本科畢業(yè)論文-玩具飛機的三維建模與ADAMS仿真

1、武漢輕工大學設計(論文)題目: 玩具飛機的三維建模與ADAMS仿真姓名: 學號: 院(系): 機械工程學院 專業(yè): 機械制造及其自動化 指導教師: 曹梅麗 2014年5月20日摘要 虛擬樣機技術是上世紀80年逐漸興起、基于計算機技術的一個新概念。從國內外對虛擬樣機技術 (Virtual Prototyping, VP)的研究可以看出，虛擬樣機技術的概念還處于發(fā)展的階段，在不同應用領域中存在不同定義。國內外在玩具的設計中也使用了虛擬樣機技術，使得玩具的設計過程中，以及整個運動實現(xiàn)了虛擬仿真，這一技術的運用提高了產品的生產效率、性能的不斷完善，從而使得研究開發(fā)的設計成本不斷降低。為了適應消費者的需

2、求，研發(fā)設計出更新更多種類的玩具產品，使得虛擬樣機仿真技術得到了進一步的運用，也使得設計周期大大縮短。隨著計算機技術的發(fā)展和運用，使得整個玩具的設計過程不斷簡化，大大減少了成本開支和時間周期。本課題主要是運用Solidworks和Adams對玩具飛機進行運動學的仿真，主要內容包括:首先對玩具飛機進行拆卸、測繪，然后在Solidworks軟件中進行三維零件建模并裝配，裝配完后將其導入ADAMS軟件中進行運動學的分析和仿真，通過不斷的調試和參數(shù)的設定，最后實現(xiàn)了玩具飛機的運動學仿真過程。關鍵詞:虛擬樣機 、三維建模、調試、仿真。AbstractVirtual prototyping technol

3、ogy is gradually on the rise the last century, 80 years, based on a new concept of computer technology. As can be seen from the studies on virtual prototyping technology (Virtual Prototyping, VP), the concept of virtual prototyping technology is still in the development stage, there are different de

4、finitions in different fields of application. Virtual simulation technology at home and abroad in the toy design, making toys in the design process, and the whole movement to achieve a virtual simulation, the use of this technology increases production efficiency, performance, continuous improvement

5、, making the research and development Design costs have been reduced. In order to meet consumer demand, research and design a greater variety of toy products updated, making the virtual prototype simulation technology has been further use, but also makes the design cycle significantly shortened. Wit

6、h the development and application of computer technology, making the whole toy continues to simplify the design process, greatly reducing costs and time period.The main topic is the use of Solidworks and Adams toys aircraft kinematics simulation, the main contents include:first of all, the demolitio

7、n of the dolphin toy, mapping, and then in the Soliworks software modeling three-dimensional parts and assembly, the assembly after its exercise into ADAMS software Science analysis and simulation, through continuous commissioning and parameter setting, and finally achieve the kinematics simulation

8、toy airplaneKeywords: virtual prototype,three-dimensional model, debugging, simulation目錄TOC o 1-3 h u HYPERLINK l _Toc9862 摘要 PAGEREF _Toc9862 I HYPERLINK l _Toc28606 Abstract PAGEREF _Toc28606 II HYPERLINK l _Toc13935 1、前言5 HYPERLINK l _Toc25407 1.1 選題背景5 HYPERLINK l _Toc25171 1.2選題意義6 HYPERLINK l

9、_Toc25171 1.3玩具的國內外研究現(xiàn)狀及分析7 HYPERLINK l _Toc13301 1.3.1玩具設計的國內研究現(xiàn)狀7 HYPERLINK l _Toc24592 1.3.2玩具設計的國際研究現(xiàn)狀8 HYPERLINK l _Toc24592 1.3.3現(xiàn)狀分析9 HYPERLINK l _Toc30460 1.4課題的研究內容及方法9 HYPERLINK l _Toc1416 2、研究方案與工具10 HYPERLINK l _Toc20555 2.1 研究方案10 HYPERLINK l _Toc26289 2.2 Solidworks軟件簡介11 HYPERLINK l _

10、Toc31964 2.3 ADAMS軟件簡介 PAGEREF _Toc31964 12 HYPERLINK l _Toc13810 3、 基于Solidworks的玩具飛機的幾何建模 PAGEREF _Toc13810 13 HYPERLINK l _Toc16608 3.1 玩具飛機的內部結構分析13 HYPERLINK l _Toc17854 3.2玩具飛機的零件尺寸測繪 PAGEREF _Toc17854 14 HYPERLINK l _Toc30136 3.3玩具飛機的建模16 HYPERLINK l _Toc24592 3.3.1玩具飛機的零件建模16 HYPERLINK l _To

11、c24592 3.3.2玩具飛機的頭部建模19 HYPERLINK l _Toc32357 3.4玩具飛機的裝配20 HYPERLINK l _Toc25597 4、 基于Adams的玩具飛機的仿真22 HYPERLINK l _Toc25416 4.1模型導入22 HYPERLINK l _Toc22185 4.2模型中約束的添加25 HYPERLINK l _Toc32724 4.2.1玩具飛機中固定副的創(chuàng)建25 HYPERLINK l _Toc32724 4.2.2玩具飛機中轉動副的創(chuàng)建26 HYPERLINK l _Toc5152 4.2.3玩具飛機碰撞的創(chuàng)建26 HYPERLINK

12、l _Toc23793 4.2.4玩具飛機中各零件的關系表27 HYPERLINK l _Toc27029 4.3玩具飛機的運動學仿真28 HYPERLINK l _Toc27029 4.4玩具飛機的關鍵部位測試30 HYPERLINK l _Toc27029 4.5玩具飛機的仿真效果圖31 HYPERLINK l _Toc848 5、總結與展望33 HYPERLINK l _Toc22619 5.1總結33 HYPERLINK l _Toc22619 5.2展望34 HYPERLINK l _Toc3830 致謝35 HYPERLINK l _Toc13475 參考文獻371、前言1.1 選

