Pro/MECHANICA: Motion Analysis

Version 2001

Глава 1 - Введение в Pro/MECHANICA Motion


Цель

В этой главе рассматривается:

Введение в Pro/MECHANICA Motion

Теория Движения

Типы анализа движения

Результаты

Интегрированный интерфейс

Процесс анализа движения

1.1 Введение в Pro/MECHANICA Motion

Pro/MECHANICA Motion - компьютерное программное обеспечение, которое помогает при проектировании и анализе механизмов. Motion интегрируется непосредственно в интерфейс Pro/ENGINEER, но может также работать и независимо. Motion позволяет Вам создать действительный механизм, который соответствует следующим вопросам по проекту изделия (в этих примерах описан механизм, показанный на рисунке):

 

Рисунок 1-1

 

1. Интерференция: Будут ли узлы механизма сталкиваться между собой? Например, столкнётся ли шатун с внутренней поверхностью поршня или корпуса двигателя при работе?

2. Движение: Будут ли узлы механизма перемещаться согласно Вашей задумке? Например, будет ли поршень полностью остаться в цилиндровой втулке? Не заблокируется ли система, когда вектор силы давления от сгорания смеси выровняется по вертикали к соединению шатуна и мотыля?

3. Скорость и Ускорение: Насколько быстро механизм двигается? Будет ли соответствовать скорости вращения коленчатого вала заданному определенному усилию на донышко поршня от сгорания смеси?

4. Сила: Какой вращающий момент или сила требуются для передвижения механизма? Например, каков минимум нагрузки от сгорания смеси, чтобы привести двигатель в движение? Заметьте, что в этом случае должны быть добавлены присущие силы трения и инерции, чтобы моделировать сопротивление механизма, прежде чем может быть смоделирована реалистичная сила от сгорания смеси.

5. Сила Реакции: Что за нагрузки реакции генерируются на соединении (или шарнире) между компонентами в течение движения? Например, какова сила реакции в соединении между шатуном и поршневым пальцем? Является ли эта сила реакции критической, так как шатун должен быть достаточно прочен и долговечен, чтобы выдержать эту нагрузку в эксплуатации.

6. Оптимизация и Варианты Проекта: Как будут изменятся критерии Вашего проекта при изменении модели? Motion позволяет модифицировать механизм для нахождения альтернативы проекта. Изменения, которые Вы можете сделать в Motion, включают размер компонента, геометрическую форму, свойства массы и величины силы. Так как интерфейс Motion является непосредственно интерфейсом Pro/ENGINEER, проект может модифицироваться и регенерироваться в Pro/ENGINEER с последующим запуском Motion. Используя эту технику Вы можете анализировать любое число вариаций проекта модели и определить, какие результаты дадут эти изменения.

Проектные возможности, доступные в Motion, могут обеспечить получение наилучших вариантов проектируемого механизма. Для примера с двигателем, лучшим вариантом проекта может быть:

• Меньшее усилие, требуемое для вращения коленчатого вала.

• Меньшая сила реакции, приложенная к шатуну.

• Отсутствие соударения компонентов.

1.2 Теория движения

Механизм - механическое устройство, которое передает движение и/или силу от источника до выхода. Это упрощенная модель механической системы. Например, состоит из рычагов (или тел), которые связаны соединениями, типа шарнирного соединения, образуя открытый или замкнутый контур. Пример механизма из открытого и замкнутого контура рычагов показан на рисунке 1-2.

 

Рисунок 1-2

 

Соединение становится механизмом, когда по крайней мере одно из тел в петле фиксировано. При фиксации тела соединение больше не свободно для произвольного движения в трёхмерном пространстве, но должно двигаться относительно фиксированной точки земли. В Pro/MECHANICA Motion все тела приняты твердыми и не деформируемыми в течение анализа. Поэтому, механизм для решения проекта и анализа может быть представлен схематично. Например, кривошипно-шатунный механизм двигателя может использоваться для представления движение двигателя, как показано на рисунке 1-3. Это механизм замкнутого контура.

