基于SOLIDWORDS的手動(dòng)氣閥的模擬仿真

1、 目目 錄錄 1 緒論.1 2 仿真技術(shù)的概述.1 3 仿真模擬技術(shù)的特點(diǎn)與分類.2 3.1 仿真模擬的分類 .2 3.2 仿真模擬與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù) .2 4 仿真模擬中的關(guān)鍵技術(shù).3 4.1 動(dòng)態(tài)環(huán)境建模技術(shù) .3 4.2 交互設(shè)備和工具 .4 4.3 仿真場(chǎng)景管理技術(shù) .4 4.4 網(wǎng)絡(luò)環(huán)境技術(shù) .4 4.5 應(yīng)用環(huán)境系統(tǒng) .4 5 仿真模擬技術(shù)的幾個(gè)典型應(yīng)用.5 5.1 制造工業(yè)中的模擬仿真技術(shù) .5 5.2 作戰(zhàn)演習(xí)的仿真模擬 .5 6 基于 solidworks 的手動(dòng)氣閥的模擬仿真.6 6.1 solidworks概述 .6 6.2 手動(dòng)氣閥的基本工作原理 .6 6.3 手動(dòng)氣閥組成

2、零件的實(shí)體建模 .7 6.3.1 閥體的實(shí)體建模.8 6.4 手動(dòng)氣閥的裝配 .13 6.5 手動(dòng)氣閥的動(dòng)畫演示 .14 6.5.1 手動(dòng)氣閥的爆炸演示的制作過程.15 6.5.2 手動(dòng)氣閥的模擬仿真動(dòng)畫演示的制作過程.16 7 結(jié)論.18 致謝.19 參考文獻(xiàn).20 1 1 1 緒論緒論 計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)是世界各國(guó)十分重視的一項(xiàng)高新技術(shù)。仿真是以計(jì)算機(jī)系 統(tǒng)為基礎(chǔ)，根據(jù)用戶的要求，建立實(shí)際系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并使之轉(zhuǎn)換為仿真模 型，在不同的工況下，在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中運(yùn)行演示，從而真實(shí)地展現(xiàn)實(shí)際系統(tǒng)運(yùn) 行狀態(tài)的過程。它是涉及計(jì)算數(shù)學(xué)、工程控制、各種實(shí)際系統(tǒng)的專業(yè)知識(shí)、計(jì) 算機(jī)軟硬件技術(shù)等多學(xué)科領(lǐng)域的一項(xiàng)

3、綜合性高科技技術(shù);是科學(xué)工作者、工程技 術(shù)人員、運(yùn)行操作人員進(jìn)行系統(tǒng)分析、優(yōu)化設(shè)計(jì)、性能評(píng)估、運(yùn)行試驗(yàn)、教育 培訓(xùn)、操作訓(xùn)練的有力工具。它在國(guó)防、能源、交通、航空航天等重要的軍事 與非軍事領(lǐng)域，得到了越來越廣泛的應(yīng)用。美國(guó) 1992 年提出的 22 項(xiàng)國(guó)家重點(diǎn) 發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)報(bào)告中，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)被列為第 16 項(xiàng)。同年提出的 21 項(xiàng)國(guó) 防及軍事重點(diǎn)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)報(bào)告中，被列為第 6 項(xiàng)。充分說明了模擬仿真技 術(shù)在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域中的重要地位。 solidworks 軟件是一種強(qiáng)大的虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)和仿真平臺(tái), 具有方便易用、 直觀簡(jiǎn)單、功能豐富等優(yōu)點(diǎn)。利用該項(xiàng)技術(shù)可以快速地發(fā)現(xiàn)機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的

4、 缺陷, 并可以直接更改模型, 大大地減少了設(shè)計(jì)中的錯(cuò)誤, 縮短了新產(chǎn)品的開 發(fā)周期;同時(shí)基于該軟件的模擬仿真可以在教學(xué)上直觀形象的演示給學(xué)生，使學(xué) 生通過通俗易懂的畫面，快捷、高效地接受新知識(shí)。 2 2 仿真技術(shù)的概述仿真技術(shù)的概述 仿真( emulation)是指用一個(gè)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng),來全部或部分地模仿某一數(shù)據(jù) 處理系統(tǒng),使得模仿的系統(tǒng)能像被模仿的系統(tǒng)一樣接受同樣的數(shù)據(jù),執(zhí)行同樣的 程序,獲得同樣的結(jié)果。模擬(simulation,有時(shí)也譯作仿真)是指用一個(gè)數(shù)字處 理系統(tǒng)表達(dá)某個(gè)物理系統(tǒng)或抽象系統(tǒng)中選取的行為特征 1 1 。但在習(xí)慣上我們 總是將仿真模擬兩個(gè)詞連用,有時(shí)也簡(jiǎn)稱為仿真,以 si

