Symulacje kinematyki i dynamiki w programie

Symulacje kinematyki i dynamiki w programie

WORKINGMODEL
1 . Wprowadzenie
Workingmodel to program pozwalający łatwo budować dwuwymiarowe modele układów
mechanicznych i przeprowadzać symulacje ich działania, z uwzględnieniem ruchu, sił, tarcia,
wykrywania kolizji, symulacji zderzeń i t.d. W procesie symulacji można uzyskać wykresy
przebiegów czasowych wybranych wielkości. Jest to więc program, który (mimo ograniczenia do
dwu wymiarów) można zaliczyć do dziedziny Virtual Prototyping – dotyczącej badania
wirtualnych prototypów. Program powstał w wyniku 15-to letniej współpracy z mechanikami i jest
dostępny na witrynie internetowej: www.workingmodel.com. Przy instalowaniu – na żądanie
wpisania numeru seryjnego można wpisać słowo „demo” – jeśli program ma działać w wersji demo
(zablokowany zapis do pliku).
2 . Skrócona instrukcja użytkowania
2.1 Jednostki
Jeśli z menu View wybierzemy Numbers and Units ... to możemy sprawdzić lub zmienić
obowiązujące jednostki miar:
Rys. 2.1. Jednostki
2.2 Workspace – przestrzeń robocza
Menu: View – Workspace pozwala nie tylko włączać widzialność pasków narzędzi ale także
takich elementów ekranu (Rys. 2.2) jak:
- Coordinates – współrzędne,
- Rulers – podziałki (linijki) na obrzeżach,
- Grid lines – siatka,
- X,Y Axes – osie współrzędnych.
Rys. 2.2. Elementy ekranu i przestrzeni roboczej
2.3 Podstawy modelowania
Opisane niżej paski narzędzi pozwalają tworzyć model i sterować symulacją.
2.3.1
BODY – ciała i ich własności
Pasek BODY pozwala rysować i unieruchamiać obiekty czyli ciała (body).
Circle - koło
Square – kwadrat
Polygon – wielobok
Curved polygon – obiekt krzywoliniowy
Rectangle - prostokąt
Anchor – kotwica – unieruchamia obiekt
Po wciśnięciu danego przycisku można narysować obiekt. Niektóre własności wybranego aktualnie
obiektu wyświetlane są u dołu ekranu – jak to widać na Rys. 2.2 – a mianowicie:
- x, y czyli współrzędne położenia, środka masy obiektu (w metrach),
- h, w czyli wymiary: h = wysokość, w = szerokość (w metrach),
- O czyli kąt orientacji w radianach.
Wartości te można zmieniać.
Dodatkowo - podwójne kliknięcie obiektu otwiera okno takich własności jak:
Vx, Vy – początkowe prędkości,
stat.fric. – wsp. tarcia statycznego,
Vo – początkowa prędkość obrotowa, kin.fric. - wsp. tarcia kinetycznego,
material – lista materiałów,
elastic – elastyczność przy zderzeniach (0 – 1),
mass - masa
charge – ładunek elektrostatyczny.
2.3.2
JOINT – połączenia ciał oraz punkty - POINTS
Pin joint – połączenie przegubowe
Slot joint – prowadnica przesuwno-obrotowa
Slot joint – prowadnica przesuwno-obrotowa
Curved slot .. – przesuwne po krzywej
Rigid joint – połączenie sztywne
Keyed slot – połaczenie przesuwne
Keyed slot – połaczenie przesuwne
Closed curved slot .. – obrotowe z luzem
Jeśli dwa ciała, których rysunki zachodzą na siebie – połączymy jednym z wymienionych połączeń
i wybierzemy jedno z nich - to uaktywnia się pasek Join/Split czyli Połącz/Rozdziel.
Jeśli obiekty nie “zachodzą na siebie” to można zastosować inny sposób ich łączenia, a mianowicie:
- na każdym z obiektów wstawiamy punkt lub prowadnicę szczelinową z paska POINT,
- zaznaczamy te punkty lub prowadnice, które mają być połączone i używamy przycisku Join z
paska Join/Split.
Point – punkt, otwór dla przegubu
Slot– prowadnica pozioma
Curved sl.-prowadnica krzywoliniowa
2.3.3
Square point – otwór dla połączenia sztywnego
Slot– prowadnica pionowa
Closed curved - krzywa dla połączenia z luzem
CONSTRAINTS – więzy, wymuszenia, obciążenia
Rot. Spring – sprężyna obrotowa
Rot. Damper – tłumienie obrotów
Gear - przekładnia
Torque - moment
Motor - silnik
Rope - lina
Puley – lina przez krążki
Spring - sprężyna
Damper – tłumik drgań
Spring Damper – sprężyna z tłumieniem
Force - siła
Actuator - siłownik
Separator – pręt podpierający
Rod - pręt
2.4 Pomiary, rejestracja, wykresy
Dla wybranego elementu można z menu MEASURE wybierać wielkości których zmiany mają być
prezentowane. Gdy ukaże się okno danej wielkości to można w nim – przy pomocy strzałki (w
lewym górnym rogu) – przełączać trzy postacie: (1) pomiar liczbowy, (2) wykres, (3) słupek.
