点击浏览书籍内容:
solidwroks2012入门到精通 solidwroks2013入门到精通 solidwroks2013曲面实例 solidwroks2012曲面实例 solidwroks2012工程图 solidwroks2012钣金展开技术手册 solidwroks2012入门 solidwroks2011高级曲面
solidwroks2014产品造型118招 solidwroks2014自学视频教程 solidwroks2014基础教程 solidwroks2014钣金技巧 solidwroks2014管道与布线 solidwroks2013零件与装配 solidwroks2014模具设计 solidwroks2014运动仿真

solidworks教程资料:
第9章 冗余
学习目标
 
9.1 冗余概述
    在进人本章的内容之前,先让我们一起回顾一些基本的术语和概念。每个不受约束的物体在空间
上拥有6个自由度:相对于X, Y和Z轴的3个平移自由度和3个旋转自由度。任何刚体,也就是
SolidWorks零件或构成子装配体刚性连接的零件,都拥有6个自由度。当使用配合连接刚性零件或子
装配体时,每个配合(或连接类2)都将从系统中消除一定数星的自由度。下面将回顾基本的配合类
型,并说明当两个刚体连接在一起时会消除多少个自由度。最常用的配合及其约束的自由度见表9-1.
常用的配合及其约束的自由度
    表9-2列出了一些特殊配合所能约束的自由度,可能井不代表真实的机构连接,但在连接的两个实
体上确实强加了一个几何约束。
一些特殊配合能约束的自由度
一些特殊配合能约束的自由度1
    用户可以看到,不但配合的类型决定了限制自由度的数量.而且所选的实体对也很重要。
    在图9-1所示的例子中,门由两个铰链连接。两个铰链都应该定义为铰链
配合以获取运动结果。但由于存在冗余,当需要获得接合力或当零件要输出到
SolidWorks Simulation进行应力分析时,这个方法就显得不足了。
    根据自由度的数量,力学系统被划分为两类:
    1.运动学系统  对子运动学系统.配合和马达完全约束了所有机构的自由
度。因此,基于配合及来自马达加载的运动,每个零件的位置、速度和加速度
在每个时间节点都是完全定义的。不需要质量和惯性等条件来决定运动.这样
的机构被称为包含零自由度。
    如图9-2所示的剪式升降机.不管连杆或平台的质量是多少,或站在平台
上人的重量(外部载荷》有多大,剪式升降机的运动始终如一。当任何零部件或
外部载荷发生变化时,只是驱动升降机所需的力将发生改变。更多的重量意味
着需要更大的力将载荷从某一高度升至另一高度。
    2.动力学系统在动力学系统中,零件最终的运动取决于零部件的质量和
加载的力。如果质量或加载的力发生变化,则运动表现也会不同。这样的机构
也被称为拥有超出0个自由度。
    在图9-3所示的球摆机构中,运动将随球体的质量大小而有所不同。或者
说,如果用户使用不同的力摆动左侧的球,整个球摆机构的运动也会不同。
带铰链的门剪式升降机球摆机构
    总的来说,运动学和动力学系统的主要区别在于:运动学系统的运动不受质量和加绒载荷的影响.
而动力学系统的运动可以通过改变质量和加载载荷来改变。
    我们在第1章到第8章所分析的所有系统都可以认为是运动学系统,也就是说在给定配合和指定
马达的情况下,系统的运动通常是唯一确定的。然而,在动力学系统中.这些系统产生的结果可能不
是唯一的(例如,因为不存在唯一解,接头力无法正确计算)。冗余系统,即带有多余约束的系统(也可以
称之为过约束系统)是这一章的主题。