13、題背景游戲是學齡前兒童包括普通小初中兒童的主要活動，而能夠促進兒童生長發(fā)育和進行培養(yǎng)教育的最好手段也是游戲，作為游戲活動的主要載體-玩具，是家長對兒童進行教育和激發(fā)孩子們的想象力和創(chuàng)造力的有效工具。中國的教育方式側重點有所不同，中國絕大多數(shù)的教育機構更多的是向學生灌輸知識而忽略了其他也同樣重要的方面的培育，這樣的教育模式應該非常值得我們深思。在我看來，一個好的玩具不僅可以充當兒童玩伴的角色,更多的他還能鍛煉培育兒童各方面的才能，它的功能甚至比一個兒時朋友更重要，它應該作為他們之間交流、互動，共同享受每一激動時刻的媒介。雖然說中國稱得上是玩具生產制作的大國，擔負著全球7O的玩具制作工作。但隨著網

14、絡的普及，吸引兒童更多的是那些網絡游戲，那些游戲不僅會讓他們對計算機變得更加沉迷，而且還非常影響他們的學習和生活。因此，實體玩具就變得非常有必要重新回歸市場的主體地位，當然，在當今社會，很多廠商為了利潤，一味的去設計制造華麗的外形來吸引小孩那短暫的好奇心，沒有設身處地的為孩子們著想，很多小孩買了這些玩具后玩不到一會兒就開始膩，甚至有的玩不到一個小時就開始丟棄以至于報廢，這是多么可悲的事情。在市場上，我認為目前有兩類玩具非常不錯，一類是積木玩具，另一類就是機動玩具了，這些玩具不僅價格適宜，而且非常能鍛煉小孩的創(chuàng)造力和對科學的探索，我們暫且可以稱他們?yōu)榭茖W玩具?？茖W玩具定義的目標是為兒童和青少年探

15、索科學世界的一種媒介，通過挖掘玩具中的科學原理，外在的以互動玩具游戲為主要的形式，在共同玩樂中激發(fā)他們潛在的智慧，思考玩具的內在科學知識，及科學原理,從而使他們能更好的掌握科學知識，激發(fā)他們探索科學的興趣和成為科學家、發(fā)明家的欲望。從產業(yè)鏈形式上看，雖說玩具產品早已成為卡通產業(yè)鏈中的一個重要組成部分。但在我國，占據(jù)著絕大多數(shù)的市場份額的卻是國外的卡通玩具產品。國外卡通形象與產品，已經從各個方面開始進入中國，主導和控制著中國卡通產品的消費市場。國內卡通玩具產品的設計研發(fā)與之相比,相距甚遠。世界上著名的科普作家馬丁加德納認為孩子與生俱來應該具備邁向未來的五種基本的思維能力，這些能力基本上都不能單純

16、從上課或者單純看書這樣的途徑中獲得的，他還強調孩子動手操作玩具無疑會在非常大的程度上鍛煉他們的思維能力。而我也正是因為由于對市場的調研，對目前市場需求，教育需求狀況的了解，認為對玩具的研究，特別是機動玩具的研究意義重大，因為在這些方面,不僅可以激發(fā)一些興趣愛好者發(fā)展我們當代的科技，還能激發(fā)我們當代兒童的智力，展現(xiàn)我們大國的實力。最終結合自己所學的專業(yè)，以及掌握的知識水平，我決定研究一架玩具飛機，不管是其外形，還是其結構，所包含的內容都是非常值得研究的。1.2選題意義隨著改革開放及我國的進一步發(fā)展，在這段歷程中,玩具業(yè)迎來了很多機遇并且得到了飛速的發(fā)展，當然如此同時，中國的玩具業(yè)也面臨著越來越多

17、的挑戰(zhàn)，特別是爆發(fā)的金融危機導致了國際消費市場的萎縮，這樣造成的結果是國際玩具市場的門檻越來越高，還有生產玩具的原材料成本和勞動力成本不斷上升,人民幣也緊跟著升值，再加上我國玩具企業(yè)大多規(guī)模很小，設備也很不先進，技術研發(fā)能力較弱等等，使得我國玩具企業(yè)要想真正的走出國門，在國際市場上站穩(wěn)腳跟，還需要克服很多困難。通過研究調查，本課題對我國當前的這些現(xiàn)狀會起到很多積極的作用，因為我們都能看到,我國的科技實力在不斷提高，我們也應該盡力把我們的科技水平展現(xiàn)出來,那就是應用到玩具中去，同時我們還可以使我們的玩具凝聚中國特色，展現(xiàn)中國特色,因有這樣才能越走越遠，而本文主要研究的是機動玩具，這類玩具運用的是

18、把我們課本里最重要的原理并巧妙的展現(xiàn)出來供兒童玩樂,對培養(yǎng)我們下一代的智力，創(chuàng)造力是非常有幫助的，也為我們設計制造更加高科技的玩具產品做好了鋪墊。1.3玩具的國內外研究現(xiàn)狀及分析1.3.1玩具設計的國內研究現(xiàn)狀玩具工業(yè)作為我國的一個龐大產品制造業(yè)，目前國模已達到上萬家企業(yè)，企業(yè)遍布國內31個省、市，同時由于美國、歐洲、德國、日本等國家銷售的玩具絕大多數(shù)都是在我國進行加工、制造的，這使得我國玩具工業(yè)總產值己超過1000億元以上，出口創(chuàng)匯接近130億美元，這在世界玩具貿易額中占有非常巨大的份額，早已成為名副其實的玩具制造大國。玩具業(yè)在我國制造業(yè)中占有相當大的地位，對世界玩具行業(yè)具有相當?shù)挠绊憽Ｎ覈?/p>