5、mulation 來表示,是用模 型(物理模型或數(shù)學(xué)模型)來模仿實(shí)際系統(tǒng),代替實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和研究,是產(chǎn) 品設(shè)計(jì)和制造中的常用技術(shù)手段。 確切地說,仿真模擬技術(shù)是以數(shù)學(xué)理論、相似原理、信息技術(shù)、系統(tǒng)技術(shù)及 其應(yīng)用領(lǐng)域有關(guān)的專業(yè)技術(shù)為基礎(chǔ),以計(jì)算機(jī)和各種物理效應(yīng)設(shè)備為工具,利用 系統(tǒng)模型對(duì)實(shí)際或者設(shè)想的系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)研究的一門綜合性技術(shù) 2 2 。它綜合 了計(jì)算機(jī)、信息處理、自動(dòng)控制等等多個(gè)高新領(lǐng)域的技術(shù),已經(jīng)成為科學(xué)研究中 除理論研究和科學(xué)實(shí)驗(yàn)以外的第三種方法 3, 3, 4 4 。目 前的廣泛應(yīng)用不僅有力地推 動(dòng)了計(jì)算機(jī)、電子和控制技術(shù)等相關(guān)學(xué)科的發(fā)展,其應(yīng)用成果也產(chǎn)生了巨大的經(jīng) 2 濟(jì)效益

6、和社會(huì)效益。用仿真模擬系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn),不受氣候、場(chǎng)地和時(shí)間等客觀條 件限制,具有經(jīng)濟(jì)、靈活、可多次重復(fù)使用的優(yōu)點(diǎn),尤其適用于航空、航天、國(guó) 防、航海及其他大規(guī)模復(fù)雜系統(tǒng)的分析、設(shè)計(jì)、試驗(yàn)和評(píng)估過程,已經(jīng)成為許多 復(fù)雜系統(tǒng)必不可少的輔助設(shè)計(jì)手段。其 中著名的有美國(guó) nasa 在航天器外的空間 活動(dòng)和哈勃天文望遠(yuǎn)鏡修復(fù)的地面仿真模擬訓(xùn)練系統(tǒng) 3 3 。因 此,美國(guó)國(guó)防部將 建模和仿真技術(shù)列為 21 世紀(jì)保證美軍優(yōu)勢(shì)地位的七大關(guān)鍵技術(shù)之一 4 4 。國(guó) 外 產(chǎn)業(yè)界也將其視為一項(xiàng)參與新世紀(jì)競(jìng)爭(zhēng)的重要技術(shù)。 3 3 仿真模擬技術(shù)的特點(diǎn)與分類仿真模擬技術(shù)的特點(diǎn)與分類 傳統(tǒng)上,仿真模擬技術(shù)是探討系統(tǒng)、模型、仿

7、真三者之間的關(guān)系,仿真就是 對(duì)模型的實(shí)驗(yàn),模型是系統(tǒng)的抽象,仿真建模就是對(duì)不同形式的系統(tǒng)模型研究其 求解算法?，F(xiàn) 代的仿真技術(shù),更多的是根據(jù)物理規(guī)律通過計(jì)算機(jī)的程序計(jì)算,建 模方法和手段更為豐富,如通過基于模型庫的結(jié)構(gòu)化建模,采用面向?qū)ο蠼７?法,在類庫的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)模型拼合與重用等軟件工程技術(shù)。由此涌現(xiàn)出來的眾多 的新算法和新軟件,大大加快了仿真模擬過程。 要想通過仿真模擬得出正確、有效地結(jié)論,必須對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行科學(xué)的分析。 現(xiàn)代仿真軟件廣泛采用了可視化技術(shù),通過圖形、圖表,甚至動(dòng)畫生動(dòng)逼真地顯 示出被仿真對(duì)象的各種狀態(tài),使模擬仿真的輸出信息更加豐富、更加詳盡、更加 有利于對(duì)仿真結(jié)果的科學(xué)分

8、析。 3.13.1 仿真模擬的分類仿真模擬的分類 仿真模擬技術(shù)在不同的應(yīng)用領(lǐng)域和應(yīng)用中,具有不同的實(shí)現(xiàn)形式,主要體現(xiàn) 在系統(tǒng)模型或者仿真模型的不同實(shí)現(xiàn)形式,根據(jù)系統(tǒng)模型中是否包含隨機(jī)因素, 可分為隨機(jī)型和確定型模型;根據(jù)模型是否具有時(shí)變性,可分為動(dòng)態(tài)模型和靜態(tài) 模型;從仿真模擬的形態(tài)區(qū)分,通常有實(shí)物仿真和半實(shí)物仿真甚至全軟件仿真等 形式;從系統(tǒng)狀態(tài)來區(qū)分主要可以分為離散事件仿真、monte - carlo 仿真和連 續(xù)仿真等形式。 3.2 仿真模擬與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)仿真模擬與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù) 在有關(guān)文獻(xiàn)中,我們經(jīng)?？梢钥吹椒抡婺M技術(shù)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)等表達(dá)方式 密切相關(guān),虛擬現(xiàn)實(shí)和仿真模擬是從不同的角度

9、、不同的對(duì)象或者不同的應(yīng)用范 圍來闡述實(shí)物虛化和虛物實(shí)化的控制操作過程間的研究目標(biāo)和實(shí)現(xiàn)手段等大部 分是相似的。虛擬現(xiàn)實(shí)從用戶感受角度分為桌面級(jí)虛擬現(xiàn)實(shí)和沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí) 兩種類型,從研究對(duì)象角度分為仿真虛擬現(xiàn)實(shí)和假想性虛擬現(xiàn)實(shí),還有其他依據(jù) 3 不同的背景和要求對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)研究方法和表現(xiàn)形式的各種分類 5 5 。通常我們 要求虛擬環(huán)境滿足三要素:沉浸感( immersion) 、互動(dòng)性( interaction)和構(gòu) 想性( imagination) ,但是對(duì)于不同的應(yīng)用目標(biāo),虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)三個(gè)要素的實(shí) 現(xiàn)要求也有很大的不同。仿真模擬技術(shù)按照技術(shù)交互手段和實(shí)現(xiàn)目的不同分為 過程仿真和結(jié)果仿真,前

