掀背气动顶杆的练习优化技巧

现代许多汽车都设计成掀背式的，这种形式和旅行车类似，但拥有更小的尺寸，如图4-32所示。掀背车允许货物装填至车的尾部，通常位于后座下方，以提高行李箱的空间。

本练习将应用以下技术：

● 接触力

● 实体接触

● 马达输入和力输入的类型

● 修改结果图解

项目描述

掀背车的关键是掀背门本身，掀背门通过向上的摆动铰链连接到车上，而且都由气动顶杆进行支撑和辅助。为了在SolidWorks Motion中得到相同的结果，我们将对装配体应用一个马达。

确定气动顶杆作用在门上的力。

图4-32 行李箱掀背

操作步骤

步骤1 打开装配体文件

在文件夹“SolidWorks Motion Simulation\Lesson04\Exercises\Hatchback”下打开文件“hatchback”。

步骤2 验证单位

确定文档单位被设定为【MMGS（毫米、克、秒）】。

步骤3 新建一个运动算例

将这个新算例命名为“Hatchback Steel”，并设置【分析类型】为【Motion分析】。

提示

这里将使用参考点。为了使用参考点，应确保所有零部件都为还原状态。

步骤4 对装配体添加引力

在Y轴负方向添加引力。

步骤5 对装配体添加力

使用【只有作用力】将力加载到气动顶杆中，模拟气动顶杆中的压力（因此假设活塞在打开时气动顶杆中的压力保持不变）。我们将从Left_Cylinder开始来定义力。

如图4-33所示，指定一个大小为420N、【只有作用力】的线性力。确保力应用到了指定的点和方向，而且相对的零部件为cylinder。这种方法可以保证力的方向始终沿着转动气动顶杆的轴线。

在【力函数】下方确认选择了【常量】，并在F₁域中输入“420牛顿”，单击【确定】，如图4-34所示。

图4-33 添加作用力

图4-34 定义力

提示

确保力的方向如图4-34所示。

步骤6 重复操作

对Right Cylinder重复步骤5的操作。

提示

可以修改SolidWorks中零件的质量属性，但通常情况下不应修改质量属性，因为大多数SolidWorks的零件反映的都是真实的设计意图，它们的质量属性也是自动计算的。

当指定质量属性后，它们将覆盖特定给零部件材料的相关属性。

步骤7 调整Lid1-1的质量属性

在【工具】中选择【质量属性】，将弹出【质量属性】对话框。在【所选项目】栏中，右键单击并选择【消除选择】。在装配体视图窗口单击Lid1-1，如图4-35所示。

图4-35 调整Lid1-1的质量属性

勾选【包括隐藏的实体/零部件】复选框，在【覆盖质量】处输入“13000.00000000克”，单击【确定】按钮。

步骤8 调整仿真的持续时间

设置算例持续时间为2s。

步骤9 设置算例属性

将【Motion分析】处的【每秒帧数】设置为“100”。

步骤10 左侧的接触

在Left_Cylinder-1和Left_Piston-1之间定义接触条件。对两个件的【材料】都选择【Steel（Dry）】，如图4-36所示。保持其他接触选项为默认值。

步骤11 右侧的接触

对右侧重复步骤10的操作，在Right Cylinder-1和Right Piston-1之间建立接触。(www.xing528.com)

步骤12 运行仿真

在SolidWorks Motion Manager中，单击【计算】按钮，掀背装置将正确打开。

步骤13 图表显示气动杆位置

对Left_Cylinder-1的【质量中心位置】创建一个【Y分量】图解。

步骤14 查看图解

注意，该图解创建在默认的全局坐标系下，初始Y值为-63mm，最终的Y值为287mm。还观察到初始振动发生在大约0.3s处，紧接着装配体完全打开并停止运动，如图4-37所示。

图4-36 定义接触

步骤15 接触力

和本章中前文讨论的一样，只采用一般的接触参数就可以得到近似的接触力结果。新建一个图解，显示气动顶杆和缸筒（因为装配体是对称的，可以使用两侧的任意一侧）之间的接触力大小。

步骤16 查看图解

图4-38中的尖角表示气动顶杆和缸筒之间的碰撞。

图4-37 查看图解（一）

图4-38 查看图解（二）

鉴于接触输入特征的质量，在碰撞发生时代表接触力的大小（峰值对应的6689N）只能理解为一个近似值。进一步观察可以得到，当运动停止时，接触力得到的是一个不变的静态值。为了得到这个常数值，需要修改图解的范围。

步骤17 修改图解格式

修改接触力的图解，以便读取这个静态值。可以观察到，当运动停止时，将满足力的平衡，而且在此阶段的接触力大约为370N，如图4-39所示。静态结果的精度既不受所选冲击模型的影响，也不受所选冲击模型参数的影响。因此可以断定静态结果是精确的。

图4-39 查看图解（三）

前面已经声明多次，接触弹性属性对最终的冲击接触力和冲击区域的加速度影响很大。在大多数情况下只能提供近似的特征，因此最终的冲击力和冲击物体的运动特征都是近似的。现在要修改接触弹性属性并研究它们对结果的影响。

步骤18 复制算例

将算例“Hatchback Steel”复制到名为“Hatchback Aluminum”的新算例中。

步骤19 更改接触材料

将两个接触的接触材料更改为【Aluminum（Dry）】。

步骤20 运行算例

步骤21 缸筒的位置

使用【质量中心位置】的【Y分量】，创建一个相同的图解，查看位移图解。由于最小和最大位置都相同，而且图表的大概形状也非常相似，装配体在0.33s（对比在材料为Steel（Dry）时的0.3s）时停止运动。

由于接触弹性属性会影响冲击区域的加速度和碰撞过程中的能量消耗，首次冲击后的最终速度会有所不同。因此，装配体将在不同（这次是稍后）的时刻停止运动，如图4-40所示。

图4-40 查看图解（四）

步骤22 接触力

对接触力生成一个相同的图解。峰值的最大值也不同，为37779N，但是这些绝对值并不能作为参考。然而和预期的一样，运动停止后静态值的大小与上一算例中得到的结果几乎相等，为370N，如图4-41所示。

图4-41 查看图解（五）

步骤23 新建算例（选做）

重复上面的步骤，将接触属性更改为【Rubber（Dry）】。查看结果，发现这是一个不切实际的情况，这里不得不延长算例的时间为至少5s，即运动将停止的时间。“Lid”将弹起多次后才最终停止，如图4-42所示。

接触力的静态值为375N，又一次与上一结果非常接近，如图4-43所示。

步骤24 保存并关闭文件

图4-42 查看图解（六）

图4-43 查看图解（七）

总结

在这个练习中，我们分析了开启汽车掀背门的过程。然而在现实中，两个活塞可能产生变化的非线性力，我们将仿真简化，只应用一个恒定的力。然而，可以对力的大小和取决于位置的气动顶杆进行复杂的修改，但这不是本次练习的目的。

掀背门打开的最终阶段是当气动顶杆接触到缸筒背面的时刻。我们使用了实体接触并研究了掀背门打开的特性（例如开启时间、接触力等）为接触参数的函数。发现在各种参数规格下，掀背门会在不同时间停止运动。最后一个算例有些极端，我们使用了不现实的接触组合：即橡胶作用在橡胶上。在此情况下，掀背门的表现为反复振动。

我们还分析了接触力的大小。然而与短时碰撞的数值相吻合的峰值并不可靠，因为它们需要非常精确的接触特征，运动停止后的静态接触力是精确的。我们在所有三个仿真中得到了非常近似的结果，从而证明了这一点。