 

Рисунок 1-3

 

В общих чертах, есть два типа проблем, которые Вы можете решить используя Pro/MECHANICA Motion. Это кинематика и динамика.

 

Кинематика

Кинематика - изучение движения без учёта сил, которые вызывают движение. Результаты кинематического анализа - положение, скорость и ускорение для каждой связи в механизме относительно времени. Результаты можно отобразить на диаграмме или непосредственно на модели с помощью анимации. Обычно сначала следует провести кинематический анализ, прежде чем сможем должным образом моделировать динамическое поведение механизма.

 

Динамика

Динамика - изучение движения, вызванного приложенными внешними нагрузками. Динамическое поведение механизма должно соответствовать ньютоновским законам движения. Рисунок 1-4 показывает простую систему пружинно-массового демпфера.

 

Рисунок 1-4

 

Масса, m, находится под воздействием трёх сил: внешней силы, p(t), силы от воздействия пружины, kx, и силы демпфирования, cx. В данном случае, движение массы управляется следующим уравнением, полученным из второго закона Ньютона:

 

 

где x· представляет скорость, а x·· - ускорение. Поэтому обычно перед получением динамических результатов выполняется кинематическое изучение. Перед вычислением сил реакции должны быть получены скорости и ускорения модели.

Для твердого тела в динамическом анализе принимаются во внимание массовые свойства, типа момента инерции. Например, движение маятника, показанного на рисунке 1-5, управляется следующим уравнением движения:

 

Рисунок 1-5

 

где M является внешним моментом или вращающим моментом, I является полярным моментом инерции маятника, m - масса маятника, g является ускорением свободного падения, а Θ является угловым ускорением маятника.

Динамика системы твердого тела, как показано на рисунке 1-2, намного более сложна, чем задачи для отдельного тела. Обычно система дифференциальных и алгебраических уравнений управляет движением и динамическим поведением системы. Каждое отдельное тело в системе должно подчиняться закону Ньютона. Движение системы будет определено нагрузками, действующими на тела или оси соединений (например вращающий момент, приводящий систему в движение). Реактивные нагрузки в совместных соединениях удерживают тела вместе.

 

1.3 Типы анализа движения

В Motion имеется пять типов анализа:

• Анализ сборки

• Скоростной Анализ

• Статический анализ

• Обратный Динамический Анализ (Кинетостатика)

• Анализ Движения (Кинематика и Прямой Динамический анализ)

Анализ сборки

Анализ сборки определяет начальную конфигурацию механизма, основанного на геометрии тела, соединениях и начальных условиях тел. Точки, выбранные на двух отдельных телах и использованные для определения соединения, будут соединены вместе в пределах небольшого допуска. Это должен быть первый анализ, выполненный со сборкой механизма и определения всех свойств Motion.

В примере, показанном на рисунке 1-6, шарнирное соединение было определено между двумя открытыми рычагами. Когда выполняется анализ сборки, система соединяет два рычага в их шарнирных соединениях и создаёт механизм замкнутого контура.

 

Рисунок 1-6

 

Скоростной Анализ

Скоростной анализ подобен анализу сборки, но сопоставляет скорости детали вместо положений. Скоростные анализы гарантируют, что все заданные скорости точек, включая начальные условия, удовлетворены. Скоростные анализы также вычисляются в пределах допуска. Пример скоростного анализа показан на рисунке 1-7.

 

Рисунок 1-7

 

Статический анализ

Статический анализ используется, чтобы найти положение неподвижности (состояние равновесия) механизма, в который ни одно из тел не перемещается. Статические анализы связаны с выигрышем в силе. Например, какая нагрузка может противостоять работающему двигателю. Простой пример статического анализа показан на рисунке 1-8.