10、者側(cè)重在系統(tǒng)行為過程活動(dòng)的真實(shí)性驗(yàn)證,它與虛擬現(xiàn) 實(shí)技術(shù)聯(lián)系更為緊密,后者側(cè)重在對(duì)系統(tǒng)模型計(jì)算結(jié)果的驗(yàn)證,通常借助于高性 能計(jì)算機(jī)等設(shè)備獲得數(shù)據(jù),再對(duì)計(jì)算結(jié)果作可視化重現(xiàn)。而通常我們所說的計(jì)算 機(jī)仿真更側(cè)重在利用計(jì)算機(jī)軟件模擬環(huán)境與真實(shí)環(huán)境結(jié)合進(jìn)行的操作和推演,因 此仿真模擬更注重于系統(tǒng)中的一些物理特性或真實(shí)特性,有時(shí)并不注重系統(tǒng)的沉 浸感。但是目前越來越多的仿真模擬技術(shù)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)相結(jié)合以提高仿真模 擬的沉浸感,虛擬現(xiàn)實(shí)也越來越多地使用仿真模擬常用的設(shè)備和裝置來提高虛擬 現(xiàn)實(shí)的真實(shí)感,因此兩者的界限也越來越模糊。這里我們不對(duì)兩者作清晰的區(qū)分,這 里所說的仿真模擬技術(shù)就是綜合使用這兩種技術(shù)的

11、統(tǒng)稱。 4 4 仿真模擬中的關(guān)鍵技術(shù)仿真模擬中的關(guān)鍵技術(shù) 仿真模擬技術(shù)的關(guān)鍵是模型和環(huán)境的構(gòu)建以及實(shí)時(shí)交互和反饋技術(shù)。它涉 及到數(shù)據(jù)表示、運(yùn)動(dòng)計(jì)算和實(shí)時(shí)視景生成等基本環(huán)節(jié)。數(shù)據(jù)表示與管理不僅與 物理模型或者數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建和環(huán)境生成等圖形圖像數(shù)據(jù)有關(guān),也與其他數(shù)據(jù)格 式和具體應(yīng)用背景所需要的數(shù)據(jù)有關(guān)。運(yùn)動(dòng)計(jì)算不僅需要高性能的計(jì)算能力也 與仿真應(yīng)用背景密切相關(guān),它包括動(dòng)力學(xué)或者運(yùn)動(dòng)學(xué)方程等具體的數(shù)學(xué)物理模型 求解以及實(shí)時(shí)交互計(jì)算。實(shí)時(shí)視景生成對(duì)于強(qiáng)調(diào)過程真實(shí)感的體驗(yàn)型仿真模系 統(tǒng)尤為重要。 4.1 動(dòng)態(tài)環(huán)境建模技術(shù)動(dòng)態(tài)環(huán)境建模技術(shù) 虛擬環(huán)境的建立是體驗(yàn)型虛擬仿真模擬技術(shù)的核心內(nèi)容。動(dòng)態(tài)環(huán)境建模技

12、術(shù)的目的是根據(jù)應(yīng)用的需要獲取實(shí)際環(huán)境的三維數(shù)據(jù),建立相應(yīng)的虛擬環(huán)境模型 和仿真對(duì)象。三維數(shù)據(jù)和三維對(duì)象的獲取可以采用場(chǎng)景建模,圖像等多種形式, 有效提高數(shù)據(jù)獲取的效率。它的技術(shù)特點(diǎn)是執(zhí)行人在一個(gè)通過計(jì)算機(jī)和其他設(shè) 備構(gòu)建起來的三維視覺或者聽覺、以及包括觸覺反饋在內(nèi)的操作環(huán)境中,對(duì)執(zhí)行 人的反饋?zhàn)龀黾皶r(shí)響應(yīng),造成與真實(shí)場(chǎng)景和系統(tǒng)幾乎一樣的操作感覺,因此系統(tǒng) 要求具有很強(qiáng)的實(shí)時(shí)交互性。據(jù) 統(tǒng)計(jì),仿真模擬系統(tǒng)所提供的視景為仿真模擬提 供了 70%的有用信息 6 6 ,仿真模擬系統(tǒng)內(nèi)容的豐富程度、逼真度、清晰度和視 場(chǎng)角的大小,直接影響到仿真系統(tǒng)的質(zhì)量和仿真模擬效果。盡管目前構(gòu)成的虛擬 場(chǎng)景已經(jīng)有了較

