مکانیزم لغزان

View Categories

مکانیزم لغزان

13 min read

PDF

مکانیزم لغزان
معرفی
در این مدل شما رفتار دینامیکی مکانیزم میل لغزنده را شبیه سازی می کنید، زمانی که سرعت اولیه لغزنده تجویز می شود و سیستم تحت بار گرانشی قرار می گیرد. این یک مسئله معیار برای آزمایش الگوریتم های عددی در حوزه دینامیک چند جسمی است. این مکانیسم تنها یک درجه آزادی دارد، اما در حین عملیات از موقعیت های منفرد عبور می کند. در موقعیت منفرد، مکانیسم دارای دو درجه آزادی آنی است که به طور کلی کنترل آن دشوار است. جزئیات در مورد پیچیدگی مشکل را می توان در Ref. 1 .
این مدل با استفاده از رابط Multibody Dynamics شبیه سازی شده و نتایج تجزیه و تحلیل با نتایج به دست آمده در Ref. 1 .
تعریف مدل
هندسه، که یک نسخه ساده شده از مکانیزم میل لغزنده است، در شکل 1 نشان داده شده است . این فقط از دو پیوند تشکیل شده است و اسلایدر به صورت فیزیکی مدل سازی نشده است.
شکل 1: هندسه مدل.
این دو لینک توسط یک مفصل در نقطه A به هم متصل می شوند. یکی از پیوندها با استفاده از یک مفصل لولا به زمین در نقطه O متصل می شود. دیگری با استفاده از یک مفصل شکاف کاهش یافته در نقطه B به زمین متصل می شود.
هر دو پیوند  متر طول دارند و جرم آنها به طور یکنواخت 1  کیلوگرم است. در ابتدا میل لنگ با محور افقی زاویه 45 درجه تشکیل می دهد. به لغزنده (نقطه B) سرعت اولیه 4  متر بر ثانیه در جهت منفی x داده می شود  . کل مجموعه تحت یک بار گرانشی قرار می گیرد که در جهت منفی y عمل می کند  .
نتایج و بحث
نتایج محاسبه شده با راه حل به دست آمده در Ref. 1 . مقایسه نشان می دهد که نتایج محاسبه شده مطابقت بسیار خوبی با نتایج ارائه شده در مرجع دارد.
شکل 2 جابجایی پیوندها را در t  =  10 ثانیه و مسیر نقاط مختلف روی بازو را نشان می دهد.
شکل 2: جابجایی مکانیسم در t=10 ثانیه.
شکل 3: مقایسه مولفه x شتاب در نقطه A با Ref. 1 .
شکل 4: تغییرات زمانی انرژی جنبشی، پتانسیل و کل.
شکل 3 تغییرات زمانی شتاب نقطه A را نشان می دهد . 1 .
شکل 4 تغییرات انرژی جنبشی، پتانسیل و کل را با زمان نشان می دهد. مشاهده می شود که انرژی پتانسیل در حین حرکت به انرژی جنبشی تبدیل می شود و بالعکس، انرژی کل سیستم حفظ می شود.
نکاتی درباره پیاده سازی COMSOL
در این مدل، پیوندها به عنوان عناصر صلب با استفاده از گره مواد صلب مدل‌سازی می‌شوند ، زیرا ما فقط به سینماتیک مکانیسم علاقه داریم.
یک گره مشترک می تواند بین یک ماده صلب یا یک گره پیوست و زمین ( ثابت ) ارتباط برقرار کند این به جلوگیری از اجزای هندسی اضافی کمک می کند.
سرعت اولیه داده شده لغزنده با انتخاب گزینه مقادیر اولیه نیرو در لیست اولیه سازی سازگار موجود در گره مواد صلب اعمال می شود .
اگر بار بدنه روی دامنه ثابت باشد، یک عنصر مش برای مدلسازی یک دامنه صلب منظم کافی است.
ارجاع
1. E. Bayo و A. Avello، “الگوریتم های لاگرانژی تقویت شده بدون تکینگی برای دینامیک چند جسمی محدود”، دینامیک غیر خطی ، جلد. 5، ص 209-231، 1994.
مسیر کتابخانه برنامه: Multibody_Dynamics_Module/Verification_Examples/slider_crank_mechanism
دستورالعمل مدلسازی
از منوی File ، New را انتخاب کنید .
جدید
در پنجره جدید ، روی  Model  Wizard کلیک کنید .
مدل جادوگر
1
در پنجره Model  Wizard روی  2D کلیک کنید .
2
در درخت Select  Physics ، Structural  Mechanics>Multibody  Dynamics  (mbd) را انتخاب کنید .
3
روی افزودن کلیک کنید .
4
 روی مطالعه کلیک کنید .
5
در درخت انتخاب  مطالعه ، General  Studies>Time  Dependent را انتخاب کنید .
6
 روی Done کلیک کنید .
تعاریف جهانی
پارامترهای 1
1
در پنجره Model  Builder ، در قسمت Global  Definitions روی Parameters  1 کلیک کنید .
2
در پنجره تنظیمات برای پارامترها ، بخش پارامترها را پیدا کنید .
3
در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید:
 
