CATIA运动分析q.docx

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CATIA运动分析q

第16章CATIA运动分析

16.1曲轴连杆运动分析

四缸发动机曲轴、连杆和活塞的运动分析是较复杂的机械运动。

曲轴做旋转运动，连杆左做平动，活塞是直线往复运动。

在用CATIA作曲轴、连杆和活塞的运动分析的步骤如下所示。

（1）设置曲轴、连杆、活塞及活塞销的运动连接。

（2）创建简易缸套机座。

（3）设置曲轴与机座、活塞与活塞缸套之间的运动连接。

（4）模拟仿真。

（5）运动分析。

16.1.1定义曲轴、连杆、活塞及活塞销的运动连接

1.新建组文件

（1）点击“开始”选取“机械设计”中的“装配件设计”模块，如图16-1所示。

图16-1进入“装配件设计”模块

（2）进入装配件设计模块后，点击添加现有组件图标

，再点击模型树上的Product1图标，此时会出现文件选择对话框，按住Ctrl键，分别选取“Chapter16/huo-sai-xiao.CATPart、huo-sai.CATPart、lianganzujian.CATproduct、quzhou.CATpart”，将这些零件体载入到Product1中。

（3）此时，零件体载入后重合到一起，点击分解图标

，出现分解对话框如图16-2所示。

然后点击模型树上的Product1,点击确定，此时弹出警告对话框，如图16-3所示，警告各零件的位置会发生变，点击警告对话框的按钮“是”，我们会发现各个零件分解开来。

图16-2分解对话框

图16-3警告对话框

（3）由于连杆体零件是装配体，各部分之间存在约束，点击“全部更新”按钮

，我们会发现连杆体组件恢复装配后的样子。

（4）点击“约束”工具栏中的“相合约束”图标

，分别选择活塞销中心线及活塞孔中心线，如图16-4所示。

然后点击“约束”工具栏中的“偏移约束”图标

，选择活塞销的一个端面及活塞孔一侧的凹下去细环端面，如图16-5所示，此时出现“约束属性”对话框，如图16-6所示。

将对话框中的“偏移”一栏改为“3.75mm”，点击“确定”按钮，完成活塞销端面和活塞内凹孔细环端面之间的偏移约束关系。

点击“全部更新”按钮

，完成活塞与活塞销之间的约束，如图16-7所示。

自此完成添加零部件工作。

图16-4选择活塞销中心线及活塞孔中心线图16-5活塞销及活塞内凹孔的端面约束

图16-6将对话框中的偏移一栏改为3.75mm图16-7完成活塞及活塞销的约束

2.设置连杆体与活塞销的运动连接

（1）点击“开始”选取“数字模型”中的“DMUKinematics（数字模型运动）”模块，进入模型运动工作台，如图16-8所示。

图16-8进入“DMUKinematics”模块

（2）单击“DMUKinematics（数字模型运动）”工具栏中的“RevolnteJoint（旋转铰）”按钮

右下方的箭头，出现“KinematicsJoint（运动饺）”工具栏，包括所有铰定义按钮，如图16-9所示。

图16-9“KinematicsJoint（运动饺）”工具栏

（3）单击“KinematicsJoint（运动饺）”工具栏中的“RevolnteJoint（旋转铰）”按钮

，弹出“JointCreation:

Revolute（生成旋转铰）”对话框，如图16-10所示。

图16-10“JointCreation:

Revolute（生成旋转铰）”对话框

（4）单击对话框中的“NewMechanism（新运动机构）“按钮弹出“MechanismCreation（生成运动机构）”对话框，如图16-11所示。

单击对话框中的“确定”按钮，按照对话框中的默认机构名称“Mechanism.1”生成新的运动机构。

同时“MechanismCreation（生成运动机构）”对话框被关闭，回到“JointCreation:

Revolute（生成旋转铰）”对话框。

（5）在连杆体零件中选择小孔中心线（注意这里选择的应是连杆体小孔中衬套的中心线，因为与活塞销进行运动接触的是衬套），在选择活塞销的中心线，如图16-12所示。

在连杆体零件中选择小孔衬套的一个端面，在活塞组件中选择活塞销的一个端面，如图16-13所示，在“JointCreation:

Revolute（生成旋转铰）”对话框中点选“Centered（居中）”单选扭，然后选择小孔衬套和活塞销的另外一侧端面，如图16-14所示。

此时“JointCreation:

Revolute（生成旋转铰）”对话框的各项内容如图16-15所示。

单击对话框中的“确定”按钮，生成旋转铰。

零件按铰配合在一起，同时在模型树中出现和铰的名称，如图16-16所示。

图16-11“MechanismCreation”对话框图16-12选择衬套和活塞销中心线

图16-13选择衬套和活塞销的一个端面

图16-14选择衬套和活塞销的另一个端面

图16-15“JointCreation:

Revolute（生成旋转铰）”对话框的各项内容

图16-16模型树上出现机构和铰的名称

3.设置活塞销与活塞之间的运动连接

（1）实际中，活塞与活塞销之间为过盈配合，所以这里我们把活塞与活塞销之间定为刚性连接。

单击“DMUKinematics（数字模型运动）”工具栏中的“RevolnteJoint（旋转铰）”按钮

右下方的箭头，出现“KinematicsJoint（运动饺）”工具栏。

（2）单击“RigidJoint（刚性连接）”按钮

，弹出“JointCreation:

Rigid（生成刚性连接）”对话框，如图16-17所示。

图16-17“JointCreation:

Rigid（生成刚性连接）”对话框

（3）在图形区上分别选择活塞销和活塞，“JointCreation:

Rigid（生成刚性连接）”对话框内容被更新，显示出所选择的零件名称，如图16-18所示。

图16-18对话框显示出所选择的零件名称

（4）单击对话框中的“确定“按钮，生成刚性连接。

零件刚性连接配合在一起。

同时在模型树上出现刚性铰的名称。

如图16-19所示。

图16-19模型树上出现刚性铰的名称

4.设置连杆体与曲轴的运动连接

（1）单击“KinematicsJoint（运动饺）”工具栏中的“RevolnteJoint（旋转铰）”按钮

，弹出“JointCreation:

Revolute（生成旋转铰）”对话框，在连杆体零件中选择大孔中心线（注意这里选择的应是连杆体大孔中轴瓦的中心线，因为与曲轴进行运动接触的是轴瓦），在选择曲轴的第一段的中心线，如图16-20所示。

在连杆体零件中选择大孔轴瓦的一个端面，在曲轴中选择曲轴第一段的一个端面，如图16-21所示，在“JointCreation:

Revolute（生成旋转铰）”对话框中点选“Centered（居中）”单选扭，然后选择大孔轴瓦和曲轴第一段的另外一侧端面，如图16-22所示。

此时“JointCreation:

Revolute（生成旋转铰）”对话框的各项内容如图16-23所示。

单击对话框中的“确定”按钮，生成旋转铰。

零件按铰配合在一起，同时在模型树中出现旋转铰的名称，如图16-24所示。

图16-20选择连杆体大孔中轴瓦的中心线与曲轴的第一段的中心线

图16-21选择大孔中轴瓦的一个端面与曲轴第一段的一个端面

图16-22选择大孔轴瓦和曲轴第一段的另外一侧端面

图16-23“JointCreation:

Revolute（生成旋转铰）”对话框的各项内容

图16-24在模型树中出现旋转铰的名称

（6）此时完成了曲轴与一个连杆体的运动连接，连接后的整体约束图如图16-25所示。

图16-25整体部件的连接图

5.完成其余三组活塞、活塞销、连杆体及曲轴的运动连接

（1）点击“开始”再次选取“机械设计”中的“装配件设计”，进入“装配件设计”模块。

点击“快速多实例化”按钮

，然后在模型树上点击活塞零件，如图16-26所示。

此时在零部件上有一个新的活塞零件生成，如图16-27所示。

图16-26在模型树上点击活塞零件体图16-27新的活塞零件生成

（2）按照

（1）中的快速生成实体的方法分别生成新的活塞销与连杆体零件，生成后的零件如图16-28，同时在模型树上出现新的零件体，如图16-29所示。

图16-28生成新的活塞销与连杆体零件图16-29模型树上出现新的零件体

（3）由于零件体重合在一起，点击“分解”按钮

，出现“分解”对话框，在模型树上点击Product.1,然后点击“确定”按钮。

这时会出现警告对话框，继续点击“确定”按钮，完成重合零部件体的分解。

（4）由于先前已完成对第一组活塞、活塞销、连杆体及曲轴的运动关系的连接，第一组零部件间存在约束，点击“全部更新”按钮

后，它们又恢复到先前的位置关系，但第二组零件被分离开来，如图16-30所示。

图16-30分离更新后的效果图

（5））点击“约束”工具栏中的“相合约束”图标

，分别选择新生成的活塞销中心线及活塞孔中心线，如图16-31所示。

然后点击“约束”工具栏中的“偏移约束”图标

，选择活塞销的一个端面及活塞孔一侧的凹下去细环端面，如图16-32所示，此时出现“约束属性”对话框，如图16-33所示。

将对话框中的“偏移”一栏改为“3.75mm”，点击“确定”按钮完成活塞销端面和活塞内凹孔细环端面之间的偏移约束关系。

点击“全部更新”按钮

，完成活塞与活塞销之间的约束，如图16-34所示。

自此完成添加新零部件的工作，如图16-35所示。

图16-31选择活塞销中心线及活塞孔中心线图16-32活塞销及活塞内凹孔的端面约束

图16-33将对话框中的偏移一栏改为3.75mm图16-34完成活塞及活塞销的约束

图16-35完成添加新零部件的工作

（6）点击“开始”选取“数字模型”中的“DMUKinematics（数字模型运动）”模块，再次进入模型运动工作台。

按照前面介绍过的同样的方法将第二组活塞、活塞销、连杆体及曲轴组件进行运动连接。

连接后的整体效果图如图16-36所示。

模型树上出现新的运动连接铰的名称如图16-37所示。

图16-36连接第二组组件后的效果图

图16-37模型树上的新增运动连接名称

（7）点击“开始”再次选取“机械设计”中的“装配件设计”，进入“装配件设计”模块。

点击“快速多实例化”按钮

，按照增加第二组活塞、活塞销、连杆体组件的方法完成第三、四组组件的增加，并利用“分解”

功能，将位置重合的零部件分解开来，然后对分别对第三、四活塞与活塞销进行约束，最后用“全部更新”

功能，完成第三、四组活塞与活塞销之间的约束更新，如图16-38所示。

此时模型树上出现新的零部件名称，如图16-39所示。

图16-38完成第三、四组组件的增加并对新增活塞及活塞销进行约束

图16-39模型树上出现新的零部件名称

（8）点击“开始”选取“数字模型”中的“DMUKinematics（数字模型运动）”模块，再次进入模型运动工作台。

同样，按照前面介绍的对第三、四组活塞、活塞销、连杆体及曲轴进行运动连接，完成连接后的效果图如图16-40所示。

同时模型树上出现新的运动连接铰，如图16-41所示。

图16-40完成连接后的效果图

图16-41模型树上出现新的运动连接铰

16.1.2创建简易缸套机座

1.插入新零件

（1）点击CATIA的菜单栏中的“插入”，在其子菜单中选择“新增零部件”，如图16-42所示。

（2）在模型树上单击“Product.1”,，这样会在装配图中插入一个新零件。

单击“Product.1”后，会出现一个“新零部件:

原点”对话框，如图16-43所示，提示使用者如何定义新零件的原点。

（3）单击对话框中的“是”按钮，定义新零件的原点与组件的原点重合。

此时在装配件的模型树上将出现一个新零件“Part1（part1.1）”。

如图16-44所示。

图16-42选择“新增零部件”图16-43“新零部件:

原点”对话框

图16-44新零部件“Part1（part1.1）”

（4）右键点击模型树上的“Part1（part1.1）”，在出现的子菜单中选择属性，如图16-45所示。

此时会出现“属性”对话框，在“实例名称”一栏将“part1.1”修改为“缸套机座”点击“确定”按钮，完成产品实例名称的修改,如图16-46所示。

此时模型树上的新增零部件的名称“Part1（part1.1）变成“Part1（缸套机座）”。

图16-45在子菜单中选择属性

图16-46修改“属性对话框”中“实例名称”的内容

2.绘制机座零件草图

（1）将模型树上中Part1零件的元素展开，双击该零件的名称“Part1”,如图16-48所示，这样可以直接由“数字模型工作台”转到“零部件设计工作台”。

（2）选择曲轴带有键槽一端的端面，如图16-47所示，在“草图编辑器”工具栏中单击“Sketcher（草图）”按钮

，进入草图设计工作台。

图16-48双击零件名称“Part1”图16-47选择曲轴带有键槽一端的端面

（3）单击“操作”工具栏中的“Project3delement（投影三维元素）”按钮

，然后选择曲轴带有键槽一端的端面，将其投影为一个圆形草图，如图16-48所示。

然后点击“圆”

，在草图上画一个圆，如图16-49，点击“约束”

，再点击刚才画的圆，此时圆的尺寸被约束住，双击尺寸数字，弹出“约束定义”对话框，将直径改为“80mm”,如图16-50所示，按住“Ctrl”键，点击投影圆和刚才绘制的圆，再点击“约束定义”

按钮，弹出“约束定义”对话框，如图16-51所示，将同心一栏选上，然后点击“确定”按钮。

完成草图绘制，如图16-52所示。

图16-48三维投影草图图16-49画一个圆

图16-50修改直径图16-51“约束定义”对话框

图16-52约束完成后的草图

（4）单击“工作台”工具栏中的“ExitWorkbench（推出工作台）”按钮

，重新进入“零部件设计工作台”。

3.拉伸生成机座零件

（1）单击“给予草图的特征”工具栏中的”Pad（拉伸）”按钮，弹出“PadDefinition（拉伸定义）”对话框，如图16-53所示，将长度一栏改为“40mm”,在轮廓曲面一栏选择刚才绘制的草图，然后点击确定，完成实体的拉伸。

（2）为了区别机座实体，将机座实体更改颜色。

在模型树上右键点击“Part1（缸套机座），在出现的子菜单中点击“属性”弹出属性对话框，点击图形一栏，将颜色改为黄色，如图16-54，然后点击“确定”。

这样就将机座实体与曲轴零件区别开来。

图16-53“凸台定义”对话框

图16-54将颜色改为黄色

4.绘制缸套零件草图

（1）点击“基准平面”

图标，再点击第一组活塞的上表面，如图16-55所示，弹出“基准平面定义”对话框，将偏移一栏数据改为“0mm”,如图16-56所示,点击确定完成基准平面的建立。

建立后的基准平面如图16-57所示。

图16-55选择活塞上表面图16-56“基准平面定义”对话框

图16-57建立的基准平面

（2）点击新建的基准平面，在“草图编辑器”工具栏中单击“Sketcher（草图）”按钮

，进入草图设计工作台。

（3）单击草图工具中的“虚线”图标

，此时该图标变成红色。

接着单击“操作”工具栏中的“Project3delement（投影三维元素）”按钮

，然后选择活塞上表面，将其投影到草图设计平面上，如图16-58所示。

接着再次单击“虚线”图标

，图标恢复原来的颜色，即取消“虚线”功能。

然后在点击“圆”