19、玩具行業(yè)起步的比較晚，從20 世紀80年代后發(fā)展起來的，70%以上的企業(yè)還是來料加工和來樣加工，自主研發(fā)和創(chuàng)新的能力遠遠不足，必然導致能夠以自創(chuàng)品牌出口的更是為數(shù)不多，同時依附式的發(fā)展模式導致我國玩具業(yè)利潤低，一直以來基本處于該行業(yè)產業(yè)鏈最低端。通過調查數(shù)據(jù)顯示，我國市面上的益智玩具已達數(shù)千種，這其中比較暢銷的益智玩具僅有200多種，同時伴隨著當代科技的進步使得兒童玩具的形式、功能以及人們對兒童玩具的消費需求都發(fā)生了巨大的變化。在這大量的益智玩具產品中，中國傳統(tǒng)的益智類玩具和一味模仿國外的產品比較多，產品的質量更是參差不齊，在設計上鮮有創(chuàng)新，幾年來很少更新，缺乏新意，缺乏本土的品牌和統(tǒng)一的標準

20、，而這些都成為制約我國益智玩具的發(fā)展障礙。近些年來，家長們逐漸重視培養(yǎng)孩子的智商、情商，益智類玩具也因此正在逐步走向市場。很多家長極其關心的問題是，對于國內生產的琳瑯滿目的益智類玩具是否都具有益智功能和作用！因此我國兒童益智類玩具行業(yè)要想取得當前市場除了在宣傳推廣上注重方法外，更重要的是應該在玩具的設計中注重遵循科學原理、創(chuàng)新性、安全性和突出功能性的原則，真正的為消費者著想，讓兒童益智類玩具能夠起到益智的作用，從而更好的把握當前的消費群體。此外，隨著人們生活水平的提高人們的消費需求也逐漸隨之提高，縱觀當下我國的玩具行業(yè)，玩具市場上銷售的玩具大部分處于中低檔次，高檔次的玩具還未成為消費主流，只能

21、說高檔次的玩具市場在我國存在著巨大的發(fā)展空間。如果中國玩具消費能達到亞洲平均水平，市場規(guī)模預計將突破300億元人民幣。我國兒童玩具消費市場潛力驚人。業(yè)內人士普遍看好中國玩具市場，預測近幾年中國玩具市場將以每年40%的速度增長。綜合來看，玩具市場潛力還是非常大！研究玩具的必要性也非常大！中國作為一個玩具生產大國卻不是一個生產強國，在消費能力、擁有核心技術和知名品牌等方面與發(fā)達國家和地區(qū)還有一大段距離。要振興中國的玩具，首先就要從設備、技術、管理以及資金和人才培養(yǎng)等方面著手，縮短與先進國家的差距。拓寬玩具的品種和銷售渠道，提倡創(chuàng)新，走別人沒有走過的路，提高自我開發(fā)的能力，保證產品的質量和售后服務，

22、增強市場競爭力。在中國的香港地區(qū)，在這一點上就已經嶄露頭角，創(chuàng)造出了自己的品牌，開發(fā)出了國內外的銷售市場，為我們提供了典范。由加工型企業(yè)向自主設計型過渡，這是我國玩具工業(yè)發(fā)展的必經之路，只有這樣，才能逐步縮小我們與發(fā)達國家之間的差距。1.3.2玩具設計的國際研究現(xiàn)狀世界玩具制造業(yè)前后經歷了兩次轉移過程，第一次是從歐美國家向香港、臺灣、日本轉移，隨著中國改革開放的進行，又從香港、臺灣、日本轉移到了中國的浙江，江蘇等沿海地區(qū)。根據(jù)國際玩具協(xié)會的統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，2004年全球玩具市場銷售額約為800億美元，近一、二年來的年增長率達到約5個百分點。目前， 全球玩具業(yè)已形成這樣一個穩(wěn)定的局勢：中國是最大的

23、生產玩具的國際，美國是消費玩具最大的國家，香港是最大的玩具供應國。從劃分全球的玩具消費市場的地域特點來看，最主要的市場仍然是北美一些發(fā)達國家,占有率高達約30%,其中最大消費市場又以美國為首；亞洲的地區(qū)約占26%，其中最大的消費市場為日本；而以德法為主的西歐一些市場約占25%；而非洲國家達到不足1%，但近年來呈上升趨勢。從玩具市場類別來看，雖然全球玩具的銷售仍以傳統(tǒng)玩具為主,市場占有率將近80%,但已出現(xiàn)了逐年衰退的態(tài)勢, 如1997年傳統(tǒng)玩具的市場銷售額為541億美元,到1999年下降為535億美元。而近年來新興的電視游戲玩具，雖僅有約20%的市場占有率，其逐年增長之勢卻被業(yè)界所看好。目前在

24、國外調查發(fā)現(xiàn)，非常多的企業(yè)內部都設有專門研發(fā)設計玩具的部門。一些發(fā)達的國家地區(qū)人均玩具消費水平最高，高達340美元，歐洲國家的消費水平則為144 美元，亞洲國家最少，約為13 美元。在美國，很早的時候就有專門進行玩具生產的企業(yè)，在這些企業(yè)生產的玩具中有40%以上的玩具都是專門為成人設計制造出來的。諸如像武器類的玩具，主要包括像玩具飛機、玩具戰(zhàn)船、玩具坦克、玩具手槍，還有一些仿真類玩具如仿真手槍、仿真名牌汽車，在日本市場近幾年來甚為流行的電子寵物等這些高檔次的玩具都非常受人們的歡迎。根據(jù)調查結果顯示，娛樂、教育、裝飾這三種類型的玩具比例分別占到了40%、35%和20%之和最高。現(xiàn)如今國外生產商每

25、年生產的玩具種類多達15萬種，其中新產品就有5000至6000種不等，國外生產的玩具銷售到內地市場時的售價普遍會比較昂貴，加上傳統(tǒng)的文化差異，進口的玩具在國內市場上的占據(jù)份額仍然非常少。因此很有必要盡快研制出具有本國特色的玩具。1.3.3現(xiàn)狀分析中國制造業(yè)發(fā)展很快，制造玩具方面相對于世界來說也是一個大國，但這并不意味著中國可以稱得上是一個生產強國。在中國研發(fā)玩具方面非常缺乏開發(fā)人才，同時還缺乏品牌效應。盡管說中國玩具的出口量非常大（全球有75%以上的玩具是在中國生產的），但這些玩具出口的基本形式都是以OEM進軍國際市場的。統(tǒng)計在全國8000多家生產玩具的企業(yè)中發(fā)現(xiàn)，3000多家企業(yè)都獲得了出口