13、為逼真的場(chǎng)景效果,但是利用圖形圖像技術(shù)生成的真實(shí)感場(chǎng)景與 4 真實(shí)場(chǎng)景相比仍有不小的差距。目 前采用的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù),采用部分真實(shí)的場(chǎng)景 對(duì)象代替計(jì)算機(jī)生成對(duì)象,對(duì)仿真模擬過程起到了很好的效果。三維聲音處理也 是一個(gè)虛擬仿真場(chǎng)景所需要的,它包括聲音合成、三維聲音定位和語音識(shí)別等技 術(shù)。在某些應(yīng)用中,還需要聲光電磁等環(huán)境因素的考慮。 4.2交互設(shè)備和工具交互設(shè)備和工具 人與虛擬環(huán)境交互的硬件接口裝置,涉及圖形圖像硬件設(shè)備,用于產(chǎn)生沉浸 感,以及跟蹤裝置,用于跟蹤用戶頭部的位置和方向及從手的位置跟蹤到全身各 肢體的位置,跟蹤裝置把這些信息送入應(yīng)用軟件,以確定眼睛的位置及視線方向。 如頭盔式顯示器(h

14、md) 、空間沉浸式顯示器( sid,如洞穴式和圓頂式)。觸 覺和 力反饋系統(tǒng)提供觸覺刺激,如三維動(dòng)作跟蹤器可提供 32 個(gè)關(guān)節(jié)傳感器,帶力反饋 的數(shù)據(jù)手套等。虛 擬仿真模擬技術(shù)的交互能力依賴于立體顯示和傳感器技術(shù)的 發(fā)展?，F(xiàn) 有的虛擬仿真技術(shù)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足系統(tǒng)的需要,例如,數(shù)據(jù)手套有延遲 大、分辨率低、作用范圍小、使用不便等缺點(diǎn),虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備的跟蹤精度和跟蹤 范圍也有待提高。 4.34.3仿真場(chǎng)景管理技術(shù)仿真場(chǎng)景管理技術(shù) 虛擬仿真中包括大量的感知信息和模型,如信息的同步技術(shù)、模型的標(biāo)定技 術(shù)、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換技術(shù)、數(shù)據(jù)管理模型、識(shí)別和合成技術(shù)等等。同時(shí)需要協(xié)調(diào)景、 物、事件、輸入信息等。仿 真場(chǎng)景的

15、管理技術(shù)為系統(tǒng)的正常運(yùn)行提供技術(shù)保障。 尤其對(duì)于當(dāng)前的分布式模擬仿真技術(shù),仿真場(chǎng)景的數(shù)據(jù)組織和管理更為復(fù)雜也更 為重要。 4.44.4網(wǎng)絡(luò)環(huán)境技術(shù)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境技術(shù) 當(dāng)前,隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展和廣泛應(yīng)用,也由于各種應(yīng)用需求的驅(qū)動(dòng), 分布式仿真模擬系統(tǒng)成為目前的研究熱點(diǎn)之一。系 統(tǒng)中數(shù)據(jù)和交互命令的快速 傳輸,要求分布式系統(tǒng)能夠及時(shí)響應(yīng),同時(shí)系統(tǒng)的規(guī)模還要求可擴(kuò)展、功能可擴(kuò) 充、甚至要求是異構(gòu)型的軟件結(jié)構(gòu)。 4.54.5應(yīng)用環(huán)境系統(tǒng)應(yīng)用環(huán)境系統(tǒng) 應(yīng)用系統(tǒng)是面向具體問題的軟件部分,描述仿真的具體內(nèi)容,包括仿真的動(dòng) 態(tài)邏輯、結(jié)構(gòu)以及仿真對(duì)象與用戶之間的交互關(guān)系,與具體的應(yīng)用有關(guān),仿真對(duì) 象的行為模擬的

16、真實(shí)性和可信性很大程度上取決于對(duì)場(chǎng)景對(duì)象構(gòu)建的物理模型 和數(shù)學(xué)模型的量化程度和模型的精度。 5 5 5 仿真模擬技術(shù)的幾個(gè)典型應(yīng)用仿真模擬技術(shù)的幾個(gè)典型應(yīng)用 仿真模擬活動(dòng)對(duì)社會(huì)和科學(xué)技術(shù)的影響體現(xiàn)在很多方面。例 如,在軍事領(lǐng)域 的應(yīng)用,有力地推動(dòng)了軍事理論和軍事思想的深刻變革,提升了國(guó)家的國(guó)防安全 實(shí)力;在設(shè)計(jì)制造業(yè)中的廣泛應(yīng)用,不僅縮短了企業(yè)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造周期,而且 提高了產(chǎn)品質(zhì)量,從而提高了企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力;在政府決策和管理領(lǐng)域的應(yīng)用,提高 了決策管理的科學(xué)水平,減少了決策錯(cuò)誤,提高了政府管理效率; 在文化娛樂方 面的應(yīng)用,不僅豐富了娛樂內(nèi)容,也提高了節(jié)目的觀賞性,創(chuàng)造了更多的夢(mèng)幻效果,同

