小型單人多功能健身器材的設(shè)計及仿真-健身機含SW三維及7張CAD圖,小型,單人,多功能,健身,器材,設(shè)計,仿真,sw,三維,cad 健身器材的設(shè)計及仿真 摘要 隨著世界城市經(jīng)濟的發(fā)展和人民生活水平的迅速提高，城市居民的健康意識逐漸 增強，健身也成為人們?nèi)粘Ｉ钪械闹匾M成部分。健身器的出現(xiàn)尤其是室內(nèi)健身器材起到了足不出戶也可以鍛煉身體的作用。 本文設(shè)計的健身器材包括整體機架結(jié)構(gòu)、背拉鍛煉機構(gòu)、腿部鍛煉機構(gòu)和擴胸鍛煉機構(gòu)組成。首先本文對健身器材的方案進行確認(rèn)，然后利用三維SOLIDWORKS完成健身器材的三維建模，并導(dǎo)出二維工程圖，最后利用SOLIDWORKS對三維器材進行運動仿真。 關(guān)鍵詞：健身器材，運動仿真，三維建模  Abstract With the rapid development of city economy and improve the people's living standard, city residents health consciousness gradually strengthens, fitness has become an important part of people's daily life. Emergence of fitness especially indoor fitness equipment to remain within doors can also exercise the role. In this paper, the design of fitness equipment including the whole frame structure, the back leg exercise training institutions, training institutions and chest expansion mechanism. First of all this paper confirm of fitness equipment, 3D modeling and 3D SOLIDWORKS fitness equipment, and the output of engineering drawing, finally the use of SOLIDWORKS to carry on the movement simulation of 3D equipment. Keywords: fitness equipment, motion simulation, 3D modeling  目錄 摘要 I Abstract II 第一章 引言 1 1.1 課題研究的目的及意義 1 1.2健身器才國內(nèi)外的現(xiàn)狀 1 1.2.1國內(nèi)的研究現(xiàn)狀 1 1.2.2國外研究現(xiàn)狀 3 1.3 課題設(shè)計思路 3 1.5 課題設(shè)計結(jié)構(gòu) 3 第二章 健身器的總體設(shè)計方案 5 2.1健身器的組成及各部分關(guān)系概述 5 2.2 設(shè)計要求 5 2.3 總體方案擬定 5 第三章 健身器整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計 7 3.1 配重的設(shè)計 7 3.2 滑輪的設(shè)計 8 3.3鋼絲繩的設(shè)計 9 3.4 底座的設(shè)計 9 3.5 上橫梁的設(shè)計 9 3.6 上橫梁的有限元分析 10 3.6.1 上橫梁零件的三維建模 10 3.6.2 確定材料 10 3.6.3 添加夾具 11 3.6.4 施加載荷 12 3.6.5 生成網(wǎng)格 12 3.6.6 運算求解 13 3.6.7 分析結(jié)果輸出 14 3.7 其他零件的設(shè)計 16 第四章 健身器三維造型的設(shè)計 17 4.1 Solidworks軟件簡介 17 4.2 零件建模 19 4.2.1上橫梁三維建模的形成 19 4.2.2 配重的三維建模形成 19 4.2.3其他零件的三維模型造型 20 4.3零件裝配 20 4.4三維向二維的轉(zhuǎn)換 23 第五章 健身器材的仿真 26 5.1機構(gòu)仿真的作用 26 5.2機構(gòu)仿真類型 26 5.3機構(gòu)運動仿真步驟 26 5.4 機構(gòu)功能 26 5.5 本章小結(jié) 27 第六章 結(jié)論 28 6.1 本論文所取得的結(jié)果 28 6.2 技術(shù)展望 28 參考文獻 29 致謝 31 IV 第一章 引言 1.1 課題研究的目的及意義 伴隨中國經(jīng)濟實力的快速增長，生活節(jié)奏不斷加快、工作壓力日益增加，多數(shù)人群處于亞健康狀態(tài)，越來越多的人開始意識到“健身”和“鍛煉”的重要性；上海體育科學(xué)研究所的一項社會調(diào)查統(tǒng)計表明，在12000名接受訪問的人群中，有65%的人表明自己有需要或正準(zhǔn)備購買健身器材?？