26、許可證，聽起來似乎是非常不錯的，但其中出口的70%以上玩具都屬于來料加工或者說是來樣加工，通俗的講，就是為國外在打造品牌。因此，我們應該想盡辦法提高中國玩具產業(yè)的生產制造過程，做好其中的每一步，努力提升中國玩具產業(yè)的核心競爭力，盡最快的速度最高的效率打造出中國的自有品牌。玩具產業(yè)在中國乃至世界會是一個永遠年輕、充滿話力的產業(yè)，如果能夠有更多的人愿意關注和參與進來，那么我國的玩具產業(yè)必一定會取得質的飛躍。1.4 課題的研究內容和方法通過聯(lián)合使用Solidworks和ADAMS，讓我學會對玩具進行測繪的方法，因為玩具外形比較復雜，建模難度大，所以我必須首先學習如何進行曲面建模，熟練掌握Solidw

27、orks的零件建模，裝配，虛擬拆卸，虛擬裝配的方法并學會如何把外部裝配體導入到ADAMS中的方法，學會在ADAMS中對零件施加約束，進行運動學和動力學分析的方法。研究的具體過程主要包括：根據(jù)任務書的要求，查閱國內外相關資料，對實物進行測繪，對玩具飛機外型及機械系統(tǒng)進行分析。用三維軟件Solidworks繪制出玩具飛機的各個零件的三維圖及整機的裝配圖。在總體設計的基礎上，根據(jù)所確定的原理方案，確定并繪出具體的機構簡圖，以體現(xiàn)所要求的功能。將抽象的工作原理具體化為某類構件或零部件，具體內容為確定結構件的形狀、尺寸、還須運用所學的專業(yè)知識考慮一定的加工工藝、強度、剛度、精度以及與其它零件相互之間關系

28、等問題。裝配圖和零件圖畫好后，保存好特定Parasolid格式，導入到ADAMS，并進行軌道，動力系統(tǒng)的合理設計，對其進行仿真，發(fā)現(xiàn)問題，收集數(shù)據(jù)，觀察其運動規(guī)律，若發(fā)現(xiàn)有可以優(yōu)化的地方，還可借助相關軟件進行合理的優(yōu)化。2、研究方案與工具2.1 研究方案本課題實現(xiàn)的是玩具飛機的建模,虛擬仿真，最終的目的是為了實現(xiàn)在Adams軟件中對玩具飛機的運動學虛擬仿真，為了得到最后比較理想的效果，需要對玩具這個行業(yè)有足夠的調研和考察，并且能夠分析出玩具的市場需求和研發(fā)方向。經過仔細考察,最終我選擇玩具飛機作為研究對象，其研究方案流程圖如下:圖(1)方案流程圖2.2 Solidworks軟件簡介SolidW

29、orks是達索系統(tǒng)（Dassault Systemes S.A）名義下的子公司，主要負責的是研發(fā)和銷售機械設計 HYPERLINK /view/37.htm t _blank 軟件的視窗產品。達索公司主要負責的是系統(tǒng)性的軟件供應，并提供給制造廠商具有Internet整合能力的支援服務。該集團提供的系統(tǒng)非常豐富，涵蓋了整個 HYPERLINK /view/123772.htm t _blank 產品生命周期的系統(tǒng)，其中包括設計、工程、制造和 HYPERLINK /view/1053534.htm t _blank 產品數(shù)據(jù)管理等各個方面中的最優(yōu)的 HYPERLINK /view/8343.htm

30、 t _blank 軟件系統(tǒng)，著名的CATIAV5就是由該公司提供的，目前位居世界前列的CAD產品仍然是由達索公司提供的。圖(2)在SolidWorks這個軟件里我們可以看到有三個基本的模塊，包括零件建模、裝配體、工程圖，因為SolidWorks軟件是一套基于特征的、參數(shù)化的三維設計軟件，它的設計理念非常符合工程設計思維，還能構成一套設計與制造結合的CAD/CAM/CAE系統(tǒng)，當然這必須與CAMWorks及DesignWork等模塊結合起來，使用Solidworks軟件最大的優(yōu)勢就是提高精度和工作效率；使用中我們還可以在內部添加插件，通過這種形式加進其他專業(yè)模塊（如工業(yè)設計、模具設計、管路設計

31、等），使得設計更加快捷方便。Solidworks特征指的是可以用參數(shù)驅動的實體模型，是構成一個實體或者零件的基本要素之一，具有典型的工程上意義；而在使用中我們不可避免的會運用到參數(shù)化的設計，參數(shù)化指的是對零件上各種特征分別進行各種準確的約束，而對于各個特征的形狀和尺寸大小，我們使用參數(shù)變量來表示，這樣做的結果是修改起來非常方便，能批量生產；還能達到一個更高的效果，如果一個特征的參數(shù)變量發(fā)生了變化，則與這個零件發(fā)生關系的這一個特征的尺寸大小將發(fā)生變化，這樣就能達到形狀改變的結果，這樣操作使用戶不需要自己修改，帶來了極大的便利打開SolidWorks軟件，我們就能非常方便的發(fā)現(xiàn)，他包括三個主要的模

32、塊，零件、裝配體、工程圖，當然由于設計理念基本上差別不大，因此Solidworks和其他三維CAD有很多相似之處，就是首先進行三維模型的建立。而對于一個新產品的研制開發(fā)過程，需要經歷三個基本的階段，即方案設計階段詳細設計階段工程設計階段。通過產品研制開發(fā)的三個基本的階段，SolidWorks軟件向我們提供了兩種非常重要的建模技術，一種是基于設計過程的建模技術，我們稱為自頂向下建模；另一種則是根據(jù)實際應用情況而建立的一種技術，我們稱其為自底向上的建模技術。對于建立一個實際的SolidWorks零件過程，通俗的說就是構建許多個非常簡單的特征，然后對這些特征進行相互疊加、切割或者重合的過程。根據(jù)建立