نام
اصطلاح
ارزش
شرح
د
0.1[m]
0.1 متر
ضخامت
ل
1[m]
1 متر
طول
متر
1 کیلوگرم]
1 کیلوگرم
جرم
هندسه 1
مستطیل 1 (r1)
1
در نوار ابزار Geometry ، روی  Rectangle کلیک کنید .
2
در پنجره تنظیمات برای Rectangle ، بخش Size  and  Shape را پیدا کنید .
3
در قسمت متن Width ، d را تایپ کنید .
4
قسمت Position را پیدا کنید . در قسمت متن x ، -d/2 را تایپ کنید .
چرخش 1 (rot1)
1
در نوار ابزار Geometry ، روی  Transforms کلیک کنید و Rotate را انتخاب کنید .
2
فقط شی r1 را انتخاب کنید.
3
در پنجره تنظیمات برای چرخش ، قسمت چرخش را پیدا کنید .
4
در قسمت نوشتار Angle ، -45 را تایپ کنید .
آینه 1 (mir1)
1
در نوار ابزار Geometry ، روی  Transforms کلیک کرده و Mirror را انتخاب کنید .
2
فقط شی rot1 را انتخاب کنید.
3
در پنجره تنظیمات برای Mirror ، بخش ورودی را پیدا کنید .
4
چک باکس Keep  input  objects را انتخاب کنید .
5
قسمت Point  on  Line  of  Reflection را پیدا کنید . در قسمت متن x ، l/sqrt(2) را تایپ کنید .
فرم اتحادیه (فین)
1
در پنجره Model  Builder ، در قسمت Component   (comp1)>Geometry  1 روی Form  Union  (fin) کلیک کنید .
2
در پنجره تنظیمات Form  Union/Assembly ، بخش Form  Union/Assembly را پیدا کنید .
3
از لیست Action ، Form  an  assembly را انتخاب کنید .
4
در نوار ابزار Geometry ، روی  ساختن  همه کلیک کنید .
5
 روی دکمه Zoom  Extents در نوار ابزار Graphics کلیک کنید .
مواد
مواد 1 (mat1)
1
در پنجره Model  Builder ، در قسمت Component   (comp1) روی Materials راست کلیک کرده و Blank  Material را انتخاب کنید .
چگالی ماده را با استفاده از پارامترهای جرم و ویژگی هندسی تعریف کنید.
2
در پنجره تنظیمات برای Material ، قسمت Material  Contents را پیدا کنید .
3
در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید:
 