梢娙藗儗νㄟ^鍛煉健身來達到減壓、塑身的愿望越來越強，全民健身熱潮正日漸興起。健身隊伍的不斷擴大必然引起對于健身器材的巨大需求，據(jù)統(tǒng)計資料，自2006年以來中國體育用品工業(yè)企業(yè)實現(xiàn)累計工業(yè)總產(chǎn)值年均增長速度在16%以上。但在消費領(lǐng)域，與歐美等發(fā)達國家相比，健身器材產(chǎn)品在家庭的普及率及用于健身運動的人均消費仍然很低，這對國內(nèi)健身器材廠商的設(shè)計、生產(chǎn)能力提出了更高的要求。 通過本課題，讓學(xué)生在畢業(yè)設(shè)計過程中綜合大學(xué)所學(xué)基礎(chǔ)課程及專業(yè)課程，培養(yǎng)學(xué)生綜合應(yīng)用所學(xué)知識和技能去分析和解決一般工程技術(shù)問題的能力；進一步培養(yǎng)學(xué)生分析問題、創(chuàng)造性地解決實際問題的能力。 1.2健身器才國內(nèi)外的現(xiàn)狀 1.2.1國內(nèi)的研究現(xiàn)狀 ?近幾年來，中國健身產(chǎn)業(yè)逐漸形成，全國健身俱樂部每年在以1000家的速度遞增，北京健身俱樂部以每年30家的速度遞增。2007年，全國俱樂部約2500家，北京有465家，民營資本在整個健身產(chǎn)業(yè)占據(jù)了90%的份額。2007年中國健身市場規(guī)模為100—150億美元，開業(yè)2年以上的俱樂部2007年會員人數(shù)比2006年同比增長了48%。2008年奧運會之后，國內(nèi)健身俱樂部數(shù)量急劇增長，雖然沒有具體的數(shù)據(jù)但是可以肯定的是具有一定規(guī)模的中國健身俱樂部的數(shù)量已經(jīng)達到了3400家以上。 從政策角度來看，由于健身娛樂市場可以有效地拉動居民的消費，符合國家拉動內(nèi)需、刺激經(jīng)濟發(fā)展的政策，有望得到政府的進一步支持。同時，一個需要特別注意的發(fā)展傾向是從人們對健身娛樂的消費趨勢上來看，人們健康的需求也正逐步從被動的治療性向主動的預(yù)防保健型轉(zhuǎn)換，這也預(yù)示未來的健身娛樂市場必然向科學(xué)保健、運動和娛樂合理搭配的方式發(fā)展。 從經(jīng)濟角度則主要分為三大類，分別是低檔器材、中檔器材和高檔器材。握力器、拉力器、啞鈴等是價格便宜的健身器材，此類低檔健身器性能單，結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，多在百元以內(nèi)，而且也是大多數(shù)消費者家中必備的健身器材。 其次是中檔健身器，如跑步機、健身車、劃船器等，價格多為千元以下。這類健身器的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，某些性能也已達到較高水平，而且占地面積較小。 還有一種是高檔健身器，如多功能跑步機等，這類健身器具備跑步、劃船、蹬車、旋轉(zhuǎn)腰部、俯臥撐等多種功能，價格比較昂貴，大多在千元甚至萬元以上，且占地面積較大。 而從消費角度來看，城市居民對體育用品的消費已經(jīng)從低檔為主向中高檔方向發(fā)展，農(nóng)村居民尤其是已經(jīng)進入小康生活標(biāo)準(zhǔn)的農(nóng)村地區(qū)，對中低檔體育用品的消費也將逐步形成新的需求。隨著農(nóng)村地區(qū)收入的增加將使健身市場的潛力變成現(xiàn)實，中國健身器材市場的年銷售額逐年增長，中國人對健康的關(guān)注正在形成一個黃金市場。 雖然健身隊伍的不斷擴大為健身器材生產(chǎn)商帶來了濃厚商機，但是行業(yè)存在的產(chǎn)品偽劣、夸大宣傳等不良現(xiàn)象也成為了制約行業(yè)發(fā)展的棘手問題。據(jù)中國社會調(diào)查事務(wù)所的項調(diào)查顯示：83%的人認(rèn)為國產(chǎn)健身器的質(zhì)量問題是制約消費者購買的主要原因。對般家庭來說，追求性能優(yōu)越、質(zhì)量可靠、經(jīng)久耐用，是消費者的共同心愿。