韩威机电产品现代设计方法实验报告110613.docx
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韩威机电产品现代设计方法实验报告110613
实验名称
机电产品现代设计方法
姓名
韩威
学号
1120810613
班级
1208106
实验地点
机工厂209
实验日期
2015.6.4
评分
指导教师
张旭堂
同组成员其他
廖路
1实验目的
（1）掌握典型机电产品多学科协同优化设计软件环境组成，包括建模软件、分析软件、协同平台；
（2）自主设计产品模型、分析过程、优化目标；
（3）对得到的优化结果进行定性分析，解释结果的合理性，编写上机实验报告。
2实验内容
（1）轴或负载台的有限元分析
（2）基于Adams的运动学分析与仿真
3实验相关情况介绍（包含使用软件或实验设备等情况）
3.1实验所使用的软件
包括产品建模软件CAD、有限元分析软件ANSYS、动力学仿真软件ADAMS和控制仿真软件MATLAB。
3.2实验设备
计算机一台。
硬件与软件协同关系的实验环境如下图3.1所示。
图3.1协同仿真平台组成
4实验结果（含操作过程说明、结果记录及分析和实验总结等，可附页）
4.1负载台的有限元分析
4.1.1操作过程说明及结果记录
1．创建零件模型
运行Preprocessor->Modeling->Volumns->Cylinder->SolideCylinder，在弹出对话框中输入相应数值，点OK。
生成零件模型。
图4.1所示为参数设制。
半径为602.3mm，厚度为19.6mm。
图4.1.1参数设置截图
2.选择单元类型
运行Preprocessor->ElementType->Add/Edit/Delete，选择Structural中的Solid选项，由于10个结点的单元计算精度要比8个结点的计算精度高，故选择“Tet10node92”单元，如图4.1.2所示。
图4.1.2单元类型设置
3.材料属性设置
运行Preprocessor->MaterialProps>MaterialModels，在弹出对话框中依次双击Structural，Linear，Elastic，Isotropic，弹出如图4.1.3所示材料属性设置对话框。
图4.1.3材料属性设置对话框
按表4.1.1，选,碳钢作为负载台的材料，弹性模量为205GPa，泊松比为0.25。
表4.1.1材料力学性能表
4．网格划分
运行Preprocessor->Meshing->SizeCntrl->ManualSize->Global->Size设置划分网格的大小。
网格大小设置如图4.1.4所示。
图4.1.4设置网格大小
运行Mesh->MeshTool，弹出如图4.1.5所示网格划分前设置对话框，在Shape选项栏后面，选择Tri和Free，单击Mesh，弹出如图4.1.6所示负载台实体网格划分对话框，选择一个实体进行网格划分，结果如图4.1.7所示。
图4.1.5网格设置图4.1.6负载台实体网格
图4.1.7网格划分
5.施加约束
选择菜单Solution->DefineLoads->Apply->Structure->Displacement->OnNodes，选择几个节点，弹出如图4.1.8所示设置约束对话框，选择AllDOF，点击OK。
图4.1.8设置约束
6.施加载荷
选择菜单Solution->DefineLoads->Apply->Structure->Pressure->OnAreas，弹出如图所示对话框。
拾取一个或多个面，点击OK按钮。
弹出如图4.1.9所示载荷设置对话框。
在VALUE选项栏中填写受力9975N。
图4.1.9载荷设置
7.求解
运行Solution->Solve->CurrentLS，弹出如图4.1.10所示求解对话框。
单击OK进行运算。
图4.1.10求解
8.显示结果
运行GeneralPostproc>PlotResults>ContourPlot>NodalSolu，弹出对话框，单击OK。
运行DOFSolution>Displacementvectorsum和Stress>vonMisesstress，分别显示分析结果的位移图如图4.1.11所示和应力图如图4.1.12所示。
图4.1.11位移图
4.1.12应力图
4.1.2结果分析
负载台上施加大小均匀为9975N的力，从圆心向外扩展位移是逐渐增大的，且位移的大小不关于圆心对称，说明了施加的约束不关于圆心对称。
而负载台的应力从圆心向外逐渐减小且关于圆心对称。
说明在约束处应力较大，需要约束处的材料特殊的物理性质要求。
4.2起重机的Adams运动学分析与仿真
4.2.1操作过程说明及结果记录