ویژگی
متغیر
ارزش
واحد
گروه اموال
تراکم
rho
m/(l*d^2)
کیلوگرم بر متر مکعب
پایه ای
MULTIBODY DYNAMICS (MBD)
1
در پنجره Model  Builder ، در قسمت Component   (comp1) روی Multibody  Dynamics  (mbd) کلیک کنید .
2
در پنجره تنظیمات برای Multibody  Dynamics ، قسمت Thickness را پیدا کنید .
3
در قسمت متن d ، d را تایپ کنید .
مواد سفت و سخت 1
1
در نوار ابزار Physics ، روی  Domains کلیک کنید و Rigid  Material را انتخاب کنید .
2
فقط دامنه 1 را انتخاب کنید.
مواد سفت و سخت 2
1
در نوار ابزار Physics ، روی  Domains کلیک کنید و Rigid  Material را انتخاب کنید .
2
فقط دامنه 2 را انتخاب کنید.
سرعت اولیه لغزنده را تعریف کنید و همان را مجبور کنید تا درجه های آزادی باقیمانده را به طور مداوم مقداردهی اولیه کند.
3
در پنجره تنظیمات برای مواد سفت  ، قسمت مقادیر اولیه را پیدا کنید .
4
از لیست، Locally  defined را انتخاب کنید .
5
از لیست مقداردهی اولیه سازگار  ، مقادیر اولیه اجباری را انتخاب کنید .
6
تیک گزینه Translation  along  first  axis را انتخاب کنید .
مقادیر اولیه 1
1
در پنجره Model Builder ، گره Rigid Material 2 را گسترش دهید ، سپس روی مقادیر اولیه کلیک کنید .
2
در پنجره تنظیمات مقادیر اولیه، قسمت مقادیر اولیه: ترجمه را پیدا کنید .
3
بردار d u /dt را به عنوان مشخص کنید
4
در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید:
 
-4
ایکس
0
y
5
قسمت مرکز چرخش را پیدا کنید . از لیست، Centroid موجودیت های انتخاب شده را انتخاب کنید .
مرکز چرخش: مرز 1
1
در پنجره Model  Builder ، در قسمت Component   (comp1)>Multibody  Dynamics  (mbd)>Rigid  Material  2>Initial  Values  ​​1 روی Center  of  Rotation:  Boundary  1 کلیک کنید .
2
فقط مرز 8 را انتخاب کنید.
مفصل لولا 1
1
در نوار ابزار Physics ، روی  Global کلیک کنید و Hinge  Joint را انتخاب کنید .
2
در پنجره تنظیمات برای مفصل لولا  ، قسمت انتخاب پیوست را پیدا کنید .
3
از لیست منبع ، ثابت را انتخاب کنید .
4
از لیست مقصد ، Rigid  Material  1 را انتخاب کنید .
مرکز مشترک: مرز 1
1
در پنجره Model  Builder ، روی Center  of  Joint:  Boundary  1 کلیک کنید .
2
فقط مرز 1 را انتخاب کنید.
مفصل لولا 2
1
در نوار ابزار Physics ، روی  Global کلیک کنید و Hinge  Joint را انتخاب کنید .
2
در پنجره تنظیمات برای مفصل لولا  ، قسمت انتخاب پیوست را پیدا کنید .
3
از فهرست منبع ، Rigid  Material  1 را انتخاب کنید .
4
از لیست مقصد ، Rigid  Material  2 را انتخاب کنید .
مرکز مشترک: مرز 1
1
در پنجره Model  Builder ، روی Center  of  Joint:  Boundary  1 کلیک کنید .
2
فقط مرز 5 را انتخاب کنید.
مفصل اسلات کاهش یافته 1
1
در نوار ابزار Physics ، روی  Global کلیک کنید و Reduced  Slot  Joint را انتخاب کنید .
2
در پنجره تنظیمات برای اتصال شکاف کاهش یافته  ، بخش انتخاب پیوست را پیدا کنید .
3
از لیست منبع ، ثابت را انتخاب کنید .
4
از لیست مقصد ، Rigid  Material  2 را انتخاب کنید .
5
قسمت Axes  of  Joint را پیدا کنید . از فهرست Joint  translatal  axis ، گزینه Attached  on  source را انتخاب کنید .
در اینجا می توان از مقدار پیش فرض محور مشترک استفاده کرد.
مرکز مشترک: مرز 1
1
در پنجره Model  Builder ، روی Center  of  Joint:  Boundary  1 کلیک کنید .
2
فقط مرز 8 را انتخاب کنید.
از گره Gravity برای اعمال بار گرانشی استفاده کنید .
جاذبه 1
در نوار ابزار Physics ، روی  Global کلیک کنید و Gravity را انتخاب کنید .
مش 1
از آنجایی که هر دو جزء صلب هستند، یک عنصر واحد برای محاسبه خواص اینرسی کافی است.
نقشه برداری 1
در نوار ابزار Mesh ، روی  Mapped کلیک کنید .
توزیع 1
1
روی Mapped  کلیک راست کرده و Distribution را انتخاب کنید .
2
در پنجره تنظیمات برای توزیع ، قسمت انتخاب مرز  را پیدا کنید .
3
از لیست انتخاب ، همه  مرزها را انتخاب کنید .
4
بخش توزیع را پیدا کنید . در قسمت متنی Number  of  elements ، 1 را تایپ کنید .
5
 روی ساخت  همه کلیک کنید .
تعاریف
ادغام 1 (در اول)
1
در نوار ابزار تعاریف ، روی  Nonlocal  Couplings کلیک کرده و Integration را انتخاب کنید .
2
در پنجره Graphics کلیک کنید و سپس Ctrl+A را فشار دهید تا هر دو دامنه انتخاب شوند.
متغیرهای 1
1
در نوار ابزار تعاریف ، روی متغیرهای  محلی  کلیک کنید .
2
در پنجره تنظیمات برای متغیرها ، بخش متغیرها را پیدا کنید .
3
در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید:
 