33、特征的經驗，我們可以把一個零件的建模過程劃分成如下五個基本的步驟來完成：首先我們要進入Solidworks的零件創(chuàng)建界面。-然后分析零件，確定出零件的創(chuàng)建順序-緊接著畫出零件的草圖，創(chuàng)建和修改零件的基本特征-再創(chuàng)建和修改零件的其他輔助特征-最后完成零件所有的特征，保存零件的造型成特定的格式。2.3 ADAMS軟件簡介圖(3)ADAMS-機械系統(tǒng)動力學自動分析，英文名為：Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems，這款軟件是由美國MDI公司全稱Mechanical Dynamics Inc.開發(fā)的虛擬樣機分析軟件。由于其功能的強大及能夠帶來的

34、便利，目前，全世界不管是什么行業(yè)有近乎數(shù)百家主要零件制造廠商都采用了ADAMS軟件。而根據(jù)早在1999年機械系統(tǒng)動態(tài)仿真分析軟件國際市場份額的統(tǒng)計資料，ADAMS軟件銷售總額近八千萬美元，這樣數(shù)據(jù)實在是非?？捎^，幾乎占據(jù)了一半以上的銷售份額。ADAMS軟件采用的是交互式的圖形環(huán)境，它所運用的求解器采用的是比較復雜的數(shù)學模型和力學模型，最主要的是運用拉格朗日方程法，建立系統(tǒng)動力學方程，從而對所建立的幾何模型進行靜力學、運動學和動力學的仿真分析，并且我們還可以導出其速度、位移、力等作用曲線。通過對作用曲線的分析，我們可以找出最大碰撞點，最大受力點，以及相應的最小值，從而發(fā)現(xiàn)問題并作出相應的解決方案

35、。在ADAMS軟件里主要由五類模塊組成，包括基本模塊、擴展模塊、接口模塊、專業(yè)領域模塊及工具箱。用戶不僅可以通過采用通用模塊對一般的機械系統(tǒng)進行仿真，而且還可以通過采用專用模塊針對特定工業(yè)應用領域的問題進行快速有效的建模與仿真分析。3.基于Solidworks的玩具飛機的幾何建模3.1 玩具飛機的內部結構分析在玩具飛機的虛擬仿真研究過程中，由于要得到理想的結果,而零件之間存在著各種相對關系，因此我們首先需要對玩具進行拆卸，然后分析出其拆卸零件與相連接零件的運動關系,最后測繪出其零件的尺寸完成裝配,才會得到預期的效果。玩具飛機的整體圖如下：圖(4)玩具飛機的內部結構圖如下圖所示：圖(5)運動分析

36、:首先手輪給整個裝置提供一個原動力,由于發(fā)條箱內部的齒輪機構和彈片裝置使得有兩個動力輸出,位于尾部的零件車輪軸帶動兩個車胎轉動,位于飛機頭部的零件手輪軸帶動傳動輪轉動,又由于傳動輪的轉動,帶動連桿沿著其中間的槽一起往前移動,連桿的移動,拉動著底板沿著飛機下半身的圓弧槽轉動,底板的轉動會給地面一個向下的力,由于力的作用是相互的,反作用力會給飛機一個反向的支撐力,使得飛機翻轉。翻轉之后，由于連桿和飛機下半身之間有彈簧連接，連桿被拉回彈簧原長位置，整個過程就這樣往復。從而實現(xiàn)飛機的前進和翻轉復合運動。3.2 玩具飛機零件尺寸測繪測繪時所使用的工具為游標卡尺和毫米刻度尺，以下為部分零部件的測繪尺寸：

37、圖(6)飛機下半身尺寸圖(7)飛機上半身尺寸圖(8)齒輪箱尺寸圖(9)底板尺寸圖(10)底板側視圖尺寸 圖(11)車胎尺寸圖(12)連桿尺寸3.3 玩具飛機的建模3.3.1 玩具飛機的零件建模玩具飛機的下半部分建模步驟：使用Solidworks創(chuàng)建草圖截面，對玩具飛機實體測量，每隔6mm測量一次截面。使用樣條曲線繪制四條導引線，目的是為了使飛機的身體盡量逼真。進行Solidworks中的【放樣】操作。然后使用工具欄中的插入切除使用曲面命令，保留下半部分。下圖即為中間身體的放樣草圖及下半身抽殼后的效果圖。圖(13)飛機殼體草圖圖(14)飛機下半身玩具飛機上半身模型是一個比較復雜模型。特別是其窗戶

38、、頭部、尾巴的創(chuàng)建，因其顏色不同于主體部分，故不能采用布爾求和運算。下面具體講解窗戶的繪制方法：如下半身一樣，對飛機上半身進行抽殼操作，厚度為1mm，在飛機的最高處建立一個基準面，建立草圖對上半身進行挖切得出操作室的模樣。還是在飛機最高相切處建立草圖，在挖切得最低處也建立一個形狀與之前相同大小不同的草圖，彈簧進行放樣或掃描均可。在飛機的頭部建立一個基準面，分別向內拉伸切除，得到兩個曲面，以便于添加顏色。打開【編輯】中的【對象顯示】，編輯眼睛的顏色，使其達到如下圖效果即可圖(15)飛機下半身模型圖其他一些零件模型圖如下：圖(16)a圖(16)b圖（16）c圖（16）d圖（16）e圖（16）f玩具

39、飛機的實體模型的翅膀是迷彩顏色的,而Solidworks最方便的是對面進行上色,Adams只能對實體零件進行上色,不管是哪一種方式,要想使得飛機翅膀顏色接近實際顏色,必須對飛機翅膀進行分割處理,我采用的方式是:把飛機翅膀進行曲面挖切,然后再進行曲面拉伸,保存成不同的零件,這種方法雖然比較復雜,但也是我認為要達到效果的最好方法，如下：圖（17）3.3.1 玩具飛機的頭部建模實體飛機的頭部是光滑的圓弧，但建模過程中，曲面上畫圖是比較復雜的，并且很難得到理想的效果，因此，為了使得模型更加逼真，我對之前的身體又重新繪制了一遍，這一次，頭部和之前一次不一樣，我在頭部畫的是一個直徑為17mm的圓，便于后面

