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1、COSMOSMotion 运动仿真培训,COSMOSMotion 2008,About this course关于本课程,Prerequisites前提条件Course Design Philosophy课程设计原理Using this book本书使用方法A note about files配套光盘说明Conventions used in this book本书中采用的原理Class Introductions课程介绍,COSMOSWorks,Design Validation Products设计仿真产品,Vibration&Buckling,What is Motion Simulat
2、ion 什么是运动仿真?,Study of moving systems or mechanisms运动系统或机构研究Motion of a system is determined by 运动系统定义：Mechanical joints connecting the parts 零件的机械连接The mass and inertia properties of the components 部件的质量和惯性特性Applied forces to the system(Dynamics)系统的作用力（动力学）Driving motions(Motors or Actuators)驱动运动（运动
3、或致动器）Time 时间,Mechanism types机构类型,Kinematic System运动学系统Movement of part(s)under enforced or constrained motion 外加或强制运动下的部件动作Fully controlled and only one possible motion result irrespective of force and mass 不考虑力和质量的全约束和单一运动的结果Zero degree of freedom 零自由度Dynamic System动力学系统Movement of part(s)under fre
4、e motion subject to forces 自由运动物体与力作用下的零件运动Partially controlled and infinite number of results depending on forces 依赖于力 的部分约束和无限数量的结果Greater than zero degrees of freedom 自由度数大于零,Understanding Basics运动基础,Mass and Inertia质量和惯性Newtons First Law牛顿第一定律Conservation of momentum动力守恒Degrees of freedom自由度Rigi
5、d body刚性物体Grounded parts固定零件Moving parts运动零件Constraints约束Restrictions placed on a parts movement in specific degrees of freedom 作用在零件运动上的特定自由度的限制Mechanical joints are connections that restrict the movement of one part to another机械关节是约束零件相互运动的连接Joint motion运动副Gravity重力,x,y,Pendulum restrainedto pivot
6、 about mountingpoint,Mapping of SolidWorks assembly mates(constraints)to COSMOSMotion joints.映射SolidWorks装配体配合（约束）为COSMOSMotion的运动副100+ways of defining SolidWorks mates.100多种定义SolidWorks配合的方法Basic constraint types are merged to simplified mechanical joints.基础约束类型合并为简化的机械约束One Orthogonal Concentric m
7、ate in SolidWorks becomes a Concentric joint.一个正交同轴配合转化为同轴副 One Coincident and One Orthogonal Concentric mates in SolidWorks becomes a Revolute joint.一个重合和一个正交同轴配合转化为一个转动副 One Point to Point coincident mate in SolidWorks becomes a spherical joint一个点对点重合配合转化为一个球副。,Constraint Mapping约束映射,约束映射,什么是约束映射?
8、是指在2个指定的零件之间，自动地、智能的将装配关系转化为最小的机构运动幅的形式。基本的约束类型可以合并为简单的机构运动幅，例如 e.g.1 coincident joints becomes a planar joint 2 orthogonal coincident joints becomes a translational joint 3 orthogonal coincident joints becomes a fixed joint 1 Coincident and 1 orthogonal concentric becomes a revolute joint所有的装配约束被映射