نام
اصطلاح
واحد
شرح
Wp
intop1(mbd.rho*g_const*y*d)
جی
کل انرژی پتانسیل
دبلیو
Wp+mbd.Wk_tot
جی
کل انرژی
مطالعه 1
مرحله 1: وابسته به زمان
1
در پنجره Model  Builder ، در بخش مطالعه  1 ، روی Step  1:  Time  Dependent کلیک کنید .
2
در پنجره تنظیمات مربوط به زمان  وابسته ، قسمت تنظیمات مطالعه  را پیدا کنید .
3
در قسمت متن زمان خروجی  ، range(0,0.005,10) را تایپ کنید .
برای ارزیابی دقیق شتاب، ترتیب BDF را افزایش دهید.
راه حل 1 (sol1)
1
در نوار ابزار مطالعه ، روی  Show  Default  Solver کلیک کنید .
2
در پنجره Model  Builder ، گره Solution   (sol1) را گسترش دهید ، سپس روی Time-Dependent  Solver  1 کلیک کنید .
3
در پنجره تنظیمات برای حل وابسته به زمان  ، برای گسترش بخش Time Steping کلیک کنید .
4
از لیست سفارش حداکثر  BDF  ، 3 را انتخاب کنید .
5
در نوار ابزار مطالعه ،  روی محاسبه کلیک کنید .
دو نمودار پیش فرض تغییر مکان و مشخصات سرعت مکانیسم میل لغزنده را نشان می دهد. مسیر نقاط روی بازو را به اولین نمودار پیش فرض نشان داده شده در شکل 2 اضافه کنید .
نقاط برش را روی بازو در مکان های مختلف ایجاد کنید تا مسیر را ترسیم کنید.
نتایج
برش نقطه 2 بعدی 1
1
در نوار ابزار نتایج ، بر روی  Cut  Point  2D کلیک کنید .
2
در پنجره تنظیمات برای Cut  Point  2D ، بخش Point  Data را پیدا کنید .
3
در قسمت متن X ، 1/sqrt(2) 1.5/sqrt(2) sqrt(2) را تایپ کنید .
4
در قسمت متن Y ، 1/sqrt(2) 0.5/sqrt(2) 0 را تایپ کنید .
برش نقطه 2 بعدی 2
1
بر روی Cut  Point  2D  کلیک راست کرده و Duplicate را انتخاب کنید .
2
در پنجره تنظیمات برای Cut  Point  2D ، بخش Point  Data را پیدا کنید .
3
در قسمت متن X ، 1/sqrt(2) را تایپ کنید .
4
در قسمت متن Y ، 1/sqrt(2) را تایپ کنید .
جابجایی (mbd)
در پنجره Model  Builder ، در قسمت Results، روی Displacement  (mbd) کلیک کنید .
مسیرهای نقطه 1
1
در نوار ابزار Displacement (mbd) ، روی  More  Plots کلیک کنید و Point  Trajectories را انتخاب کنید .
2
در پنجره تنظیمات برای مسیرهای نقطه  ، بخش داده را پیدا کنید .
3
از لیست Dataset ، Cut  Point  2D  1 را انتخاب کنید .
4
از لیست پارامترهای راه حل  ، از والدین را انتخاب کنید .
5
قسمت Coloring  and  Style را پیدا کنید . زیربخش Line  style را پیدا کنید . از لیست نوع ، لوله را انتخاب کنید .
بیان رنگ 1
1