17、時(shí)節(jié)約了娛樂節(jié)目制作的成本,提高了文化傳播能力。隨 著計(jì)算機(jī)技術(shù)和其他相 關(guān)裝備技術(shù)的發(fā)展,仿真模擬技術(shù)越來越朝著真實(shí)性、實(shí)時(shí)性和隱形性方向發(fā)展。 仿真模擬技術(shù)已經(jīng)越來越多地融合到我們的生活中,并影響著我們的生活方式和 生活習(xí)慣。 5.1 制造工業(yè)中的模擬仿真技術(shù)制造工業(yè)中的模擬仿真技術(shù) 試驗(yàn)階段是產(chǎn)品設(shè)計(jì)完成后的關(guān)鍵階段。大 多數(shù)企業(yè)都是先制造物理樣機(jī), 投入試驗(yàn),如果某些地方試驗(yàn)失敗,則重新設(shè)計(jì)、重新制造、重新試驗(yàn),如此反復(fù),直 到通過定型。顯 然,這樣反復(fù)多次的“設(shè)計(jì)、試驗(yàn)、修改”過程,耗時(shí)長(zhǎng),成本高。 制造工業(yè)中的產(chǎn)品設(shè)計(jì)仿真分析,主要是為了發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)缺陷、減少重量、增加強(qiáng) 度、優(yōu)化零部

18、件尺寸、優(yōu)化性能等。在 數(shù)字樣機(jī)的仿真試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)問題、修改 設(shè)計(jì),與物理樣機(jī)相比,顯然其成本降低很多。據(jù) 統(tǒng)計(jì),數(shù)字樣機(jī)的開發(fā)方式能夠 減少一半以上的物理樣機(jī)制造和試驗(yàn),從而爭(zhēng)取到更多的時(shí)間,節(jié)約大量的費(fèi)用。 例如汽車碰撞仿真,模具設(shè)計(jì)與數(shù)控加工仿真系統(tǒng)等。 5.2 作戰(zhàn)演習(xí)的仿真模擬作戰(zhàn)演習(xí)的仿真模擬 現(xiàn)代作戰(zhàn)仿真模擬是計(jì)算機(jī)技術(shù)、軍事運(yùn)籌學(xué)理論和戰(zhàn)役戰(zhàn)術(shù)學(xué)等多學(xué)科 相結(jié)合的產(chǎn)物 3-5 3-5 。從 單件武器的操作訓(xùn)練發(fā)展到作戰(zhàn)協(xié)同和對(duì)抗訓(xùn)練、再到 戰(zhàn)術(shù)合同演練乃至大規(guī)模高速遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)支持的多兵種多武器平臺(tái)環(huán)境下的聯(lián)合 作戰(zhàn)演習(xí),仿真模擬技術(shù)都有廣泛的應(yīng)用。其 主要功能有三:一是直接或通過導(dǎo)

19、 調(diào)人員給受訓(xùn)者提供逼真的戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)信息,使官兵有如“身臨其境”的感受;二 是接受受訓(xùn)人員對(duì)態(tài)勢(shì)信息的反饋(判斷和決策) ;三是通過模擬系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果, 對(duì)受訓(xùn)人員的反應(yīng)給以評(píng)估。所 以加強(qiáng)現(xiàn)代作戰(zhàn)仿真模擬系統(tǒng)的研究開發(fā),不僅 可以節(jié)約大量的資金,避免大量的物資消耗,有助于實(shí)現(xiàn)我國(guó)的國(guó)防現(xiàn)代化,也有 助于改善我國(guó)國(guó)際周邊環(huán)境,改善我國(guó)的國(guó)際形象。 6 6 6 基于基于 solidworkssolidworks 的手動(dòng)氣閥的模擬仿真的手動(dòng)氣閥的模擬仿真 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,在氣壓傳動(dòng)教學(xué)中采用計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)已成為一 個(gè)發(fā)展方向。氣壓傳動(dòng)教學(xué)中很重要的內(nèi)容是介紹氣壓元件的結(jié)構(gòu)和工作原理, 它涉及到氣

20、壓傳動(dòng)工作介質(zhì)在氣壓元件內(nèi)部的流動(dòng)。在傳統(tǒng)的教學(xué)方式中,由于 掛圖或膠片是靜止的,無法連貫地再現(xiàn)氣壓元件的工作過程,所以造成老師講解 困難學(xué)和生理解困難,教學(xué)效果不理想。為了解決傳統(tǒng)教學(xué)的缺點(diǎn), 本文針對(duì)氣 壓傳動(dòng)的手動(dòng)氣閥,提出了一種基于solidworks的結(jié)構(gòu)裝配和工作原理動(dòng)態(tài)仿真,這 樣可使抽象問題直觀化，既有利于老師的教學(xué),也有助于學(xué)生的學(xué)習(xí)。從而體現(xiàn) solidworks的優(yōu)越性,并且縮短學(xué)生的理解時(shí)間,激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,彌補(bǔ)傳統(tǒng) 教學(xué)方法的不足, 提高教學(xué)效果。 6.1 solidworks 概述概述 為了開發(fā)基于微機(jī)平臺(tái)的三維 cad 軟件，1993 年 ptc 公司的副總裁

21、與 cv 公司的副總裁共同成立了 solidworks 公司，并于 1995 年成功推出了 solidworks 軟件。該軟件具有很大的創(chuàng)新性，solidworks 3d 設(shè)計(jì)直接從三維 模型入手，省去設(shè)計(jì)過程中三維視圖與二維視圖之間的轉(zhuǎn)化。設(shè)計(jì)者可以方便 地運(yùn)用鼠標(biāo)通過拉伸、旋轉(zhuǎn)、薄壁特征、高級(jí)抽殼、特征陣列以及打孔等拖放 式操作不斷改變其結(jié)構(gòu)，最終完成整個(gè)產(chǎn)品(或零件)的設(shè)計(jì)，直觀易學(xué)，操作 方便。solidworks 軟件采用參數(shù)驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)模式，可以通過修改相關(guān)的參數(shù)來 完善設(shè)計(jì)方案，支持設(shè)計(jì)方案的動(dòng)態(tài)修改。軟件包含豐富的標(biāo)準(zhǔn)件圖庫，用戶 也可任意擴(kuò)充自定義的圖庫，因而減少了不必要的重復(fù)