9、为连接，包括曲面和曲面的约束(如：圆柱面/平面相切、圆柱面/圆柱面相切)。这些是共有的连接。,映射的约束,注:SolidWorks 中有100多种零件约束的方式,计算机如何进行运动分析？,程序在每一个时间步都应用修正的Newton-Raphson迭代法进行运算采用很小的时间步，软件就会预测零件相对于原始条件或当前时间步的下一个时间步的位置仿真求解必须满足以下要求：零件的速度 零件间的配合关系 力和加速度 结果会一直迭代计算直到达到该时间步上的力和加速度值的某一精度为止。,运动副基础知识（1）,Revolute铰接副,约束2个旋转，3个移动自由度,Cylindrical圆柱副,约束2个旋转，2个
10、移动自由度,运动副基础知识（2）,Translational 移动副,Spherical球形副,约束3个旋转，2个移动自由度,约束3个移动自由度,运动副基础知识（3）,Planar平面副,Universal万向副,约束1个旋转，3个移动自由度,约束2个旋转，1个移动自由度,运动副基础知识（4）,Fixed固定副,Screw螺旋副,约束3个旋转，3个移动自由度,约束1个自由度,2个构件可以不平行于移动和旋转轴，但2个构件的Z轴应该平行且方向一致。,运动副基础知识（5）,Parallel平行轴,约束构件1的Z轴，始终平行于构件2的Z轴即构件1只能绕构件2的一个轴旋转,约束2个旋转自由度,Perpe
11、ndicular垂直轴,约束构件1的Z轴，始终垂直于构件2的Z轴即：构件1只能绕构件2的二个轴旋转,约束1个旋转自由度,运动副基础知识（6）,In Line点在直线上,约束构件1的连接点，只能沿着构件2连接点标记的Z轴运动,约束2个移动自由度,In Plane点在面内,约束3个旋转自由度,约束2个构件之间的相对转动,运动副基础知识（7）,Orientation方向,约束3个旋转自由度,约束2个构件之间的相对转动,CosmosMotion机构基础,刚性实体：1、在Motion中，所有构件都被作为理想刚体。意味着零件内 部没有变形，在仿真过程中构件不会变形或改变形状。一个刚性构件可以是单一的Sol
12、idWorks零件或子装配体。2、SolidWorks零件或子装配体的两种状态：固定或灵活。3、一个刚性的子装配体就是指组成子装配体的独立部件被刚性地相互附加（焊接）在一起，如果它们也是单一零件。,CosmosMotion机构基础,固定零件一刚性零件可被当作固定构件或浮动（运动的）零件。固定零件就是绝对静止。每一固定的实体都具有0个自由度固定零件承担为运动刚性实体的参考结构SolidWorks中，装配体中的固定零件会自动地被处理为固定构件，在开始一个新的机构和映射装配体约束时。,CosmosMotion机构基础,浮动零件机构中可以运动的部件被当作是活动构件。每个活动构件有六个自由度。Solid
13、Works中，装配体中的浮动零件会自动地被处理为活动构件，在开始一个新的机构和映射装配体约束时。,CosmosMotion机构基础,配合SolidWorks配合充分定义刚性构件如何连接以及它们之间如何相互运动。配合从零件的连接中移除自由度。在两个刚性构件中添加配合，例如同轴配合，就移走了自由度，致使它们相对于其它构件保持定位，即使机构中存在运动或作用力。,CosmosMotion机构基础,电机电机可为零件定义在一个时间段内的运动。电机可定义位移，速度，或作为时间函数的加速度。,CosmosMotion机构基础,重力当零件的重量对运动仿真有影响时，重力是一个非常重要的数量，例如自由落体。重力有两
14、部分组成：重力矢量方向 重力加速度的幅值重力属性对话框可以指定方向和重力矢量值，可以在对应的文本框内输入x,y,z方向的值，或通过指定一个参考平面。幅值必须单独输入。默认的重力矢量值为（0，-1，0），幅值为386.22in/s2(或与当前激活单位的当量值）,CosmosMotion机构基础,约束映射概念,CosmosMotion机构基础,力当在CosmosMotion中定义各种力时，必须指定力的位置和方向。这些位置和方向可以从选定的SolidWorks实体中派生出来。实体可以是草图点，顶点，边线和面。,User Interface用户界面,总结,Lesson 1第1课,Car Jack汽车千
15、斤顶,Lesson 1:Topics内容,Introduction to the COSMOSMotion Feature Manager COSMOSMotion特征管理器介绍Understand basic capabilities of COSMOSMotion COSMOSMotion的基本能力Run a Simulation 运行仿真Create a result plot 创建结果输出,Cosmosmotion界面,1、SolidWorks特征树,2、运动类型选项框,3、Motion特征管理器,4、动画和特征时间线,5、MotionManager工具条,Lesson1:模型说明,A
16、 mechanical jack is a device that lifts heavy equipment.The most common form is a car jack,floor jack,or garage jack which lifts vehicles so that maintenance can be performed.Car jacks usually use mechanical advantage to allow a human to lift a vehicle.More powerful jacks use hydraulic power to prov
17、ide more lift over greater distances.Mechanical jacks are usually rated for a maximum lifting capacity(e.g.,1.5 tons or 3 tons).机械千斤顶是提升重型设备的装置。最常见的样式是轿车千斤顶，地板千斤顶、车库千斤顶，用以提升汽车，以方便维修。轿车千斤顶通常借助机械优势让一个人就可提升汽车。更强大的千斤顶使用液压动力可以提供更远距离的举升。机械千斤顶通常以最大提升能力分级（例如1.5吨或3吨等）,Lesson 1:Simulation Goal 仿真目标,Lesson 1：A