然而，目前市場上銷售的些健身器功能不齊全、部件易損壞的現(xiàn)象相當(dāng)嚴(yán)重。 目前，我國已有眾多健身器材生產(chǎn)企業(yè)，世界上幾乎所有的普通健身器材類型，中國企業(yè)都在生產(chǎn)，并為大量的境外品牌進行加工，中國制造的健身器材在國際市場上占據(jù)了約60%的份額，出口交易額達20億美元，出口已逐漸成為我國健身器材產(chǎn)業(yè)發(fā)展的方向。健身器材市場分為家用以及商用市場兩部分，人們對于健身器材，特別是家用健身器材的需求也日益增加，因此家用市場的規(guī)模也遠較商用市場規(guī)模大且增長快。 我國健身器材行業(yè)盡管內(nèi)外銷市場趨旺，但在國際市場缺乏知名品牌卻是個不得不面對的事實。目前，我國出口的健身器材產(chǎn)品基本上是以“委托加工”和“貼牌生產(chǎn)”的方式進入國際市場，產(chǎn)品附加值較低。同時，與國際先進水平相比，我國不少生產(chǎn)企業(yè)還處在仿制生產(chǎn)階段，產(chǎn)品研發(fā)和技術(shù)創(chuàng)新能力不足。在消費領(lǐng)域，與歐美等發(fā)達國家相比，健身器材產(chǎn)品在家庭的普及率及用于健身運動的人均消費還很低。這也意味著，我國健身器材行業(yè)仍有很廣闊的發(fā)展空間。? 總之，體育健身產(chǎn)業(yè)在我國還屬于正在成長期的新興產(chǎn)業(yè)，它是一項前景廣大的朝陽產(chǎn)業(yè)，具有巨大的市場潛力。如何才能巧妙地利用自身優(yōu)勢和獨到的眼光來分好這塊蛋糕，則需要國內(nèi)健身器材工業(yè)企業(yè)必須抓住新的發(fā)展形勢，加大科技創(chuàng)新，努力提高產(chǎn)品質(zhì)量，加強自主研發(fā)能力，有關(guān)部門應(yīng)盡快制訂出健身器材統(tǒng)一的技術(shù)安全標(biāo)準(zhǔn)，加強售后服務(wù)。只有這樣才能在新形勢下立于不敗之地。 1.2.2國外研究現(xiàn)狀 一個國家的體育消費水平?jīng)Q定了該國的體育市場的發(fā)展程度。世界許多經(jīng)濟發(fā)達的國家家庭的體育消費都十分可觀。1994年，英國家庭體育消費為130億美元，意大利為94億美元，西班牙為81億美元，德國為640億馬克。1996年法國家庭體育消費為462億法郎，占整個體育消費的49%。相比之下我國的體育消費就很低了，據(jù)國家體育總局公布的《2001年中國群體體育現(xiàn)狀調(diào)查報告》，我國城鄉(xiāng)居民以家庭為單位全年體育消費平均為397.42元，其中用于購買家庭健身器械平均為92.09元，表明我國家庭健身器械的市場消費水平很低。 從一個國家的人口總數(shù)和家庭所擁有的健身器械的比例來看，美國人口2.81億，其跑步機一年的銷量為300萬臺；韓國人口4600多萬。2002年跑步機銷量為100萬臺；而中國擁有13億，跑步機一年的銷量僅在20萬臺左右，目前跑步機在中國家庭的普及率僅為1%。雖然近年來，我國對于家庭健身器械的消費有所增長，但相比國外發(fā)達國家的家庭擁有量，還有很大的距離。 從國際視角比較來看我國在體育產(chǎn)值，體育消費水平及體育產(chǎn)業(yè)吸納就業(yè)人口比重三個方面，與西方發(fā)達國家都存在較大的差距，這些問題直接或間接的反映了當(dāng)前我國體育市場整體上還處于起步和初級發(fā)展階段，近你那來家庭健身器械的總銷售額雖有增長，卻非常緩慢，同時也預(yù)示著家庭健身器械領(lǐng)域市場開拓的潛力巨大。 1.3 課題設(shè)計思路 1） 參考所有與健身器產(chǎn)品相關(guān)數(shù)據(jù)，了解整個健身器的整機系統(tǒng)的組成。 2）健身器整機方案的確認(rèn)。 3）健身器整機的設(shè)計計算，并對主要零部件進行設(shè)計校核。 4）健身器整機三維建模。 5）健身器整機仿真 1.5 課題設(shè)計結(jié)構(gòu) 本文以健身器項目作為應(yīng)用背景，對其機械結(jié)構(gòu)進行了研究。全文共分為六章，各章的主要內(nèi)容如下： 第一章前言部分，主要介紹健身器的研究現(xiàn)狀和課題研究的目的及意義； 第二章對整個健身器的整機方案進行確認(rèn)，包括傳動系統(tǒng)，驅(qū)動系統(tǒng)等確認(rèn)。 第三章完成整個健身器的設(shè)計計算； 第四章對健身器進行三維建模； 第五章對健身器材進行仿真 第六章總結(jié)了全文的研究工作，給出了存在的問題和進一步研究的方向。 