22、性設(shè)計(jì)工作，有效地縮 短了設(shè)計(jì)周期，提高了設(shè)計(jì)效率。solidworks 可以通過任意旋轉(zhuǎn)和剖切對(duì)運(yùn)動(dòng) 的零部件進(jìn)行動(dòng)態(tài)的干涉檢查和間隙檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)問題立即修正，把“試制過程” 放在設(shè)計(jì)階段，可以避免做成實(shí)物后才發(fā)現(xiàn)問題，提高了新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)效率。 solidworks 軟件擁有數(shù)十個(gè)黃金合作伙伴，比如美國(guó)著名的結(jié)構(gòu)研究公司的 cosmos 軟件能夠和 solidworks 軟件無縫集成，實(shí)現(xiàn)機(jī)械產(chǎn)品的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力 學(xué)仿真，此外還可以對(duì)機(jī)械零件進(jìn)行有限元分析，從而進(jìn)一步進(jìn)行強(qiáng)度校核或 優(yōu)化設(shè)計(jì)。 6.2 手動(dòng)氣閥的基本工作原理手動(dòng)氣閥的基本工作原理 手動(dòng)氣閥是汽車上用的一種壓縮空氣開關(guān)的機(jī)構(gòu)，其工

23、作原理如圖 1 所示。 當(dāng)通過手柄球（序號(hào) 1）和芯桿（序號(hào) 2）將氣閥桿（序號(hào) 6）拉到最上位置時(shí)， 儲(chǔ)氣筒與工作氣缸相接通。當(dāng)氣閥桿被推到最下位置時(shí)，工作氣缸與儲(chǔ)氣筒的 通道關(guān)閉。此時(shí)工作氣缸通過氣閥桿的中心孔道與大氣接通。氣閥桿與閥體 7 （序號(hào) 4）孔是間隙配合，裝有 o 型密封圈（序號(hào) 5）以防止壓縮空氣泄露，螺 母（序號(hào) 3）氣質(zhì)固定手動(dòng)啟發(fā)位置的作用。 圖 1 手動(dòng)氣閥工作原理 6.3 手動(dòng)氣閥組成零件的實(shí)體建模手動(dòng)氣閥組成零件的實(shí)體建模 solidworks2007用戶界面非常人性化,便于操作。在solidworks的標(biāo)準(zhǔn)菜單 中包含了各種用創(chuàng)建零件特征和基準(zhǔn)特征的命令。其中基

24、礎(chǔ)實(shí)體特征主要有拉 伸凸臺(tái)/基體、旋轉(zhuǎn)凸臺(tái)/基體等。在基礎(chǔ)實(shí)體特征上可添加圓角、倒角、肋、 抽殼、拔模及異型孔、線性陣列、圓角陣列、鏡像等放置特征,這些特征的創(chuàng)建 對(duì)于實(shí)體造型的完整性非常重要。在處理復(fù)雜的幾何形狀時(shí)還需要其他高級(jí)特 征選項(xiàng),包括掃描、放樣凸臺(tái)p基體及參考幾何體中基準(zhǔn)軸、基準(zhǔn)面這些定位特 征等。通過以上特征造型技術(shù)在solidworks中能設(shè)計(jì)出需要的實(shí)體特征。 一個(gè)零件的建模過程，實(shí)際上就是許多個(gè)簡(jiǎn)單特征相互之間疊加、切割或 相交的操作過程。按照特征的創(chuàng)建順序，構(gòu)成零件的特征可分為基本特征和構(gòu) 造特征，因此一個(gè)零件的實(shí)體建模的基本過程可以由如下幾個(gè)步驟組成： （1）進(jìn)入零件設(shè)

25、計(jì)模式。 8 （2）分析零件特征，并確定特征創(chuàng)建順序。 （3）創(chuàng)建與修改基本特征。 （4）創(chuàng)建與修改其他構(gòu)造特征。 （5）所有特征完成之后，存儲(chǔ)零件模型。 以下以閥體的實(shí)體建模為例，介紹零件的建模過程。 6. 3 .1 閥體的實(shí)體建模閥體的實(shí)體建模 在 solidworks 的環(huán)境下，單擊標(biāo)準(zhǔn)工具欄中的“新建”工具，新建一個(gè)零 件文件 。 在特征管理器設(shè)計(jì)樹中選擇“前視基準(zhǔn)面” ，單擊（草圖繪制）工具， 進(jìn)行草圖 1 的繪制。單擊（中心線）工具，過草圖原點(diǎn)繪制一條垂直的對(duì)稱 虛線。單擊（直線）工具，在草圖上畫出閥體半邊的輪廓線，利用（智 能尺寸）工具使閥體輪廓修改為所要求的尺寸（如圖 2） 。