18、nalysis Step分析步骤（1）,1、Open the assembly：to open the assembly file Car_Jack.sldasm from the Lesson01 folder.打开装配体：Car_Jack.sldasm（文件夹Lesson01）2、Change to the Motion Study.切换到运动算例3、Create a Motor that drives the Screw_rod at 5 RPM 创建电机，驱动丝杠：5rpm.4、Type of Study 研究类型5、Run the Animation for 5 seconds.运行
19、一个5秒的动画6、Run the Animation for 8 seconds 运行一个8秒的动画7、Rename the Assembly Simulation study 重命名装配体算例,Lesson 1：Analysis Step分析步骤（2）,8 Duplicate the Assembly motion study to create a new Motion Study 复制装配体算例创建一个新的运动算例9 Ensure that COSMOSMotion is added in 启动COSMOSMotion插件10 Select COSMOSMotion as the Typ
20、e of study 选择COSMOSMotion作为研究类型11 Apply Gravity to the assembly 应用重力到装配体12 Create a contact condition between SprocketLink3 and SprocketLink4.在SprocketLink3 和 SprocketLink4.间设定接触条件13 Create similar contact condition between SprocketLink1 and SprocketLink2.SprocketLink1和 SprocketLink2之间创建一个同样的接触条件14
21、Create a force of 2000 lbs to simulate the weight of the car on the car jack.创建一个2000lbs的力，以模拟汽车重量作用在千斤顶上。,Lesson 1：Analysis Step分析步骤（3）,15 Run the Simulation for 8 seconds.运行一个8秒的仿真16 Plot the torque required to lift the weight of the car.输出提升汽车重量所需的扭矩17 Plot the power consumed to lift a weight of
22、2000 lbs.输出提升2000lbs重量所需消耗的功率18 Rotate assembly 转动装配体19 Play the animation.播放动画20 Enable View Key Creation.激活视窗键创建21 Create a new view key.建立一个新的视窗键22 Reorient the view 定位视窗23 Play the animation 播放动画,Lesson 1：Analysis Step分析步骤,24 Save and close assembly.保存和关闭装配体,Lesson 1:Defining and Simulating a Me
23、chanism第1课：定义和仿真一个机构,Parts部件Moving Parts运动部件Ground Parts固定部件Constraints约束Joints运动副Joint Primitives基本副Cam Constraints凸轮约束ForcesApplied Forces施加力Flexible Connectors 连接柔性处理Gravity重力Results结果,添加电机,折叠运动管理器,添加马达,运行一个8秒的动画,计算按钮,时间线,关键码,备注：运动算例简介,运动算例是装配体模型运动的图形模拟。您可将诸如光源和相机透视图之类的视觉属性融合到运动算例中。运动算例不更改装配体模型或其
24、属性。它们模拟并动作给模型规定的运动。可使用 SolidWorks 配合在您建模运动时约束零部件在装配体中的运动。可从运动算例使用 MotionManager，此为基于时间线的界面，包括有以下运动模拟工具：装配体运动物理模拟COSMOSMotion,比较,装配体运动（可在 SolidWorks核心包内使用）。您可使用装配体运动来动画装配体的运动：添加马达来驱动装配体一个或多个零件的运动。使用设定键码点在不同时间规定装配体零部件的位置。装配体运动使用插值来定义键码点之间装配体零部件的运动。物理模拟（可在 SolidWorks核心包内使用）。您可使用物理模拟在装配体上模仿马达、弹簧、碰撞、以及引力
25、。物理模拟在计算运动时考虑到质量。物理模拟计算相当块，所以您可将之用来生成使用基于物理的模拟的演示性动画。COSMOSMotion（可在 SolidWorks office premium 中使用。）您可使用 COSMOSMotion 在装配体上精确模拟和分析模拟单元的效果（包括力、弹簧、阻尼、以及摩擦）。COSMOSMotion 使用计算能力强大的动力求解器，在计算中考虑到材料属性和质量及惯性。您也可使用 COSMOSMotion 为进一步分析标绘模拟结果。,决定使用哪种算例类型,使用装配体运动为不需要考虑到质量或引力的运动生成演示性动画。使用物理模拟生成考虑到质量、碰撞、或引力的运动的演示