9.1.1冗余的概念
    将现实问题转化为一个数学模型求解时常会涉及冗余,冗余是刚体运动仿真时的固有问题,理解
冗余并了解冗余如何影响机构的仿真及结果是非常重要的。
    从基本层面上讲,当对配合机构上的某一指定的自由度添加了多余的约束时,将产生冗余约束。
    SulidWurks Motion中的约束通过在微分一代数方程( Differential二.d Algebraic equations, DAE)的控制
系统中添加代数约束方程,从系统中移除自由度(DOF)。
    Solid Works Motion用6个代数方程描述被配合约束的自由度(见图9-4),具体如下:
    方程1-3约束了移动自由度,而方程4-6约束了旋转自由度.其中“i”标记在第
一个零件上,“j”标记在第二个零件上。上面的方程可以理解如下:
    1) Xi-Xj=0表示在世界坐标系下,“i”、“J”标记的x轴的值相等。
    2) Yi-Yj=0表示在世界坐标系下,“i”、“T”标记的Y轴的值相等。
    3) Zi-Zj=0表示在世界坐标系下,“i”、“j”标记的Z轴的值相等。
自由度约束
    4) Zi·Xj=0表示“i”标记的Z轴与“j”标记的X轴保持垂直(也就是说围绕公共Y轴没有旋转)。
    5) Zi·Yj=0表示“i”标记的Z轴与“j”标记的Y轴保持垂直(也就是说围绕公共X轴没有旋转)。
    6) Xi·Yj=0表示“i”标记的X轴与“j”标记的y轴保持垂直(也就是说围绕公共Z轴没有旋转)。
    方程4-6中的符号“·”表示点积运算。当两个矢量的点积为零时,矢量间相互垂直。
    模型中每个固定配合使用6个方程(1-6),一个同轴心配合(两个球)使用3个方程(1-3),一个
铰链配合使用5个方程(1-5)等。
    注意这些配合是如何使用方程1和2的。任何约束自由度的重复都将导致系统的过约束,或者说引
入冗余约束方程。
    SolidWork8 Motion输出警告信息以帮助理解哪个方程是冗余的.哪些自由度并不需要约束。有一个冗
余约束意味着有两个或更多的配合都试图控制一个特定的自由度。在简单情况下,积分器将自动移动一个
冗余约束方程以消除冗余。在复杂情况下.积分器移除的可能不是正确的方程,这将影响到原始设计。
注意
9.1.2  冗余的影响
    冗余会导致两种错误:
    ·求解时仿真了错误的零件载荷传递路线。在用积分器求解的过程中,它不断地重新评估系统冗余
度并将冗余从机构中移除。有时在重新评估过程中,对于冗余约束的移除是根据当前的位置和方向进行
的,这潜在地导致了模型的不一致。因为积分器并不能理解机构的设计意图,它将任意移除算术上无效的
约束,而不是从功能的观点出发移除冗余。
    ·钻误的力的计算。后面将用一个例子说明这个问题。
9.1.3  使用积分器移除冗余
    在仿真运行前,积分器将检渊机构是否包含冗余,如果检测到有冗余存在,积分器将试图移除冗余,只
有在移除成功后,积分器才继续运行仿真。在每一时间步.积分器重新评估冗余并在需要时将其移除。
    冗余的移除有一定的层级,积分器按下列次序移除冗余:
    ·旋转约束
    ·平移约束
    ·运动输入(马达)
    按照这个次序.积分器首先寻找可被移除的旋转约束。如果不能移除任何旋转约束,积分器将试
图移除平移约束。如果不能移除任何平移约束,最后将试图移除输入的运动(作为最后的手段)。
    如果所有尝试都失败了,积分器将终止求解,并用消息通知用户检查机构中的冗余约束或不相容
的约束(或查看是否处于一个锁定位置)。
 