26、 圖 2 閥體的尺寸輪廓 依次利用（旋轉(zhuǎn)凸臺(tái)/基體）工具和（倒角）工具，生成閥體體身。并且， 在“插入”工具欄的“注解”中的裝飾螺旋線來定義要求的尺寸。 9 圖 3 閥身的旋轉(zhuǎn)特征視圖 生成閥體以后，在前視基準(zhǔn)面的基礎(chǔ)上，點(diǎn)擊“插入”“參考幾何體” “基 準(zhǔn)面” ，創(chuàng)造兩個(gè)基準(zhǔn)面， （如圖 4）在其中的一個(gè)基準(zhǔn)面內(nèi)，建立草圖，單擊 （工具） ，通過屬性關(guān)系和智能尺寸，確定出圓的相應(yīng)位置，利用（拉伸 10 凸臺(tái)/基體） ，從該草圖的基準(zhǔn)面拉伸成形到下一個(gè)面， 圖 4 基準(zhǔn)面的創(chuàng)建 并在“插入”工具欄， “特征”的目錄下，點(diǎn)擊（孔向?qū)В?，在孔規(guī)格的設(shè)計(jì) 樹下，輸入要求的尺寸以及規(guī)格，生成所需要的

27、螺紋孔。 在孔內(nèi)，點(diǎn)擊（切除拉伸）創(chuàng)造草圖，利用“圓”工具在草圖上繪制出 6 個(gè)相應(yīng)的氣孔，利用智能尺寸進(jìn)行定型和定位，根據(jù)屬性，添加幾何關(guān)系， 使 6 個(gè)氣孔達(dá)到所規(guī)定的要求，選擇成形到下一個(gè)面，最后點(diǎn)擊確認(rèn)。另一個(gè) 基準(zhǔn)面以同樣的方法繪制。這樣閥體的實(shí)體建模就完成了（如圖 5） 。 11 圖 5 閥體的實(shí)體模型 通過以上對(duì)閥體的實(shí)體建模過程，又將手動(dòng)氣閥的手柄球、芯桿、螺母和 密封圈以及氣閥桿依次進(jìn)行實(shí)體建模（如圖 6-10） 。 圖6 手柄球的實(shí)體模型 圖7 芯桿的尸體模型 12 圖8 螺母的實(shí)體模型 圖9 密封圈的實(shí)體模型 圖10 氣閥桿的實(shí)體模型 13 6.4 手動(dòng)氣閥的裝配手動(dòng)氣閥

28、的裝配 創(chuàng)建了手動(dòng)氣閥的零件實(shí)體后就可以進(jìn)行手動(dòng)氣閥的裝配。先新建一個(gè)裝 配體, 然后在插入零部件對(duì)話框中點(diǎn)擊瀏覽依次選擇要插入的零部件即可。其 中第1個(gè)加入的零件十分重要,它是整個(gè)裝配體的裝配基礎(chǔ),solidworks軟件已默 認(rèn)第1個(gè)插入零件為非運(yùn)動(dòng)體,其他所有的裝配體零件都是以此為基礎(chǔ),本裝配選 擇傳動(dòng)軸為裝配參照體。調(diào)入零件后,要使零件之間達(dá)到準(zhǔn)確的裝配,必須建立 準(zhǔn)確的裝配約束,2個(gè)零件之間的配合關(guān)系一般用3個(gè)坐標(biāo)方向的位移以及圍繞這 3個(gè)坐標(biāo)方向的轉(zhuǎn)動(dòng),系統(tǒng)在配合菜單下提供了包括角度、重合、同心、距離、 平行、垂直、相切7 種標(biāo)準(zhǔn)配合和包括齒輪配合、限制配合、對(duì)稱配合及寬度 配合的

29、4 種高級(jí)配合,可以使用這些配合精確地放置實(shí)體。 按照solidworks軟件中的實(shí)體裝配過程,對(duì)手動(dòng)氣閥零件實(shí)體進(jìn)行裝配,裝 配后的效果如圖11所示。 圖11 手動(dòng)氣閥的裝配圖 14 6.5 手動(dòng)氣閥的動(dòng)畫演示手動(dòng)氣閥的動(dòng)畫演示 solidworks依靠animator插件來生成動(dòng)畫和編輯動(dòng)畫，它能將solidworks 的三維模型實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的可視化,并且實(shí)時(shí)錄制機(jī)構(gòu)的模擬裝配過程、模擬拆卸過 程和機(jī)構(gòu)的模擬工作過程,將機(jī)構(gòu)的工作情況得到更好的表達(dá),增強(qiáng)了人們對(duì)機(jī) 構(gòu)的認(rèn)識(shí)和了解。 在solidworks的環(huán)境下，先啟動(dòng)animator插件,單擊菜單“工具”“插件” ,單擊animator前的

30、選項(xiàng)欄。此后出現(xiàn)animator的工具欄。在solidworks2007中 animator的操作都是在工作區(qū)底部,可單擊工作區(qū)底部的“模型”或者“動(dòng)畫” 的標(biāo)簽,單擊模型或動(dòng)畫標(biāo)簽即可實(shí)現(xiàn)模型或動(dòng)畫操作的切換（如圖12） 。 圖12 添加animator插件示意圖 在生成仿真動(dòng)畫時(shí),用animator插件對(duì)手動(dòng)氣閥主要零件大致進(jìn)行以下3 步 操作: 切換到動(dòng)畫界面; 根據(jù)氣閥運(yùn)動(dòng)的時(shí)間,拖動(dòng)時(shí)間滑桿到相應(yīng)的位置; 拖動(dòng)手柄球、芯桿，以及氣閥桿運(yùn)動(dòng),使其達(dá)到動(dòng)畫序列末端應(yīng)達(dá)到的新位置,這 樣就實(shí)現(xiàn)了工作原理的動(dòng)態(tài)仿真。同時(shí)利用爆炸視圖將手動(dòng)氣閥各部零件一一 15 拖動(dòng)到相應(yīng)位置，利用插件中的爆