，在草图上画一个圆，如图16-59，按住“Ctrl”键，选择投影圆与绘制的圆，单击点击“约束定义”

按钮，弹出“约束定义”对话框，如图16-60所示，将相合一栏选上，然后点击“确定”按钮，绘制圆与投影圆相合，如图16-61所示。

图16-58投影活塞上表面图16-59绘制一个圆

图16-60“约束定义”对话框图16-61绘制圆与投影圆相合

（4）在草图上再画一个圆，单击“约束”

，此时圆的尺寸被约束住，双击尺寸数字，弹出“约束定义”对话框，将直径改为“120mm”,点击“确定”完成尺寸约束，如图16-62所示.按住“Ctrl”键，点击两个绘制的圆，再点击“约束定义”

按钮，弹出“约束定义”对话框，将“同心”一栏选上，然后点击“确定”按钮。

将两个圆的圆心约束在一起，如图16-63所示。

图16-62绘制直径为120mm的一个圆图16-63将两个圆的圆心约束在一起

5.拉伸生成缸套零件

单击“给予草图的特征”工具栏中的”Pad（拉伸）”按钮，弹出“PadDefinition（拉伸定义）”对话框，将长度一栏改为“120mm”,在轮廓曲面一栏选择刚才绘制的草图，然后点击确定，完成实体的拉伸，如图16-64所示。

图16-64拉伸缸套零件

6.完成其余三组缸套实体建模

（1）点击再建立第一组活塞缸套时所建立的“基准平面”

图标，在“草图编辑器”工具栏中单击“Sketcher（草图）”按钮

，进入草图设计工作台。

（2）按照与绘制第一组缸套草图相同的方法绘制第二组缸套草图平面，绘制完的效果如图16-65所示。

（3）单击“工作台”工具栏中的“ExitWorkbench（推出工作台）”按钮

，进入“零部件设计工作台”。

准备完成第二组缸套的实体拉伸，与第一组缸套实体拉伸方法相同，对第二组缸套进行拉伸，完成后的实体效果如16-66所示。

图16-65第二组缸套草图绘制图16-66第二组缸套的实体拉伸效果

（4）按照同样的方法建立第三、四组缸套的实体模型，完成后的四组活塞缸套的模型如图16-67所示。

图16-67四组缸套的实体模型

16.1.3设置曲轴与机座、活塞与活塞缸套之间的运动连接

1.设置曲轴与机座之间的运动连接

（1）点击“开始”选取“数字模型”中的“DMUKinematics（数字模型运动）”模块，进入模型运动工作台。

（2）单击“KinematicsJoint（运动饺）”工具栏中的“RevolnteJoint（旋转铰）”按钮

，弹出“JointCreation:

Revolute（生成旋转铰）”对话框，分别选择简易机座的中心线和曲轴左端的中心线，如图16-68所示。

简易机座的左端面和曲轴的左端面，如图16-69所示。

“JointCreation:

Revolute（生成旋转铰）”对话框内容被更新，如图16-70所示，然后点击“确定”完成运动连接，此时模型树上出现新的运动铰的名称，如图16-71所示。

图16-68选择机座和曲轴左端中心线图16-69选择机座的左端面和曲轴左端面

图16-69“JointCreation:

Revolute（生成旋转铰）”对话框内容被更新

图16-71模型树上出现新的运动铰

2.设置活塞浴缸套之间的运动连接

（1）单击“DMUKinematics（数字模型运动）”工具栏中的“RevolnteJoint（旋转铰）”按钮

右下方的箭头，出现“KinematicsJoints（运动铰）”工具栏。

（2）单击“CylindricalJoint（圆柱铰）”按钮

，弹出“JointCreation:

Cylindrical（生成圆柱铰）”对话框，如图16-72所示。

图16-72“JointCreation:

Cylindrical（生成圆柱铰）”对话框

（3）在装配零件上分别选择第一组活塞和缸套的中心线，如图16-73所示。

此时“JointCreation:

Cylindrical（生成圆柱铰）”对话框内容被更新，如图16-74所示，点击“确定”按钮，完成第一组活塞与缸套之间的运动连接。

图16-73选择第一组活塞和缸套的中心线图16-74对话框内容被更新

（4）按照上诉同样的方法，依次完成第二、三、四活塞与缸套之间的运动连接，此时模型树上出现新的运动铰，如图16-75所示。

图16-75模型树上出现新的运动铰

16.1.4模拟仿真

1.设置驱动

在模型树上双击曲轴与机座的运动铰，如图16-76，弹出弹出“JointCreation:

Revolute（生成旋转铰）”对话框，将“Angledriven（角度驱动）”一栏选上，如图16-77所示，点击确定完成驱动设置。

图16-76在模型树上双击曲轴与机座的运动铰

图16-77将“Angledriven（角度驱动）”一栏选上

2.设置固定零件

（1）单击“DMUKinematics（数字模型运动）”工具栏中的“Fixedpart（固定零件）”按钮

，弹出“NewFixedpart（新固定零件）”对话框，如图16-78所示。

图16-78“NewFixedpart（新固定零件）”对话框

（2）在图形区上选择简易机座零件，并点击“确定”按钮。

（3）单击“确定”后，则弹出一个“Information（消息）”对话框，提示现在设置的机构已经可以被模拟，如图16-79所示。

单击对话框中的“确定”按钮，关闭对话框。

3.模拟四缸内燃机运动

（1））单击“DMUKinematics（数字模型运动）”工具栏中的“SimulationwithCommand（使用命令模拟）”按钮

，弹出“KinematicsSimulation-Mechanism.1（运动模拟）”对话框，如图16-80所示。

在对话框中拖动滑标改变角度范围，如图16-81所示。

单击对话框中的“Playforward（向前演示）”按钮

，四缸内燃机开始运动。

图16-80“KinematicsSimulation-图16-81改变角度范围

Mechanism.1（运动模拟）”对话框

16.1.5运动分析

1.定义时间关联的参数关系式

（1）选择菜单工具栏中的“工具”→“选项”命令，弹出“选项”对话框，如图16-82所示。

选中“产品结构”，选择“树的定制”选项卡，然后将“关系”选项激活。

单击对话框中的“确定”，关闭对话框。

图16-82“选项”对话框

（2）在模型树上选择“机制.1”,如图16-83所示。

图16-83选择“机制.1”

（3）单击“知识”工具栏中的“Formula（公式）”按钮

，弹出“公式：

机制.1”对话框，如图16-84所示。

在对话框的“参数”文本框中选择第二个选项“机制.1\命令\命令.1\角度”，单击“添加公式”按钮，定义角度与时间的关系。

图16-84“公式：

机制.1”对话框

（4）单击“添加公式”按钮后，弹出“公式编辑器”对话框，如图16-85所示。

图16-85“公式编辑器”对话框

（5）在“字典”列表框中选择“参数”选项，在“参数成员数”列表框中选择“时间”选项，在“时间成员数”列表框中显示“机制.1\KINTime”。

双击“机制.1\KINTime”，则“机制.1\KINTime”直接进入公式编辑文本框中，如图16-86所示。

图16-86编辑的角度与时间关系公式

（6）在后边继续输入“/1s*36deg”,其物理意义是运动角速度为36deg/1s,因为速度前面的时间单位是s，因此，要与角度单位一致，需要将速度除以时间1s，然后再乘以角度单位。

单击公式编辑器中的“确定”按钮，完成公式编辑，回到“公式：

机制.1”对话框，在对话框中显示出刚才编辑的公式，如图16-87所示。

图16-87在对话框中显示出刚才编辑的公式

（7）单击对话框中的“确定”按钮，生成公式，并且在模型树中显示公式的名称和表达式，如图16