40、的上色和美觀。由于頭部是一個圓面，使用Solidworks內的（圓頂）命令，連續(xù)兩次，即可得到兩個小薄片，如下圖所示：圖（18）3.4玩具飛機的零件裝配當把零件模型完成后，便可將零件進行裝配起來，單擊【新建】按鈕即彈出下圖界面，新建一個裝配模型。如下圖。根據(jù)裝配體和零件之間的裝配關系，可以采用自底向上裝配，也可以采用混合裝配。自底向上裝配指的是首先創(chuàng)建零部件模型，再組合成子裝配，最后生成裝配部件的一種簡潔高效裝配方法?；旌涎b配顧名思義就是應該建模的過程中考慮裝配問題，裝配中考慮建模問題，它指的是將自頂向下裝配和自底向上裝配結合在一起的裝配方法。例如，我們經常見到首先創(chuàng)建幾個主要部件模型，再將這

41、幾個零部件裝配在一起，然后在裝配體中設計其他部件，打開單個零件進行創(chuàng)建，這種過程即為混合裝配。裝配時采用自底向上裝配的方式，先將the lower part of the body裝好，并約束在坐標原點，然后通過 的方式，依次裝配其他零部件。添加玩具飛機各個單獨的零件到裝配體后，還要確定各零件之間的約束關系，以確定其零件的裝配位置。在整個裝配過程中主要運用了接觸、相切，重合，同軸對齊等約束關系。在裝配時，添加配合的過程中，選取配合對象的順序不同，其配合的結果一般也有很大區(qū)別。一般情況下，選取的第一個對象的位置和形式會保持不變，另外一個對象相對于前一個已配合好的部件為基準進行配合。圖（19）飛機

42、的裝配過程：為了使得在后面導入Adams過程中坐標系重合，在裝配之前，創(chuàng)建一個薄板以表示地面，并插入到Solidworks中與X-Y平面水平放置，這樣在接下來的裝配中全部以此為參考。插入零件順序LowerPartRackBoxStick1StickSmallBaseBoardConnectingRodGearHandLunTyre，在下半部分的裝配中用到了，相切，重合，距離，同軸等約束命令。在配合的過程中，需注意順序的先后。下半部分裝配圖如下：圖（20）接下來裝配上半部分，在上半部分的裝配過程中，最難得地方是翅膀的裝配，由于為了上色美觀，我的飛機翅膀進行了多次挖切和拉伸，并且全部成為了不同的零

43、件，在創(chuàng)建的過程中，由于在草圖中使用了樣條曲線，所以插入新零件配合約束時很不方便，需要提前進行過濾器濾去點的操作。即便如此，裝配起來還是不方便，所以我最終采用的方式是，把挖去的六塊不規(guī)則的零件全部插入裝配圖中，每個零件僅使用一個配合約束，當然這樣的約束是不夠的，所以我計劃到ADAMS中再使用布爾操作，把這些零件合成一體。在Solidworks中的裝配圖如下所示：圖（21）裝配完成后對相應的零件進行上色處理，得到的效果圖后實際圖比較接近，唯一的不足是飛機窗戶的分離，由于能力有限，不規(guī)則曲面上難以得到理想的效果，窗戶我采用的是Solidworks上色，ADAMS中還是和機身一起著色處理。4基于Ad

44、ams的玩具飛機的仿真4.1模型導入裝配圖導入Adams的步驟：在Solidworks總裝配圖中單擊【文件】/【另存為】/【Parasolid】命令，如下圖出現(xiàn)保存對話框，選中Parasolid 格式后單擊【保存】圖（22）Parasolid格式保存好后，就進行模型的導入，在導入的過程中，我遇到了一個問題，模型導入進去后，無法重命名，并且所有的Part全部以橫線的形顯示，如下圖所示：圖（23）圖（24）經過與曹老師及同學的討論，一致認為問題出在了模型的命名和裝配上，于是我所有的步驟重新操作了一遍，并且所有的零件名稱全部以英文名稱出現(xiàn)，最終達到了如下圖所示的效果：進入Adams界面后，單擊【fi

45、le】/【import】出現(xiàn)file import對話框，如下圖，選中file type中的Parasolid文件格式，在file to read 中選中裝配圖中生成的.x-t文件，最后單擊【ok】圖（25）a圖（25）b圖（25）a正確的方式導入之后，由于在之前注意到了坐標的問題，并且我使用的是Adams 2013版本，所以名稱的修改以及柵格的對齊非常方便，名稱全部以我自己零件命名的方式顯示，柵格與我在Solidworks中的坐標完全對齊，到此模型導入成功。玩具飛機中各零件的中英文名對照表如下表：中文名英文名1齒輪箱RackBox2地面NewGr3兩齒齒輪Gear4手輪HangLun5手輪短

46、桿Stick16車胎桿StickSmall7連桿ConnectingRod8車胎Tyre9底板BaseBoard10飛機上半身UpperPart11飛機下半身LowerPart12翅膀CutSwing13頭部小薄片1SmallSlice114頭部小薄片2SmallSlice215機翼薄片1LeftLeft16機翼薄片2LeftRight17機翼薄片3MiddleLeft18機翼薄片4 MiddleRight19機翼薄片5RightLeft20機翼薄片6RightRight表14.2模型中約束的添加約束是用來限制和定義ADAMS中各零件的位置和運動，模擬機械的實際運行狀況，組成完整的機械系統(tǒng)為后

47、續(xù)分析作準備。Adams中的約束具有限制零件間的相對運動和代表“理想化”的聯(lián)接等特點。所有的約束都限制系統(tǒng)的平動或轉動自由度，限制的自由度數(shù)目和類型取決于使用的約束類型.使用Adams 2013最大的不同是其界面，Adams里的工具欄修改的與2010版完全不同，它的絕大部分命令你都可以在前窗口調出，更加人性化，使用起來更加快捷。如圖：圖（26）4.2.1玩具飛機中固定副的創(chuàng)建玩具飛機的零件個數(shù)比較多，全部顯示添加約束，不僅速度慢而且非常不準確，這將會嚴重影響后面的仿真效果，所以我才用的方法是添加一個約束需要幾個零件就顯示幾個的方式，速度不是很快，但能保證其正確性。 圖（27）a圖（27）b玩具