2.5 Uruchamianie symulacji
Przycisk RUN uruchamia symulację. Przycisk STOP – zatrzymuje. Przycisk RESET – przywraca
początkową sytuację.
3 . Ćwiczenia
3.1 Wahadło
-
Narysuj długi wąski prostokąt (płaskownik). Kliknij RUN. Zatrzymaj i zresetuj.
Wewnątrz prostokąta wstaw przegub – Pin Joint. Uruchom a potem zatrzymaj i zresetuj.
Kliknij prostokąt podwójnie aby sprawdzać lub zmieniać jego własciwości.
Dla wybranego prostokąta zmień kolor – z menu Window-Appearance
Przyłącz przegubowo do końca pierwszego płaskownika drugi i uruchom.
Po zatrzymaniu i zresetowaniu zaznacz drugi prostokąt (kliknięciem) i z menu Measure wstaw
wykres przyspieszenia lub prędkości. Badaj różne wykresy uruchamiając symulacje
3.2 Symulacja statyki
Dla wyświetlenia wektorów sił możesz dla wybranego (klikniętego) elementu
– z menu Define-Vectors wybierać jakie wektory mają być wyswietlane:
dla ciał - figur powierzchniowych – Contact Force lub Gravitional Force
dla przegubów (Pin Joint), prętów (Rod), linek (Rope) – Total Force
Niestety program wykazuje błędne wartości dla więcej niż jednej siły kontaktowej na tym samym
ciele, co pokazano poniżej na rysunku (a). Jak temu zapobiec pokazuje rysunek (b).
Rys.3.1.Błędne wyświetlanie wartości
Pamiętaj, że linki i pręty mogą być używane tylko do łączenia ciał a nie mogą się wzajemnie
łączyć. Zgodnie z tym kratownicę można skonstruować tak jak to pokazano niżej.
Rys.3.2.
3.3 Odbijająca się piłeczka
Wybierając kliknięciem narzędzia do rysowania można rysować koła, kwadraty, wieloboki,
wieloboki zaokrąglone oraz prostokąty. Wstawienie symbolu kotwicy unieruchamia dany obiekt.
W nowym projekcie narysuj małe kółko czyli "piłkę" a następnie długi prostokąt czyli "stół" jak na
rysunku poniżej. Unieruchom stół przez wstawienie kotwicy.
Rys. 3.3. Piłeczka
Wstępna wersja projektu jest gotowa. Wystarczy kliknąć przycisk RUN aby piłeczka spadła na stół
i zaczęła się od niego odbijać. Przycisk STOP zatrzymuje symulację a przycisk RESET przywraca
początkową sytuację.
Teraz można projekt ulepszyć zmieniając wygląd obiektów.
Z menu Window otwórz okno Appearance następnie wybierz kliknięciem obiekt którego wygląd
chcesz zmienić. Jeśli zaznaczysz opcję Show (Pokaż) to zmiany będą od razu uwidaczniane.
Można zmieniać następujące cechy:
– Fill Color – kolor wypełnienia
– Fill pattern – wzór wypełnienia
– Frame Color – kolor obramowania
– Frame Pattern – rodzaj linii obramowania
Z menu View-Workspace można włączyć widzialność siatki (Grid Lines). Można też przesuwać
obiekty aby wyrównywać do siatki
Jeśli chcesz wydłużyć czas odbijania się, to zmień cechę elastyczności lub rodzaj materiału – po
podwójnym kliknięciu piłeczki. Podobnie dla stołu od którego piłeczka się odbija.
Sprawdź co będzie gdy zmienisz kąt nachylenia stołu.
3.4 Lokomotywa
Aby wypróbować połączenia: sztywne,
przegubowe i prowadnicowe utwórz
model lokomotywy.
Koło przednie jest połaczone z
suwakiem tłoka przy pomocy pręta
“Rod” – z paska Constraints i ma (we
właściwościach) nadaną prędkość
obrotową.
Rys. 3.4. Model lokomotywy
3.5 Bilard
Rozbudowując pierwsze zadanie możesz spróbować zrobić bilard.
Rys. 3.5. Bilard
Porady:
- aby mieć pary pasków tworzących bandę – użyj kopiowania,
- paski trzeba połączyć sztywnymi więzami i nadać im materiał: Rubber czyli guma
- piłeczki też skopiuj po narysowaniu jednej i nadaj im materiał: Plastic
- z menu World – Gravity wyłącz grawitację,
- jednej piłeczce zmień kolor, nadaj prędkość (po podwójnym kliknięciu) i z menu Define każ
pokazywać wektor tej prędkości.