روی Point  Trajectories  کلیک راست کرده و Color  Expression را انتخاب کنید .
2
در پنجره تنظیمات برای Color  Expression ، بخش Expression را پیدا کنید .
3
در قسمت Expression text، X را تایپ کنید .
4
قسمت Coloring  and  Style را پیدا کنید .  روی تغییر  جدول رنگ  کلیک کنید .
5
در کادر محاوره ای Color  Table ، Rainbow>RainbowLight را در درخت انتخاب کنید.
6
روی OK کلیک کنید .
7
در پنجره تنظیمات برای بیان رنگ  ، قسمت Coloring and Style را پیدا کنید .
8
تیک Color  legend را پاک کنید .
9
در نوار ابزار Displacement (mbd) ، روی  Plot کلیک کنید .
جابجایی (mbd)
1
در پنجره Model  Builder ، در قسمت Results، روی Displacement  (mbd) کلیک کنید .
2
در پنجره Settings for 2D  Plot  Group ، قسمت Plot  Settings را پیدا کنید .
3
از لیست Frame ، Material   (X،  Y،  Z) را انتخاب کنید .
4
در نوار ابزار Displacement (mbd) ، روی  Plot کلیک کنید .
5
 روی دکمه Zoom  Extents در نوار ابزار Graphics کلیک کنید .
میز 1
1
در نوار ابزار نتایج ، روی  جدول کلیک کنید .
وارد کردن داده های شتاب به دست آمده از Ref. 1 برای مقایسه
2
در پنجره تنظیمات جدول ، بخش داده را پیدا کنید .
3
روی Import کلیک کنید .
4
به پوشه Application Libraries مدل بروید و روی فایل slider_crank_mechanism_aA.txt دوبار کلیک کنید .
از دستورالعمل های زیر برای رسم شتاب نقطه A همانطور که در شکل 3 نشان داده شده است استفاده کنید .
شتاب: نقطه A
1
در نوار ابزار نتایج ، روی  1D  Plot  Group کلیک کنید .
2
در پنجره Settings for 1D  Plot  Group ، بخش Data را پیدا کنید .
3
از لیست Dataset ، Cut  Point  2D  2 را انتخاب کنید .
4
در قسمت نوشتار Label ، Acceleration را تایپ کنید: نقطه A.
نمودار نقطه 1
1
روی Acceleration:  point  کلیک راست کرده و Point  Graph را انتخاب کنید .
2
در پنجره تنظیمات نمودار نقطه‌ای  ، روی Replace Expression در گوشه سمت راست بالای بخش y-Axis Data کلیک کنید . از منو، Component (comp1)> Multibody Dynamics> Acceleration and Velocity> Acceleration – m/s²>mbd.u_ttX – Acceleration، جزء را انتخاب کنید .
3
برای گسترش بخش Coloring  and  Style کلیک کنید . از لیست Width ، 2 را انتخاب کنید .
4
برای گسترش بخش Legends کلیک کنید . تیک Show  legends را انتخاب کنید .
5
از فهرست Legends ، Manual را انتخاب کنید .
6
در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید:
 