1．启动ADAMS
（1）运行ADAMS，选择createanewmodel;
（2）modalname中命名为lift_mecha;
（3）确认gravity文本框中是earthnormal（-globalY），units文本框中是MKS，点击ok；
（4）选择setting——workinggrid，在打开的参数设置中，设置size在X和Y方向均为20m，spacing在X和Y方向均为1m，点击ok。
（5）通过缩放按钮
，使窗口显示所有栅格，单击F4打开坐标窗口。
2．建模
（1）查看左下角的坐标系为XY平面；
（2）选择setting——icons下的newsize图标单位为1；
（3）在工具图标中，选择实体建模按钮中的box按钮
；
（4）设置实体参数：
Onground
Length:
12
Height:
4
Depth:
8
（5）鼠标点击屏幕上中心坐标处，建立基座部分；
（6）继续box
建立Mount座架部件，设置参数：
Newpart
Length:
3
Height:
3
Depth:
3.5
设置完毕，在基座右上角建立座架Mount部件如图4.2.1所示。
图4.2.1座架Mount部件图
（7）左键点击立体视角按钮
，查看模型，座架Mount不在基座中间如图4.2.2所示，调整座架到基座中间部位如图4.2.3所示。
图4.2.2调整前的图
调整的步骤如下所示：
2右键选择主工具箱中的position按钮图标
中的move按钮
；
②在打开的参数设置对话框中选择Vector，Distance项中输入3m，实现Mount移至基座中间位置；
③设置完毕，选择座架实体，移动方向箭头按Z轴方向，Distance项中输入2.25m，完成座架的移动
图4.2.3调整后的图
完成调整后，右键选择座架，在快捷菜单中选择rename，命名为Mount。
（8）选择setting—workinggrid打开栅格设置对话框，在setlocation中，选择pick，选择Mount.cm座架质心，并选择X轴和Y轴方向，选择完毕，栅格位于座架中心如图4.2.4所示。
图4.2.4栅格位于座架中心图示
选择主工具箱中的视角按钮
，观察视图。
将spacing—workinggrid，设置spacing中X和Y均为0.5。
（10）选择圆柱实体绘图按钮
，设置参数：
Newpart
Length:
10m
Radius:
1m
选择座架的中心点，点击左侧确定轴肩方向，建立轴肩，单击三维视图按钮，观察视图如图4.2.5所示。
图4.2.5建立轴肩后的三维图示
（11）继续圆柱工具
，按如下步骤绘制悬臂：
①设置参数：
Newpart
Length:
13m
Radius:
0.5m
②选择Mount.cm作为创建点，方向同轴肩，建立悬臂如图4.2.6所示。
图4.2.6建立悬臂后的图示
3右键选择新建的悬臂，在快捷菜单中选择part_4——Rename，命名为boom。
④选择悬臂，移动方向沿X轴负向，按如下步骤实现悬臂的向左移动：
a．右键选择工具箱中的position按钮中的move按钮；
b．在打开的参数对话框中，选择vector，distance中输入2m，点击悬臂，实现移动如图4.2.7所示；
图4.2.7悬臂移动2m后图示
4右键点击实体建模按钮
，在弹出的下一级菜单中选择导圆角工具
，设置圆角半径为1.5m。
5左键选择座架上侧的两条边，点击右键，完成倒角如图4.2.8所示。
图4.2.8座架倒圆设计
12.选择box按钮图标
，创建铲斗
①设置参数：
Newpart
Length:
4.5
Height:
3.0
Depth:
4.0
②选择悬臂左侧中心点，命名为bucket，建立铲斗如图4.2.9所示。
图4.2.9建立铲斗后的图示
③右键选择position按钮
下一级按钮move按钮
。
④在打开的参数对话框中，选择vector，distance中输入2.25m，选择铲斗，移动方向沿全部坐标系X轴负方向，实现铲斗的横向移动如图4.2.10所示。
图4.2.10铲斗横向移动后的图示
6在主工具箱中，选择三维视图按钮，察看铲斗如图4.2.11所示。
图4.2.11铲斗的三维视图
⑥继续选择move按钮，设置参数中选择vector，distance中输入2.0m，选择铲斗，移动方向沿全部坐标系Z轴负方向，实现铲斗的纵向移动。
⑦移动完毕，选择主工具箱中的渲染按钮render，察看三维实体效果，再次选择render按钮，实体图则以线框显示。
⑧右键点击实体建模按钮，再弹出的下一级按钮中选择倒角工具
，在打开的参数设置对话框中，设置倒角Width为1.5m。
⑨选择铲斗下侧的两条边，完毕单击右键，完成倒角。