26、性近似模拟。使用 COSMOSMotion 运行考虑到装配体运动的物理特性的计算能力强大的模拟。该工具为以上三种选项中计算能力最强的。您对所需的运动的物理特性理解越深，则您的结果越佳。您可使用 COSMOSMotion 运行冲击分析算例以了解零部件对各种不同力的响应。,MotionManager 工具,模拟单元,解算器没能收敛。可能原因是:,1.解算器没能取得指定的精度。松弛COSMOSMotion属性中的精度设定。2.如果模型中的零件快速移动，经常评估雅可比值。3.机制可能已锁定。以不同的初始配置开始模拟或者更改您的马达以获得有效的运动。4.如果在模拟开始时就出现故障，使用较小的初始积分器步
27、长大小。5.尝试使用一严格解算器，如WSTIFF。6.尝试在模型中避免激烈断续性，如突然运动变化，力变化或启用/禁用配合。7.您可能在使用速度极高的马达。尝试降低马达速度。8.确定任何时候只有一个马达在驱动某一零部件。,Lesson 2第2课,Slider Crank Mechanism滑块曲柄机构,Lesson 2:Topics内容,Create moving and ground parts 建立运动和固定部件Review basic joint types in COSMOSMotion 回顾COSMOSMotion中基本运动副类型Understand Automatic Constra
28、int mapping 理解自动约束映射Apply motion to a joint 给运动副添加运动Create a result plot 创建结果输出,Lesson 2:Constraint Mapping Concept 约束映射概念,1 Coincident and 1 concentric mates becomes a revolute joint 一个重合和同轴配合转化为转动副1 Concentric mate becomes a cylindrical joint 一个同轴配合转化为圆柱副A point on a point coincident mate becomes
29、a spherical joint 一个点对点的重合配合转化为球副A point on an axis coincident mate becomes an Inline Joint 轴上一点的重合配合转化为在线连接,Lesson 2:Results结果,Collar-1 not only translates along collar_shaft-1 but also rotates.Collar-1（轴套）不仅沿collar_shaft-1（滑动轴）移动同时还绕轴转动。The rotation needs to be prevented 转动必须消除,Lesson 2:Motion on
30、Joints,Lesson 2:Results结果,Power Consumption in Mechanism机构的能量消耗,Why is Power Consumption negative in some places?为什么在某些位置能量消耗为负值？,Lesson 3,Piston Crankshaft Mechanism活塞曲柄机构,Lesson 3 Topics内容,Review basic joint types in COSMOSMotion COSMOSMotion基本运动副回顾Create Mechanical Joints 建立机械副Apply motion to a j
31、oint 为运动副添加运动Create and review results 创建和浏览结果,Lesson 3:Basic Joint Types,Joints used to constrain the relative motion of a pair of rigid bodies by physically connecting them.物理连接的一对刚性体应用机械副约束相对运动Joint Primitives used to enforce standard geometric constraints 虚约束应用于强化标准几何约束,Lesson 4,Door Mechanism门开
32、关机构,Lesson 4 Topics内容,Create springs and damper entities in COSMOSMotion COSMOSMotion中创建弹簧和阻尼器Attach different parts together to move them as a single entity 绑定不同部件作为同一实体运动Constrain the motion of a cylindrical joint to achieve correct mechanism behavior 约束圆柱副运动，实现正确的机构运动Modify springs and dampers to
33、 achieve desired design goals 修改弹簧和阻尼器，实现设定的设计目标,Lesson 4 Attaching Parts,Physically attach one part to another 物理绑定一个零件到另一个零件上Two parts will be welded or rigidly connected to one another.两零件被焊接或刚性连接到一起No relative motion between the two parts 消除两零件间的相对运动Initial orientation between the two parts will