9.2  实例:门铰链
    这里通过研究门分析冗余的移除过程。生成系统连接最直观的方法在于重建物理现实。例如,当
看到一个铰链,希望用一个铰链配合对其进行建模。如果在同一个零件上有两个铰链,正如门一样,
并且放置了的个铰链配合,此时系统就包含了冗余。
9.2.1问题描述
    分析的对象是一个包含门和门框的简单门。门通过两个铰链连接在门框上。在门的重力作用下,
确定两个铰链上的力,如图9-5所示。
门铰链
操作步骤
添加铰链配合
步骤4
步骤8
质量属性对话框更改运动算例属性
9.2.2  自由度计算
    接下来查看一下有多少个自由度被当前添加的配合约束了。由于框架结构是固定的实休,它没有自
由度.装配体中唯一浮动的实体就是门,因此机构包含6个自由度。
    定义在模型中的两个铰链配合,每个都包含5个自由度。
9.2.3  实际白由度和估计的自由度
    因此,这个系统当前的自由度为6-2x5=-4,根据这个估计值,可以发现系统是过约束
的。这个简单计算被称为近似法(或Cruebler).而且也非常容易获得。这可能表明此机构不能移
动。然而.很显然的是,门可以绕铰链转动,因此从工程角度上讲不应该发生过约束;使用这个
工程方法,机构拥有1个自由度(绕铰链旋转)。这个值被称为实际值.这比获取上面提到的估计
值而言要复杂得多。
    因此系统中冗余约束的数量为6-2x5-1=-5,即我们的系统带有5个冗余约束—从
数学的观点来说,并不需要门的开关约束。事实上,移除其中一个铰链不会改变系统的运动学
属性。
知识卡片
步骤10
步骤11
查看图解1
    下面分析一下为什么仿真会给出这样的结果。在步骤10中使用了仿真面板计算了机构的自由度。
其中一个冗余约束“铰链2,沿Y平移”,这说明机构已经由铰链1配合完成了Y方向的约束。铰链2
配合约束了相同的自由度而会被忽略。因此,在饺链2配合上没有计算Y方向的反作用力。在仿真时
间内,门的整个重量将作用在饺链1上。
    其他冗余约束的相同结果也将被忽略,因此也会得到零值。下面通过使用柔性连接选项以避免这
个问题。
9.2.4  使用柔性连接选项移除冗余
    在前面的讨论中提到冗余可能导致:
    .求解时仿真了错误的零件载荷传递路线
    .错误的力的计算(分布)
    通过使用配合来更紧密地体现真实产品的机械连接,可以将第一点的影响降至最低(尽管无法避
免)。例如,门一框装配体的两个铰链可以使角两个铰链配合连接在一起,因为这最接近真实的连接类
型或者说,通过使用更简单的诸如点在轴上(或类似的)的配合,以手工降低兀余约束数量的方式来
降低第一点的影响。然而,当处理复杂装配体时这会是十分困难的,可能需要使用配合设计和白由度
计算的迭代方法。例如,设想一下当前的这个门,删除一个铰链配合后冗余约柬的数录也为零;Y方
向的结果也会变得相同。
    通过手工修改配合来移除指定的(或所有位置的)冗余,以及手工重新调整作用力的分布,或使用
第8章介绍的柔性配合技术,来处理第二点的影响。为了演示前者,请设想一个冗余的较链配合从仿
真中删除了,所有载荷随之将被余下的铰链配合承担。在熟知几何体的情况下,手工重新调整均布在
两个配合中。在类似此门或许多又车(在这1章的部分练习中进行了分析)的对称机构中,这个方法可
能有效。在后面的方法中,当使用柔性配合取代数学上的刚性配合时,配合的刚度在各白的方向上决
定了反作用力的分布。
    虽然这个方法仍然是近似的.但是它能比无穷刚度的例子提供更符合实际的力分布。
    当用户生成一个柔性配合时,机构将更新并使用一个套管来表现基础配合类型.而不是使用刚性
约束。配合的运动和摩擦并不会受到使用柔性配合的影响。
9.2.5柔性配合的局限
    当使用柔性配合时可能存在以下局限:
    ·在一些模型中,使用套管将减缓求解速度。
    ·不能说明求解中零件的刚度,因此在套管约束求解中由零件刚度决定的载荷分布可能不同。套
管方法将保证从所有连接位置获得力的结果。然而这个局限也存在于刚性配合的实例中。
    ·高级配合并不支持柔性连接。参考帮助文档查看可被柔性化的连接列表。
    ·如果机构从一个动力学状态开始,当模型达到初始平衡时,初始力可能存在一个峰值(这一点在
刚性连接上看不到)。峰值的产生是因为零件的初始状态不平衡,套管需抵抗速度、加速度的快速变
化。如果模型从强迫运动开始(例如恒定速度),尝试在一定时间内将运动从0提高到预定值以消除或
减小这种现象(例如使用一个步进函数在一定时间内将速度从。提高到预定值)。
.可能需要输入一个最佳的配合刚度和阻尼特性。这也许需要采用一个迭代方法。
    下列连接可以柔性化:固定、旋转、平移、圆柱、万向节、球、平面、方向、在线上、平行轴、
在平面、垂直。
    在Solid Works Motion Simulation中.柔性配合可以通过两个不同的方式介绍。
    I)使用运动算例属性中的【以套管替换冗余配合】选项。在【运动算例属性】中,选择【以套管替换
冗余配合】。在这种方法下,一组全局刚度和阻尼属性只被加载到由某些算法选定的配合中。完全由先
进的算法自动确定哪一个配合为柔性,哪一个配合保持刚性。这种方法适合大多数情况。
    2)手工对所选(或所有)配合指定单个的刚度值。这个技术适合所有情况,但相当耗时。可能需要
使用本地配合.但好处是无需更改装配体建模者的设计意图。
  当配合变为柔性时,图标将显示在MotionManager树中配合图标旁边。
知识卡片
    在下面的部分中,将使用【以套管替换冗余配合】选项来正确地求解这个门的实例。
    在后面的练习中将实践手工对所选配合指定单个的刚度值.并通过建立没有冗余的装配体模型来
手工移除冗余约束。
步骤12
步骤13
柔性配合的特定符号查看图解2
提示
 