31、炸和解除爆炸生成其相應(yīng)的爆炸視圖。仿真 動(dòng)畫以avi格式保存,這樣,動(dòng)畫播放不需要專門的播放軟件,可以提高該動(dòng)畫的 應(yīng)用和推廣。 6.5.1 手動(dòng)氣閥的爆炸演示的制作過程手動(dòng)氣閥的爆炸演示的制作過程 在solidwork的模式下，點(diǎn)擊（爆炸視圖）工具，點(diǎn)擊實(shí)體零件會(huì)出現(xiàn) 可以移動(dòng)的坐標(biāo)軸， 利用該坐標(biāo)軸將手動(dòng)氣閥的各個(gè)零件移到相應(yīng)的位置上。然后點(diǎn)擊完成視 圖（如圖13） 。 圖13 手動(dòng)氣閥的爆炸視圖 然后將模型模式改為動(dòng)畫模式（如圖14） ，點(diǎn)擊（動(dòng)畫向?qū)В┕ぞ?，在完?爆炸視圖的基礎(chǔ)上，在選擇動(dòng)畫類型中顯示爆炸和解除爆炸的選項(xiàng)（如圖15） 。 16 圖14 solidworks的動(dòng)畫模式

32、圖15 選擇動(dòng)畫類型示意圖 先點(diǎn)取“爆炸”一項(xiàng)點(diǎn)擊“下一步” ，確定時(shí)間長(zhǎng)度和開始時(shí)間，完成之后， 再次點(diǎn)擊（動(dòng)畫向?qū)В┕ぞ撸谶x擇動(dòng)畫類型點(diǎn)取“解除爆炸” ，在計(jì)算好 爆炸時(shí)間后在確定解除爆炸的時(shí)間長(zhǎng)度和開始時(shí)間，這樣爆炸過程的動(dòng)畫演示 就完成了。最后可以點(diǎn)擊（從頭播放）或者（播放）觀看演示過程并點(diǎn)擊 保存該視圖。 6.5.2 手動(dòng)氣閥的模擬仿真動(dòng)畫演示的制作過程手動(dòng)氣閥的模擬仿真動(dòng)畫演示的制作過程 選擇 點(diǎn)擊后面的下拉菜單，找到自定義，勾取一 欄，使其添加到“特征”的欄目下， 17 點(diǎn)擊（模擬）工具，選擇（線性馬達(dá)） ， （如圖16） 。 圖16 線性馬達(dá)示意圖 選中手動(dòng)氣閥中需要運(yùn)動(dòng)的零

33、件，單擊確認(rèn)（如圖17、18） 。 圖17 手動(dòng)氣閥的下運(yùn)動(dòng) 18 圖18 手動(dòng)氣閥的上運(yùn)動(dòng) 這樣手動(dòng)氣閥的模擬仿真動(dòng)畫就完成了，點(diǎn)擊播放可以進(jìn)行預(yù)覽，最后保 存。 7 7 結(jié)論結(jié)論 在整個(gè)畢業(yè)設(shè)計(jì)的過程中，通過對(duì)計(jì)算機(jī)模擬仿真技術(shù)以及solidworks軟 件等知識(shí)的學(xué)習(xí)，我從理論上了解到計(jì)算機(jī)仿真模擬技術(shù)的特點(diǎn)及其分類，而 且知道了其中的關(guān)鍵技術(shù)以及在實(shí)踐中的應(yīng)用。由此看出計(jì)算機(jī)模擬仿真技術(shù) 在現(xiàn)代科學(xué)領(lǐng)域中的重要地位。與此同時(shí)能夠運(yùn)用solidworks軟件對(duì)各種零件 進(jìn)行三維實(shí)體建模，利用animator插件對(duì)實(shí)體進(jìn)行簡(jiǎn)單的編輯動(dòng)畫和生成動(dòng)畫。 在本文中我利用solidworks軟件對(duì)手動(dòng)氣閥進(jìn)行了三維造型，并利用動(dòng)畫效果 向大家展示了手動(dòng)氣閥的爆炸視圖演示和工作原理的模擬仿真。但是對(duì)于計(jì)算 機(jī)模擬仿真技術(shù)和solidworks軟件的學(xué)習(xí)還不是很深入，在以后的工作和學(xué)習(xí) 中要加倍努力學(xué)習(xí)刻苦鉆研。 19 致謝致謝 這篇論文是在我的導(dǎo)師的指導(dǎo)下完成的。從論文選題到結(jié)構(gòu)安排，從內(nèi)容 到文字潤(rùn)飾，都凝聚了她大量的心血。這種一絲不茍的負(fù)責(zé)精神，使我深受感 動(dòng)。在此，我謹(jǐn)向尊敬的