افسانه ها
COMSOL
نمودار جدول 1
1
در پنجره Model  Builder ، روی Acceleration:  point  A کلیک راست کرده و Table  Graph را انتخاب کنید .
2
در پنجره تنظیمات برای نمودار جدول  ، قسمت Coloring and Style را پیدا کنید .
3
زیربخش Line  style را پیدا کنید . از لیست Line ، هیچکدام را انتخاب کنید .
4
زیربخش نشانگرهای خط  را پیدا کنید . از لیست نشانگر ، دایره را انتخاب کنید .
5
برای گسترش بخش Legends کلیک کنید . تیک Show  legends را انتخاب کنید .
6
از فهرست Legends ، Manual را انتخاب کنید .
7
در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید:
 
افسانه ها
مرجع. 1
8
در نوار ابزار Acceleration: point A ، روی  Plot کلیک کنید .
9
 روی دکمه Zoom  Extents در نوار ابزار Graphics کلیک کنید .
شتاب: نقطه A
1
در پنجره Model  Builder ، روی Acceleration:  point  A کلیک کنید .
2
در پنجره Settings for 1D  Plot  Group ، بخش Axis را پیدا کنید .
3
تیک گزینه Manual  axis  limits را انتخاب کنید .
4
در قسمت حداکثر متن y ،  60 را تایپ کنید .
5
برای گسترش بخش عنوان کلیک کنید . از لیست نوع عنوان  ، هیچکدام را انتخاب کنید .
6
قسمت Plot  Settings را پیدا کنید .
7
چک باکس x-axis  label را انتخاب کنید . در قسمت متن مرتبط، Time (s) را تایپ کنید .
8
کادر بررسی برچسب محور y  را انتخاب کنید . در فیلد متن مرتبط، شتاب نقطه A، x-component (m/s^2) را تایپ کنید .
9
در نوار ابزار Acceleration: point A ، روی  Plot کلیک کنید .
همانطور که در شکل 4 نشان داده شده است، از دستورالعمل های زیر برای ترسیم تغییرات انرژی در مکانیسم میل لغزنده استفاده کنید .
انرژی
1
در نوار ابزار صفحه اصلی ، روی  Add  Plot  Group کلیک کنید و 1D  Plot  Group را انتخاب کنید .
2
در پنجره تنظیمات برای گروه طرح 1 بعدی  ، انرژی را در قسمت متن برچسب تایپ کنید .
جهانی 1
1
روی Energy کلیک راست کرده و Global را انتخاب کنید .
2
در پنجره تنظیمات برای جهانی ، روی Replace  Expression در گوشه سمت راست بالای بخش y-Axis  Data کلیک کنید . از منو، Component   (comp1)>Definitions>Variables>Wp  –  Total  Energy Potential  – J را انتخاب کنید .
3
روی Add  Expression در گوشه سمت راست بالای بخش y-Axis  Data کلیک کنید . از منو، Component   (comp1)>Multibody  Dynamics>Global>mbd.Wk_tot  –  Total  kinetic  Energy  –  J را انتخاب کنید .
4
روی Add  Expression در گوشه سمت راست بالای بخش y-Axis  Data کلیک کنید . از منو، Component   (comp1)>Definitions>Variables>W  –  Total  Energy  –  J را انتخاب کنید .
5
برای گسترش بخش Coloring  and  Style کلیک کنید . از لیست Width ، 2 را انتخاب کنید .
6
زیربخش نشانگرهای خط  را پیدا کنید . از لیست نشانگر ، چرخه را انتخاب کنید .
7
از لیست موقعیت یابی ، Interpolated را انتخاب کنید .
8
در قسمت متن شماره ، 24 را تایپ کنید .
انرژی
1
در پنجره Model  Builder ، روی Energy کلیک کنید .
2
در پنجره Settings for 1D  Plot  Group ، بخش Axis را پیدا کنید .
3
تیک گزینه Manual  axis  limits را انتخاب کنید .
4
در نوار ابزار انرژی ، روی  Plot کلیک کنید .
5
 روی دکمه Zoom  Extents در نوار ابزار Graphics کلیک کنید .
6
در قسمت حداکثر متن y ،  35 را تایپ کنید .
7
قسمت عنوان را پیدا کنید . از لیست نوع عنوان  ، هیچکدام را انتخاب کنید .
8
قسمت Plot  Settings را پیدا کنید . چک باکس x-axis  label را انتخاب کنید .
9
کادر بررسی برچسب محور y  را انتخاب کنید . در قسمت متن مربوطه، Energy (J) را تایپ کنید .
10
در نوار ابزار انرژی ، روی  Plot کلیک کنید .
در نهایت، برای ایجاد انیمیشنی از مکانیسم میل لغزنده، این دستورالعمل ها را دنبال کنید:
انیمیشن 1
1
در نوار ابزار نتایج ، روی  انیمیشن کلیک کنید و Player را انتخاب کنید .
2
در پنجره تنظیمات برای انیمیشن ، بخش Frames را پیدا کنید .
3
در قسمت متنی Number  of  frames عدد 100 را تایپ کنید .
4
 روی دکمه Play در نوار ابزار Graphics کلیک کنید .