9.3  如何检查冗余
    如前所述,任何机构中有合适的约束以获得所需运动,这一点十分重要。从运动学和动力学两个
不同角度分析在系统中仅需耍必须的自由度约束:
    通过Cniebler数可以快速显示系统是否过约束。
    ·如果Cruebler数大于0,模型为欠约束(动力学)。
    ·如果Gruebler数等于0,模型为全约束(运动学)。
    ·如果Gruebler数小于0,模型为过约束(冗余)。
  建模重要的一个方面就是识别连接零件受约束的自由度并确定它们并不重复。在非常复杂的装配体中
这非常困难,但能获得预定的运动和力的结果。如果没有考虑这些问题,冗余约束将导致仿真无法进行。
 
9.4  典型的冗余机构
    实际情况下,一些机构会因自身特性而包含冗余,装配误差、刚度等使机构运动,但在数学模型
中它们是无效的。下面是这类机构中的两个例子。
9.4.1  双马达驱动机构
从运动学观点来看,驱动一个零部件仅需要一个马达.如图9-15所示。在实际情况下.使用一对
马达提供从一端到另一端载荷的平衡。运动仿真的主要问题在于运动是在一个指定自由度下的强制性
位移,指定自由度受两个马达约束。因此.两个运动导致了一个冗余。这将导致两种情况:一种情况
是仅仅一个马达承担载荷而另一个没有承担;另一种情况是在系统中引入了模拟载荷(大小相等方向相
反).从而导致不正确的驱动力结果。解决该问颐的办法是使用非刚性连接将每个马达连接至机构.或
者使用基于力的移动而不是基于运动的移动。
9.4.2  平行连杆机构
  剪式升降机是一个典型例子,在仿真设计中该机构的一侧是冗余的,但实际结构两侧提供了均衡的载
荷.从du使设计更为方便,如图9-16所示。使用轻型撑杆比设计重型撑杆更为简单,轻型撑杆仅支持面
内载荷.而重型撑杆必须同时支持面内和面外扭力载荷。但对机构而言,对一侧进行建模而让另一侧“搭
便车”,这样更为简单。在分析类似机构时,可以将重复的零件连接在一起或使用柔性连接。然后需要删
除所有重复的约束。当加载连接载荷时.记住把它分为两部分。同时,记住面外力矩可能是因为一侧建模
的非对称性.力矩应该等于反作用力与举起平台的两侧距离乘积的一半(参见练习9-3:运动学机构〕。
工程车升降机
 
9.5  总结
    本章给出了冗余的概念,当用多个连接约束装配体中同一个自由度时将产生冗余。包含冗余的模
型求解结果可能会出现错误(甚至无法得到结果)。
    事实上,连接的无限刚性仅仅是一个理想化的概念。同徉的,Solid Works Motion允许
用户废除这样的刚度并定义一些有限刚性,削弱连接中受约束的自由度。这种方法消除了冗
余问题.但是引入了必须定义的附加参数(连接刚度和阻尼)。
 
练习9-1  动力学系统1
    这个练习将展示一个简单的动力学系统,表现在一个密闭容器中4个球体的下落过程.如
图9-17所示。
    本练习将应用以下技术:
    ·动力学系统
    项目描述
    四个铅球被封装在一个密闭容器中,它们将在重力的作用下下落。零部件中没有一个带
有配合.查看这个动力学系统的运动。
容器操作步骤
 
练习9-2  动力学系统2
    这是另一个动力学系统的练习,如图9-18所示。在这个算例中,要将手工计算的自由
度与SolidWorks Motion计算的结果进行对比.还将研究冲击从弹性变为塑性带来的影响。
    本练习将应用以下技术:
    ·泊松模型(恢复系数)
    ·动力学系统
    项目描述
    5个球体都附着在独立支架中。一个球体的一端被拉离其他球体并释放。在弹性和塑性
冲击的作用下,查看5个球体的运动。
球摆
操作步骤
步骤5
步骤11
 