⑩右键选择实体建模工具按钮，再下一级按钮中选择Hollow按钮
，在打开的参数设置对话框中设置参数Thickness为0.25m。
选择铲斗为挖空对象，铲斗上平面为工作平面，完毕点击右键挖空铲斗得到如图4.2.12所示的图形。
图4.2.12最终设计图示
3.添加约束
根据图示关系，按如下步骤添加链接：
①在主工具箱中，选择转动副
，下方的参数设置对话框中，设置参数2bod——1loc和pickfeature；
②选择基座和座架，然后选择座架中心Mount.cm，旋转轴沿y轴正向，建立座架与基座的转动副；
③继续用转动副按钮，建立轴肩与座架间的转动副，设置参数为2bod——1loc和Normaltogrid，选择轴肩和座架，再选择座架中心点，建立转动副；
④继续用转动副按钮，建立铲斗与悬臂间的转动副，设置参数为2bod——1loc和Normaltogrid，选择铲斗与悬臂，再选择铲斗下侧中心点，建立转动副；
⑤选择主工具箱中的平动副
，设置参数2bod——1loc和pickfeature，选择悬臂与轴肩，再选择悬臂中心标记点，移动方向沿X轴正方向，建立悬臂和轴肩间的平动副；建立完约束之后点击正视得到如图4.2.13所示。
图4.2.13添加完约束之后图示
⑥右键点击窗口右下角的Information信息按钮，选择约束按钮，观察是否按要求施加约束，关闭信息窗口；
7检查完毕，选择仿真按钮
，对系统进行仿真，观察系统在重力作用下的运动。
4.添加运动
①选择主工具箱中的旋转运动按钮
，右键点击座架中心标记点，在弹出的选择窗口中，选择JOINT_mount_ground,给座驾与基座的转动副添加转动运动；
②选择俯视图按钮，观察旋转运动副的箭头图标；
③右键点击该运动，在弹出的快捷菜单中选择motion_mount_ground——modify在修改对话框中，修改function项为360d*time；
④重复上述动作，在轴肩和座架之间建立旋转运动Motion_shoulder_ground,；
⑤右键点击该运动，在弹出的快捷菜单中选择motion_shoulder_ground——modify在修改对话框中，修改function项为-STEP（time,0,0,0.10,30d）；
⑥重复上述动作，在铲斗和悬臂之间建立旋转运动Motion_bucket_boom；
8设置运动函数为45d*（1-cos（360d*time））；
9右键点击主工具箱中旋转运动按钮，选择下一级平行运动按钮，点击悬臂中心平动副，在悬臂和座架间建立平行运动；
10设置平行运动函数为STEP（time，0.8，0，1，5）；
⑩选择主工具箱中的仿真按钮，设置仿真参数ENDTime：
1；Steps：
100，进行仿真。
5．测量和后处理
①鼠标右键点击铲斗，打开右键快捷键，选择测量measure；
②系统打开参数设置对话框，将Characteristic设置为CMPoint，Component设置为Y,测量Y向位移；
③点击Apply，出现空白的测量窗口；
④点击总工具箱中测量长度按钮
，测量悬臂左端点与轴肩右端点间的距离
保存文件qizhongji在E：
\jiben05\20053377目录中，推出系统。
时间设置为0-5s测量结果如图4.2.14所示。
图4.2.14起重机轴肩Y向位移图示
4.2.2结果分析
从图4.2.14可以分析出如下结论
沿着轴向（Y向）起重机的位移关于时间有着周期性的近似于正弦的变化趋势。
4.3实验总结
机电产品现代设计方法的实验过程中，虽然时间不是很长，但是我们从近乎于零的基础学起，对于如何使用ANSYS进行有限元分析位移和应力，以及如何使用adams软件进行运动仿真与分析有了一定的认识。
由于该课程的大作业就是关于机电产品的现代设计，需要用adams、ANSYS、matlab等软件进行仿真与分析，实验室的软件设备以及老师的指导为我们独立完成大作业的相关设计有着很大的帮助。
在实验过程中，ANSYS软件的使用还算是比较成功的，在使用过程中，对于实验要求的内容几乎没有遇到较大的困难。
但是对于adams软件，由于实验过程中建模与平常使用的cad和solidworks等软件不太相同，耽误了一些时间熟悉软件的操作。
而adams软件最为关键的施加约束和动力，花了比较长的时间才有了一些了解，对于实验造成了不小的阻碍。
在实验完成后，独立完成adams相关的大作业内容时也花了一些时间进行深入的理解。
机电产品现代设计的实验内容让我认识到了现代设计方法对于机械设计的辅助作用之大，特别是对于复杂问题和实际生产生活中的问题，很难通过简单的数学运算进行求解，借用软件的辅助是很好的选择。
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