 

Рисунок 1-8

 

Обратная Динамика

Обратная Динамика или Кинетостатика используются для определения желательных приводящих нагрузок, которые производят заданное движение в механизме. Например, какая сила должна перемещать кривошипно-шатунный механизм при точно установленной угловой скорости. Типичный кинетостатический анализ показан на рисунке 1-9.

 

Рисунок 1-9

 

Анализ Движения

Анализ Движения или Прямой Динамический анализ производят результат противоположный кинетостатическому анализу. Он используется для изучения движения механизма в ответ на внешнюю нагрузку. Это самый сложный и общий тип анализа. Пример анализа движения показан на Рисунке 1-10.

 

Рисунок 1-10

 

1.4 Результаты вычисления

В Motion результаты анализа движения могут быть рассмотрены с использованием анимации, диаграмм, отчётов и запросов. Анимации дадут Вам глобальное представление того, как ведет себя механизм, как показано на рисунке 1-11. Используя анимацию можно выявить интерференцию между узлами механизма по амплитуде движения.

 

Рисунок 1-11

 

Диаграммы могут быть сгенерированы по широкому ряду данных. Вы можете выбрать соединение или точку, чтобы сгенерировать диаграмму, например, скорость относительно времени. Диаграмма, показанная на рисунке 1-12, показывает угловое положение математического маятника. Эти диаграммы дают Вам количественное понимание поведения механизма.

 

Рисунок 1-12

 

Вы можете также выбрать соединение или пункт для того, чтобы запросить результаты по специфическому времени. Кроме того Вы можете запросить отчет, который включает полный набор итоговых результатов в форме цифровых данных. Также силы реакции, вычисленные в течение анализа, могут использоваться в структурном анализе, используя Pro/MECHANICA Structure, для определения результирующего напряжения и смещения рычага по амплитуде его движения.

 

1.5 Интегрированный интерфейс

Есть два рабочих режима, которые Вы можете выбрать для Motion; Интегрированный и Независимый. Интегрированный режим позволяет работать с Motion в интерфейсе Pro/ENGINEER. Вы используете одинаковую рабочую среду как в Pro/ENGINEER, так и интегрированном Motion. В этом случае Motion рассматривается как модуль Pro/ENGINEER.

В независимом режиме имеются две опции:

• Создание сборки в Pro/ENGINEER и передача её в Motion.

• Создание модели целиком в Motion.

Среда проектирования Mechanica Motion имеет меньшие возможностей. Те кто знаком с Pro/ENGINEER, предпочтёт использовать его.

Для перехода в интегрированный режим Motion выберите Applications, Mechanica. Открывается диалоговое окно Unit Info, показывающее единицы сборки по умолчанию, как показано на рисунке 1–13.

 

Рисунок 1-13

 

Нажмите кнопку для доступа к меню MECHANICA, показанному на рисунке 1–14.

 

Рисунок 1-14

 

Опция Motion появится только когда в Pro/ENGINEER открыта модель сборки. В Motion не возможно войти когда открыта модель детали, так как деталь считается твердым телом и поэтому неспособна двигаться.

Для перехода в Motion выберите Motion из меню MECHANICA. Модель выглядит как показано на рисунке 1-15.

 

Рисунок 1-15

 

Интерфейс интегрированной Motion аналогичен интерфейсу Pro/ENGINEER. Он состоит из падающих меню, кнопок быстрого доступа, окна подсказок/сообщений, раскрывающихся меню, графической области, иконок базовых конструктивных элементов (которые могут использоваться в среде проектирования Motion) и область описания команды.

 

1.6 Процесс Анализа Движения

Полный процесс анализа модели с использованием Pro/MECHANICA Motion состоит из четырех главных шагов: создание модели, анализ, визуализация результатов и оптимизация, как показано на рисунке 1–16. Каждый из этих шагов сгруппирован в отдельное меню в меню MEC MOTION, чтобы пользователь мог перемещаться в процессе от одного меню к другому. Эти шаги будут детально рассмотрены в этой обучающей программе.

 

Рисунок 1-16


Contents

Main Paige