练习9-3  运动学机构
    本练习将展示一个运动学机构,如图9-21所示。这个运动学机构的基本特征是不考虑加载的力、
马达和单个运动发生的可能性,这与可能存在多个运动的动力学机构(在前面的练习中演示过〕恰好相
反。本练习中演示了剪式升降机无冗余的特征,并且只有一个“实际”自由度。我们将使用一个马达
来约束最后一个自由度。
    本练习将应用以下技术:
    ·运动学系统
    ·在积分器中移除冗余
    ·冗余的影响
    ·查看接合处的力。以揭示冗余结果
    ·检查冗余
    项目描述
    分析用于搭建这个装配体的配合。请注意,正如在前面讨论中建议的一样,此机构只有一半有配
合。对称定位的零部件和配合的零部件同步移动。装配体有大量几何约束(非机械配合,例如一个点和
轴线的重合.或两个平面的重合),如图9-22所示。
    查有单独的配合,例如Coincidentl4。可以发现,和这个装配体中其他许多配合一样,这是一个几
何约束(点和面),而不是一个机械约束(饺链),如图9-23所示。
升降机配合关系查看配合
    使用这样的配合需要存在参考实体,而且创建过程可能很耗时;在每次添加刚性零部件后都必须
检查自由度数量。由干时间限制,本练习不会以这种方式创建整个装配体。
操作步骤
步骤3
步骤4
步骤8
步骤10
 
练习9-4  零冗余模型—第一部分
    本练习将展示在练习9-3建模过程中保证零冗余的一个短暂环节。这里将重新使用从练习9-3获得的
模型,即运动学机构,井研究其模型创建阶段的早期,如图9-31所示。模型将出现一个冗余,本练习的
目标是在多个几何约束(诸如点和轴的重合这样的简单配食及类似的情况)的帮助下移除这个冗余约束。
    本练习将应用以下技术:
    ·兀余
    ·冗余的影响
    ·在积分器中移除冗余
    ·检查冗余
    项目描述
    本练习将以剪式升降机为对象,练习移除并控制模型自由度数量的过程。这里只有基座和第一层
剪式支架,余下的零部件都已经被压缩了,主要零部件为cylinder和piston。
操作步骤
步骤3
步骤4
移除配合
添加第一个重合配合
添加第二个重合配合
提示
步骤11
步骤13
    总结
    这个练习展示了如何检测一个配合带有冗余约束,移除井使用简单的几何约束组合进行替换,例
如点与轴线的重合。和前面练习中提到的一样,这个技术需要额外的参考几何体(点、轴),且创建过程
可能非常漫长。当其他技术无法给出所需的结果时才可以使用这种方法。总的来说,没有冗余的模型
要比带有多个冗余的模型更容易让积分器计算出结果。
 
练习9-5  零冗余模型—第二部分(选做)
   本练习将继续练习9-4.这里需要添加Scissor_Lift装配体上配合的其余零件和子装配体,得到零
自由度的正确结果,如图9-42所示。
    本练习将应用以下技术:
    ·冗余
    ·冗余的影响
    ·在积分器中移除冗余
    ·检查冗余
    项目描述
    对装配体添加配合并获得零自由度。
折叠架
操作步骤
修改配合添加配合
 
练习9-6  使用涯管移除冗余
    在本练习中将使用对称添加配合的模型,并准备将结果输出到SolidWorks Simulation中。为了移除
冗余.这里将添加套管并研究不同套管参数下的结果。
    本练习将应用以下技术:
    ·在积分器中移除冗余
    ·使用柔性连接移除冗余
    ·套管属性
     项目描述
     本练习的对象仍是前而练习中的剪式升降机装配体,只是零部件配合的方式有所差异。
操作步骤
升降机
查看配合
步骤3
步骤4
定义图解1
提示
查看图解1
步骤7
查看图解2
自由度结果
步骤11
修改套管参数
查看图解3
查看图解4
步骤13
 
练习9-7  抛射器
    本练习将进一步检查使用本地柔性配合来正确计算作用力。练习中将使用和第3章
一样的抢射器模型,如图9-56所示。当冗余很多时,SolidWorks Motion能够正确求解
运动。但是力的分布可能不正确。
    本练习将应用以下技术:
    ·冗余
    ·冗余的影响
    ·在积分器中移除冗余
    ·检查冗余
    项口描述
    计算长臂和配重块之间的枢轴上的力。
抛射器
操作步骤
查看配合
自由度结果步骤5
步骤9
查看图解3
步骤13

视频教程如下:

视频密码:xmj1688



以上视频高清版下载: solidworks教程大全

文章分享:


上一篇:SolidWorks2014 Motion运动仿真-柔性接头
下一篇:SolidWorks2014 Motion运动仿真-输出到FEA

随机推荐



点击浏览:本站所有书籍的光盘文件及书籍pdf文件
solidworks书籍浏览
(点击图片浏览)


本站提供SolidWorks视频教程在线观看, SolidWorks破解版软件下载及软件配套的solidworks书籍视频全套教程  

solidworks教程导航

solidworks教程更新






3D软件交流群:300473852

圆圆教程网答疑群:300472849