曲柄搖桿機構的動力學仿真

馬樂

摘 要：曲柄搖桿機構在平面四桿機構中占重要地位，本文采用Matlab編制程序進行優化，對其進行運動學仿真分析，驗證其性能。創建機構的幾何模型，采用Adams和SolidWorks對機構的幾何模型進行動力學方面的初步仿真。對從動件搖桿的位姿等動力參數進行簡單的分析。

關鍵詞：運動學仿真;位姿;幾何模型

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.16.217

現有的對曲柄搖桿機構的優化，大多是將基礎優化和動力學獨立處理。本論文將基于MATLAB的對曲柄搖桿機構的基礎優化與動力學分析，使用Adams和SolidWorks對機構的幾何模型進行動力學方面的初步仿真。從而提升并驗證二維曲柄搖桿機構的綜合機能。

1 數學模型的建立

一曲柄搖桿機構，曲柄桿長參數定為1，機架桿長參數定為6，要求為：曲柄從運轉到時（即），搖桿的位置角變化再現最佳的已知運動規律：

已知桿件長度：曲柄，機架，為極位角，規定傳動角在：

運行編制的MATLAB程序后，得到輸出結果：

連桿及搖桿桿長參數。

搖桿已知運動規律與實際運動規律最小差值。

2 曲柄搖桿機構的動力仿真分析

（1）建立模型。按照前文機構整體優化后得到的各構件尺寸參數，各桿件尺寸定為，曲柄的角速度設定為。

打開Adams/View，按照前文計算得到的各個桿件尺寸建立機構幾何模型，利用某一時刻機構存在的特殊位姿來定位機構各個桿件，本文選擇曲柄右與機架共線的位置。界面見圖2-1所示。

利用余弦定理來求解夾角，確定連架桿與機架所成銳角大小為，建立機架，然后依次建立搖桿、曲柄、連架桿。

（2）添加約束。四個構件，兩兩之間添加回轉副約束即可。

在曲柄搖桿機構中機架默認是固定的，在機架（frame）和工作區域構建固定約束。

（3）為曲柄添加驅動。二維曲柄搖桿機構中，生成數字仿真模型時需要為原動件——曲柄添加驅動。

（4）仿真。應用Simulation完成仿真。在【end time】參數框中輸入12，在【steps】參數框中輸入100。為防止機構仿真時出現崩潰error，在仿真前，先完成靜態Verify，再進行仿真計算。

（5）獲得搖桿的運動特性數據。本文對搖桿的運動特性進行研究分析。獲取相關數據圖表如圖2-2至2-5所示。

使用Adams/Post Processor，用戶可以對仿真得到的數據曲線圖表進行更細致的分析比較處理，如圖2-6所示。

以圖2-6所示，即為后處理模塊對搖桿的Angular Momentum的后處理演示圖。

3 總結

本文用Adams/view 2017建立二維曲柄搖桿機構的動力學模型，并進行動力學仿真計算，機構運行較為穩定流暢。針對該機構中的搖桿的運動特性進行一系列的測量【measure】，得到相關數據曲線的圖表，并進行了后處理的演示。

山東省教育廳項目：J17KB033; 2018山東省農機裝備研發創新計劃項目：2018YF013

通訊作者：孟維云