轨道移动,如图4-44所示。
传送带模型
    本练习将应用以下技术:
    ·函数表达式
    ·修改结果图解
    项目描述
    目标是驱动传送机以0.62m/s的速度运动,使用的力受一个函数控制。在练习的第一
部分.将以一个作用力移动传送带。在第二个部分,这个力将被沿一个路径的运动替代。
操作步骤步骤6
提示步骤9修改力步骤10
查看图解2
查看图解3
步骤15
查看图解4
查看图解5
知识卡片
步骤19技巧步骤21步骤22

练习4-3 传送带(带摩擦)
    本练习的传送带和前面练习中采用的模型是相同的,如图4-56所示。本练习
将运行相同的算例,但是这次要包含摩擦,并查看力和速度的变化。
    项目描述
    目标是在由函数控制的力的作用下,驱动传送带以0.62m/s的速度运动。
    本练习将应用以下技术:
    ·接触力
    ·函数表达式
    ·精确接触
传递带
步骤2定义接触步骤6步骤10提示
步骤16步骤17步骤18
查看图解5
查看图解6
    总结
    在这个练习中.我们分析了传送带的运动。在其中一块面板中只添加一个作用力.将使传送带加
速。在包含传送带速度为一个变量的表达式下,可以控制力的大小。在这种方法中,输入的力直接取
决于最终速度。
    在练习中使用了两种方法:第一个算例使用凸轮配合模拟了转轮和路径之间的相切接触。为了减
少冗余并简化求解,我们只考虑了一侧的配合。因此,接触合力必须除以2,
    为了使仿真更加接近现实,第二个算例使用实体接触来取代凸轮配合。因为这种方法允许用户添
加摩擦,所以计算耗时更长。当达到预期速度0.62m/s时.输入力决不会降为零.因为它必须克服相
反的摩擦力。


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