48、飛機里面需要添加固定副的零件非常多，例如：手輪和第一根棒之間加固定副時，點擊固定副按鈕，選Nomal To Grid模式，依次選擇兩個Bodies和一個Location，在選擇Location 時盡量選擇其交點處，依此方法添加所有的固定副。4.2.2轉動副的創(chuàng)建玩具飛機中地板，連桿，飛機下半身之間的運動關系均為轉動，因此，要對其全部創(chuàng)建轉動副。轉動副的創(chuàng)建方式與固定副類似：單擊上圖中的轉動副按鈕，選擇要創(chuàng)建的零件，由前面的分析可知地板繞著飛機下半身轉動，連桿與地板的相對運動仍然為轉動。4.2.3碰撞的創(chuàng)建碰撞約束的創(chuàng)建，對玩具飛機的運動過程的分析，底板需要借助地面的反力來撐起整個玩具，此處必須

49、定義為碰撞約束，底板繞著飛機下半身的圓槽轉動，此底板是通過上半身卡主的，所以也需要定義為碰撞約束，以此總共有14處需定義碰撞約束，最終要實現(xiàn)虛擬仿真就需要創(chuàng)建所有這類約束。玩具飛機里的Stick1和ConnectingRod之間的關系是：Stick1在ConnectingRod中往復運動，可能接觸也可能不接觸，此時只能通過碰撞約束來定義。由于碰撞約束比較多，操作方法幾乎一樣，在這里就不一一列舉了，總之，在定義碰撞之前必須對整個運動做一個詳細的分析，并且在定義的過程中，盡量用筆記下來，以免運動副過多造成混亂，碰撞的操作鍵是，界面如下：圖（28）4.2.4玩具飛機中各零件的關系表表2表34.3玩具

50、飛機的運動學仿真在約束創(chuàng)建完成后，最后進行運動學的仿真，在仿真的初始階段，遇到了一系列意想不到的問題。第一個問題:玩具飛機的車胎能夠轉動,但飛機在地面上無法前進。解決辦法：調整玩具飛機車胎與地面的摩擦系數(shù)，摩擦系數(shù)的設置是在創(chuàng)建碰撞副時添加的，界面如下：圖（29）選中車胎與地面之間的【contact】/【modify】，出現(xiàn)上圖的對話框，增大兩者之間的摩擦系數(shù)，并進行調試。注意：Fiction force一定要選擇Coulomb，則即使約束定義正確，最后也是不能運動的。在設置了摩擦系數(shù)之后，發(fā)現(xiàn)車胎在轉動，但飛機卻沒有前進，經過不斷的嘗試，最終發(fā)現(xiàn)，飛機的材料定義有問題，默認的材料會使得飛機整

51、個機身過重，這也將影響飛機的運動。解決方法：重新修改各個零件的材料屬性，由于找不到塑料才，我選擇wood材料，最終問題得到了解決。如下所示：圖（30）問題二：飛機無法完全翻轉，底板無法撐起整個飛機。解決辦法：修改飛機的下半部和上半部分的質量，不斷調試數(shù)值大小。 圖（31）a圖（31）b問題三：飛機在翻轉過程中，當翻轉到飛機的尾部碰到地面時出現(xiàn)了力無窮大的情況，導致錯誤，無法繼續(xù)仿真。解決辦法：仔細檢查力慢慢變大的起點，發(fā)現(xiàn)力之所以會增加到無窮大，是因為底板與飛機下半部分接觸時，他們之間的關系雖然定義為轉動副，但此轉動副比較特殊，飛機尾部空間小，接觸點沒有定義正確，轉動副的運動，就會出現(xiàn)干涉，導

52、致力無限增大。圖(32)經過反復嘗試，發(fā)現(xiàn)，只有當接觸點定在如上圖所示位置時，整個飛機才能正常翻轉。問題四：飛機運動并翻轉3600之后，彈簧不能恢復，導致只能完成一次翻轉。圖(33)a圖(33)b解決辦法：修改彈簧參數(shù),如上圖b所示。4.4玩具飛機的關鍵部位測試在整個仿真過程中，最大最難的問題還是屬于彈簧，因為彈簧的彈性系數(shù)太小或太大都不行，太小會使得彈簧很同意被拉壞，也就拉長后不能復原，而太大則更嚴重，這會使得彈簧無法被拉伸，飛機無法完成翻轉功能，這就使得測試彈簧的重要性之大。圖(34)a圖(34)b圖(34)c4.5玩具飛機的仿真效果圖調試過程中還有一些小問題，也是在這樣不斷嘗試，摸索中一

53、一解決的，最后，給玩具飛機模型上色，飛機的運動也達到了和預期效果比較接近的程度，整個畢業(yè)設計業(yè)就這樣接近尾聲了，玩具飛機在Adams中仿真過程圖： 圖(35)a圖(35)b圖（35）c圖（35）d圖（35）d 圖（35）e圖（35）f 圖（35）g 圖（35）h圖（35）i通過對玩具飛機參數(shù)的調節(jié)和系數(shù)的變化，完成了其虛擬仿真運動。在整個研究過程中，對于出現(xiàn)的問題，通過分析和研究不斷解決，使我不僅熟練掌握了運動學仿真中的基本操作，還對自己所學的專業(yè)課知識有了一個極大的鞏固。5總結與展望5.1總結本課題的主要研究工作體現(xiàn)在如下幾個方面：1.對玩具飛機進行拆卸、測繪，并分析其內部結構，運行原理；玩

