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机械动力学大作业

含弹性摆杆的铰链四杆机构动力学仿真

学号：

院系名称：机电工程学院

专业：机械工程

学生姓名：

本次进行设计和分析的对象为平面铰链四杆机构，在Adams的

环境下，通过对四杆机构进行建模以及运动仿真，绘制出摆杆的相关

曲线图。为了形成有效的对比，先建立含有刚性摆杆的四杆机构，进

行运动仿真，绘制出摆杆的相关曲线。再建立含有柔性摆杆的铰链四

杆机构，所有参数设置均和刚性摆杆一样。考虑到弹性摇杆可能发生

较大的形变，不利于观测，绘制摇杆运动曲线时选择摇杆的质心作为

参考点。

在Adams中主要有三种方法创建柔性构件，第一种是将刚性构

件离散化后采用柔性梁连接；第二种是直接将刚体替换为柔性体；第

三种是运用有限元分析的方法建立柔性构件。本次建模，主要采用前

两种方法建立柔性摆杆。运用有限元建立柔性构件，等以后再进行深

入研究。同时两种方法建立的柔性杆可以形成对比。

通过本次设计，主要学习了Adams软件建模以及运动仿真、图

形处理、刚柔混合建模的操作方法，对自己也是一个很大锻炼和提升。

设计的为平面曲柄摇杆机构。相关参数如：

曲柄长L=200mm，宽W=60mm,高D=30mm；

连杆长L=427mm,宽W=30mm,高D=20mm；

摇杆长L=403mm，宽W=40mm，高D=20mm；

机架长L=600mm，宽W=40mm，高D=20mm；曲柄角速度为

40deg/sec。经过验证，最短杆长度加上最长杆长度小于中间两根杆的

长度之和，满足曲柄存在的条件，且最长杆为机架，故为曲柄摇杆机

构。

一、建模过程

1、建立四个标记点，这四个点依次连接就可以确定一个铰链四杆机

构。

2、建立四根杆的模型

3、在杆件之间添加转动副

4、选择最长杆为机架并固定

5、给曲柄添加驱动，使曲柄角速度为40deg/sec。

6、使模型的显示方式为实体显示

7、进行运动仿真，主要通过时间和步长来控制仿真运动的快慢。

8、载入动画，进行图像处理，绘制曲线图。

9、将刚性摇杆换成柔性的摇杆并添加转动副和驱动

10、进行运动仿真

11、载入动画，进行图像处理，绘制曲线。

12、将连杆改为柔性体，添加转动副，并生成模型，进行运动仿

真。

13、载入动画，生成曲线图。

14、将摇杆换成弹性体，生成模型，进行运动仿真。

15、载入动画，进行图像处理，生成数据。

二、运动学及动力学分析

图1刚性摆杆质心位移

图2柔性摆杆质心位移

图3柔性摆杆质心位移

1，图2，图3

分析摆杆质心位置的变化曲线。刚性和柔性摆杆质心的初始位置

的X坐标均为500mm，Y坐标均为175mm，Z坐标均为0，说明两

次运动过程起始位置一模一样，两个模型具有对比性。刚性摆杆和柔

性摆杆质心的位置均按类似余弦曲线变化，说明摇杆在一定角度范围

内转动，与预期相符合。

由图中观察和数据分析，周期T大概为9s左右，从而验证了角

速度为40。其中刚性摆杆最低点Y坐标大约为50mm左右，说明

摇杆没有运动到水平位置，最高点大约为200mm左右，说明当曲柄

和连杆共线时，摇杆接近和机架垂直。柔性摆杆质心最低位置Y坐

标大约25mm，说明摇杆也没有运动到水平位置，最高位置Y坐标也

约为200mm，说明曲柄和连杆共线时，摇杆也能和机架接近垂直。

柔性摆杆最低点Y坐标小于刚性摆杆，可能是由于杆发生了弯曲变

形。

坐标均大于刚性摆杆的，说明杆发

生弯曲了，使得X坐标增大。Z坐标没有变化且为0，说明机构在

XY平面内运动，与预期相符合。由图还看出曲柄摇杆机构具有急回

特性。

无论在什么方向上，摆杆质心的坐标始终为正，说明摆杆在XY

平面的第一象限内运动，并且摆角不超过180度。

图刚性