34、 be locked and will be maintained throughout the simulation 锁定两零件的原始定位，并在仿真求解中保持定位,1#实体,2#实体,Lesson 4:Springs弹簧,Translational Spring Force（线性弹簧力）=-k(X-X0)n+F0Where（这里）:k=Spring stiffness coefficient(always 0)弹簧刚度系数（总是0)X=Current distance between the spring connection points X0=Reference length of th
35、e spring(Free length)弹簧参考长度（自由长度）n=Exponent defining spring characteristic弹簧特性定义指数F0=Reference force of the spring(preload)参考力（预紧力）Positive force repels the two parts.正向力分离物体Negative force attracts the two parts.负向力拉近物体,Similar force expression applies to Torsional Springs近似表达式可用于扭转弹簧,Lesson 4:Dampe
36、rs缓冲器,Translational Damper Force（线性阻尼力）=c*vn Where（此处）:c-Translational damping coefficient 线性阻尼系数v-Current relative velocity between parts at the attachment points 零件在连接点上的相对速度n-Exponent.指数,Similar force expression applies to Torsional Dampers近似表达式可用于扭转缓冲器,Lesson 4:Results结果,gas_piston-1 not only tr
37、anslates along gas_cylinder-1 but also rotates.活塞沿缸体既移动又转动 The rotation needs to be prevented 消除转动,Lesson 4:Results结果,Velocity goal is satisfied速度目标应该满足：Door does not stop in 30 seconds门应该不在30秒内停下。,Should we increase or decrease spring stiffness?应该减小还是增加弹簧刚度？,Spring stiffness 弹簧刚度:1 N/mmDamper Co-ef
38、ficient阻尼系数:5 N(sec/mm),Lesson 4:Results,Velocity goal is satisfiedDoor stops in 30 seconds速度目标满足门在30秒内停下,Spring stiffness弹簧刚度:2 N/mmDamper Co-efficient阻尼系数:10 N(sec/mm),Lesson 5,Hatchback Mechanism后尾箱开启机构,Lesson 5 Topics目标,Create an Action Only force to simulate 创建一个单作用力并仿真Change the mass propertie
39、s of a part 修改零件的质量特性Use Impact forces to control two parts from interfering each other 使用冲击力控制零件间的相互干涉,Affect the dynamic behavior of a mechanism 模仿机构的动力学行为Do not prohibit or prescribe motion and so do not add or remove degrees-of-freedom from your model.Force Entities力实体Translational and Torsional
40、 Springs 直线和扭转弹簧Translational and Torsional Dampers 直线和扭转阻尼器Action-Only Forces/Moments 单作用力/力矩Action-Reaction Forces/Moments 作用-反作用力/力矩Impact Forces冲击力Flexible Connectors柔性连接Gravity重力,Lesson 5:Forces力,Force Type力类型Whether the loading is a force or a moment.载荷是力还是力矩Location定位Direction方向Along an axis
41、defined by an edge,plane or cylindrical surface.使用边线，平面或圆柱面沿轴定义Along the line-of-sight between two points 两点间沿基准线定义Magnitude幅值Enter a pre-defined function expression(step,harmonic,spline).输入预定义的函数表达式（步进，简谐，样条）Enter an equation directly into the Function Expression field using the library of built-in
42、 COSMOSMotion functions.使用内置的库函数在函数表达式框内直接输入方程式,Lesson 5:Force Definition定义力,Lesson 5:Action Only Force单作用力,Lesson 5:Results结果,移动过度：活塞在气缸外,移动正确：活塞在气缸内,Lesson 5:Impact Forces冲击力,Intermittent force that is dependent on relative distance between two components).依赖于两元件相对距离的间歇力Impact forces are used to s