54、具飛機拆卸比較方便，在拆卸的過程中最主要的問題就是彈簧容易飛離，由于彈簧的彈性，拆卸過程中，彈簧式是較難再次安裝上去的，所以避免這種情況的發(fā)生，在開始階段我采用的是拆離一半，弄清所有的運動原理后再完全拆開。在測繪的過程中，由于整個飛機是曲面的，很難保證準確的尺寸，我采用的原則是不影響運動的尺寸盡量偏大。2.測繪完畢后，進行三維建模，在建模過程中，最復雜的當然是曲面，由于尺寸非常不精確，我在采用放樣的過程中，很多地方的弧度都不夠光滑，因此在繪制曲面時，我的原則仍然是盡量不要偏小。3.三維模型建好后，就必須對其進行裝配，裝配的過程中，由于飛機的內部含有彈簧，且需要定義碰撞副，這在Solidwork

55、s中的配合是沒有的，為了使后面導入到Adams中能順利進行仿真，我采用的方式的，盡量不干涉，盡量保證每個零件的相對位置固定。4.在仿真之前，Solidworks中的上色還是比較方便的，因為其上色的方式有多種，但考慮到Adams中只能對單獨零件進行上色，所以我采用的方式是對需要上迷彩顏色的翅膀，先挖切再拉伸保存成不同的零件。5.仿真的問題最大，首先必須學會Adams的基本操作，定義運動副的方式必須正確，這個過程相對比較長，需要重復操作的次數(shù)也是最多的，對于玩具飛機，仿真中最大的問題就是彈簧，需要反復調試，檢查，修改，調試。最后，就是在這樣反復的過程中我終于成功完成了這個課題?；叵脒^去三個多月，剛

56、開始我們對畢業(yè)設計還存著一點畏懼的心理，怕我們所學的專業(yè)知識不夠，無法完成最后一個大任務，可經過期間努力的學習，查閱文獻資料以及老師的悉心指導，雖然只有短短三個月，我們不僅給老師給自己一個滿意的答卷，還學到了很多東西，首先這次的畢業(yè)設計讓我們對以前學習的東西有了一個鞏固，特別是對機械這個行業(yè)有了一個更高的認識，體會到了機械，特別是機械設計，一種嚴謹?shù)膽B(tài)度是比不可少的；其次，僅僅借助課本上的東西去解決我們所遇到的問題是遠遠不夠的，我們需要善于利用一切資源，特別是網絡，在這里我們可以看到很多當今社會對我們所研究的方向的程度，我們還可以查閱很多相關資料文獻，為自己的畢業(yè)設計做參考，對于已經研究很深入

57、的課題，我們可以做一定程度的借鑒。最重要的是，通過這次畢業(yè)設計，我了解了不管是做設計還是仿真，一定要有大局觀，在設計前面的零件時要考慮到后面的問題，不能純粹為了畫一個零件而畫一個零件，那樣只會做無用功。雖說,我這次的畢業(yè)設計還沒有達到最理想的效果,但我認為有缺陷也是很正常的,因為對于目前的我來說,所學的知識還遠遠不夠,需要繼續(xù)深入的東西還有太多太多,帶著這次設計的切身體會,以后的學習之路一定會越走越好。5.2展望有史以來，社會發(fā)展過程中玩具與其他社會科學領域發(fā)生著極其復雜的關系。也正因為如此，玩具的研究工作無法回避的涉及美學、聲學、兒童心理學等學科的內容。這些方面必然有一個切入點，如果要弄清這

58、些復雜的聯(lián)系和作用，那玩具的研究不僅僅能為其他社會學科提供重要的參考和線索，還能豐富和完善很多相關學科的內容。當今社會在飛速的發(fā)展，人們對物質文化的需求隨著發(fā)展要求也越來越高。而玩具在人類社會生活中占有重要的位置。當代玩具的發(fā)展離不開對傳統(tǒng)玩具的繼承與革新了，玩具的設計含有豐富的內容和多樣的形式，這些不僅會為中國當代玩具的生產創(chuàng)造發(fā)展提供堅實的基礎，對各種玩具的深入研究還能有助于玩具事業(yè)的興旺發(fā)達，最重要的是將為當代玩具的民族化、現(xiàn)代化提供理論依據(jù)。因此，本課題在對玩具飛機的設計研究有著極其深遠的意義。 致謝伴隨著大學四年生活結束的腳步，我們的畢業(yè)設計業(yè)也進入了尾聲。過去的三個多月雖然辛苦可卻

59、非常充實，充實的是對大學四年畫上了一個完整的句號，沒有留下遺憾。當然能在最后階段懷著這種心情,心中要感謝的實在太多太多。首先要感謝的是這次帶我畢業(yè)設計的導師曹老師，曹老師是一個做事比較講究效率的人，從開學到整個畢業(yè)設計結束，曹老師把時間都規(guī)劃的很細致，每個時間段都有每個時間段的任務，這樣就相當于把一個大目標為我們分的很小很小，所以整個畢業(yè)設計過程我們都感覺比較輕松，同時，她教會了我們很多東西，為我們即將步入另一所大學做好了鋪墊。其次，我要感謝，在這次畢業(yè)設計期間對我有幫助的所有人，因為有了我們這個小組一起做相似的事，讓我們在整個過程都一點都不枯燥，不會的可以討論，不懂的可以交流，每個同學讀自己

60、所知道的都是傾囊相授，一點都不保留，我想這對我們以后培養(yǎng)自己的團隊合作精神是非常有幫助的，也正是因為這樣，我們不僅順利完成了這次畢業(yè)設計，而且效率非常高。再次我還要感謝大學所有的老師，正因為有了他們的兢兢業(yè)業(yè)，資深的專業(yè)素養(yǎng)，嚴格的要求，為我們在機械專業(yè)知識方面打下了堅實的基礎。最后感謝武漢輕工大學這些年對我的大力栽培，因為母校這個平臺，他讓我鍛煉了自己，學到了很多寶貴的經驗，也正是因為有了母校，我得以認識那么多對我人生有幫助的人，我想，帶著所有的這份充實，滿足，我一定能在機械這個行業(yè)走的更好、更遠。參考文獻1 楊黎明,楊志勤，厲虹，機構選型與運動設計。國防工業(yè)出版社2007.6.12 鄭凱，