43、imulate the collision between two parts.间歇力用于仿真两零件的碰撞As two parts approach within a specified distance,the impact force becomes active,and a force specified by the impact parameters is applied to both of the colliding parts.当两零件接近在指定的距离内时，冲击力成为主动力，冲击参数控制的力施加在两碰撞零件之间。The collision is dependent on the
44、 materials and geometry of the bodies colliding.碰撞依赖于材料和碰撞的几何体形状,Impact Force=Spring Force+Damping Force 冲击力=弹簧力+阻尼力Stiffness:Depends on material properties and curvature of interacting surfaces刚度：依赖于材料属性和接触面的曲率Exponent:Determines impact force characteristic指数：定义冲击力特性Max Damping:Simulates energy los
45、s in collision最大缓冲：模拟碰撞的能量消耗Penetration:Depth at which maximum damping occurs.穿透深度：最大阻尼发生时的深度Length:distance at which the impact force is activated(parts contact)长度：冲击力是主动力时的距离（零件接触）,Lesson 5:Impact Parameters碰撞参数,Impact Force=Spring Force+Damping ForceStiffness:Depends on material properties and cu
46、rvature of interacting surfacesExponent:Determines impact force characteristicMax Damping:Simulates energy loss in collisionPenetration:Depth at which maximum damping occurs.Length:distance at which the impact force is activated(parts contact),Lesson 5:Impact Parameters,Good numbers for impact param
47、eters:碰撞参数最佳数值：Stiffness刚度:10000 lb/in10000 N/mmExponent指数:1.1-1.3 1.1-1.3 Damping阻尼:0.1-100 lb-s/in1-100 Penetration穿透:0.0001 in0.01 mm,Lesson 5:Impact Parameters碰撞参数,d cannot be specified as 0D不能设定为0,Lesson 5:Results结果,Translational displacement of the concentric joint between the piston and cylin
48、der parts活塞和气缸间的同轴副的直线位移,Notice that the displacement is held at 8 inches which means that the impact force does not allow further translation between the parts注意：当位移保持在8英寸时，两零件间的冲击力不再允许更深的移动。,Lesson 5:Results结果,Magnitude of the impact force applied冲击力幅值,Lesson 6,Latching Assembly锁紧机构,Point-curve-Re
49、stricts a point on one rigid body to lie on a curve on a second rigid body.点-线：约束一刚性体的点作用在另一刚性体的边线上Curve-curve-Constrains one curve to remain in contact with a second curve.线-线：约束一条与第二条曲线保持接触Intermittent curve-curve-Applies a force to prevent curves from penetrating each other.Only active if the par
50、ts are touching线-线间歇接触：施加一个力防止曲线相互穿越，只有在零件接触时起效。3D Contact Applies a force to prevent bodies from penetrating each other.Only active if the parts are touching3D接触：施加一个力防止实体间相互穿透。只有在零件接触时起效。,Lesson 6:Understanding Contacts 理解接触,Contact is similar to an impact force in that the material properties of