第二章 健身器的總體設(shè)計方案 2.1健身器的組成及各部分關(guān)系概述 健身器主要由傳動系統(tǒng)和執(zhí)行系統(tǒng)組成。 執(zhí)行系統(tǒng)：執(zhí)行系統(tǒng)是健身器實現(xiàn)健身目的的操作件。 傳動系統(tǒng)：完成各個動作的傳動部件。 2.2 設(shè)計要求 根據(jù)健身器械的要求，作品應(yīng)滿足一下要求： 1）只能提供單人鍛煉，但為多功能器械； 2）安全可靠，工作平穩(wěn)，無噪聲；鍛煉量可調(diào)節(jié)，每級10kg，操作方便； 3）設(shè)計合理，解決目前市場上健身機械的設(shè)計不足 ，并便于生產(chǎn)制造； 4）外型美觀，采用拼裝結(jié)構(gòu)，便于包裝運輸； 5）選材合理，經(jīng)濟性能好，外形美觀。 2.3 總體方案擬定　 因為本健身器的要求是多功能，所以本次設(shè)計的健身器采用如圖2-1所示的結(jié)構(gòu)形式： 圖2-1 健身器原理圖 本次設(shè)計的多能健身器，它雖然只提供單人健身鍛煉但是他提供了多項功能。本次設(shè)計的單人多功能健身機可以提供一下三種鍛煉：腿部鍛煉，擴胸鍛煉，以及人站立手拉拉桿的鍛煉。這三種功能集成起來，就會使得器械整體比較協(xié)調(diào)，而且看起來特別美觀（鍛煉的機構(gòu)分別在器械的上面，中間，和下面），這樣就可以鍛煉的多塊肌肉如：胸大肌，腿大肌，趾長肌，肱二頭肌，肱三頭肌，斜方肌，三角肌，背闊肌等肌肉。 第三章 健身器整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計 3.1 配重的設(shè)計 由于配重在鍛煉的過程中或多或少的會產(chǎn)生噪音，我在此套用了一種比較簡單的方法，且又便于維修;在配重下面做一個凹槽，這樣就使得噪音大大的減少同時由于安裝留有一定的空隙，便于以后的維修。除此之外它的互換性特別的好。 配重在器械中的性能也占有舉足輕重的位置，對他的設(shè)計考慮有以下幾點要求： 1）在鍛煉的時候由于配重忽上忽下的運動會有很大的撞擊，因此，在設(shè)計配重的時候，市場上常用的方法是在配重的周圍用注塑機包裹一定厚度的橡皮。這種做法有一定的缺點，對于小批量的生產(chǎn)很不適合會造成成本的提高，而且也不便于維修，一旦外表面的橡皮經(jīng)過多次撞擊和老化以后，就很容易壞掉和脫落，一旦橡皮脫落以后噪音和沖擊就來了，這樣影響配重的使用壽命，而且巨大的噪音影響鍛煉者的心情，而且還不便于維修，這樣，配重就相當(dāng)于報廢了。 2）配重在導(dǎo)向桿中上下滑動，導(dǎo)桿選用硬鉻棒，表面硬度和光潔度都較好。 3）市場上大部分配重是每塊5kg，一般情況下人們的鍛煉時候的力量不會超過65kg，所以在這方面依然采用市場上的數(shù)據(jù)。 4）據(jù)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在損壞了的材料中幾乎都是由于太脆開裂而報廢的，由于這些配重都是用HT105(灰口鑄鐵)鑄造而成的，而鑄鐵的缺點就是韌性低，質(zhì)脆。這樣一來就使的配重跟容易在鍛煉時開裂而報廢。 綜合市場上的調(diào)查分析，我做了如下改進： 為了便于維修，我采用橡皮包裹的配重，我在配重下面開一條凹槽，這樣就有利于產(chǎn)品的維修。 在設(shè)計配重時，我還專門設(shè)計了第一塊配重（就是安裝在最上面的那塊配重），由于吊桿要吊起配重，使用一銷將配重與之連接起來，所以配重一和吊桿要有安裝關(guān)系我在這里用一螺釘使得配吊桿在配重中有個準(zhǔn)確的位置，主要是限制吊桿的旋轉(zhuǎn)運動，這樣鍛煉者在選擇力量的時候就方便多了。本次設(shè)計的配重如圖3-1所示： 圖3-1 可調(diào)配重設(shè)計圖 3.2 滑輪的設(shè)計 滑輪在整臺健身機械中的作用：滑輪在器械中承擔(dān)著鋼絲繩的導(dǎo)向及減少摩擦的作用，由于整個滑輪的受力不是很大，可以采用鑄造的辦法獲得，也可以使用冷沖壓后焊接的辦法獲得，滑輪在此臺器械中主要受壓應(yīng)力的作用而且一般不會超過6500N, 然而一般鋼材的受力都大于此數(shù)值，所以強度不是重點考慮的問題，同時由于滑輪的運動都是圍繞中心運動，所以我設(shè)計在里面加一個軸承，由于滑輪，軸承，及夾座三者之間有一定的配合關(guān)系，這樣使得中心孔不易磨損。并且在轉(zhuǎn)動的時候摩擦也減小了，從而保證了滑輪的使用要求和使用壽命。 采用兩個上面的組裝起來即可。這樣適合如果大規(guī)模生產(chǎn)，可以采用沖壓工藝，通過落料形成，然后在中間放上軸承厚用鉚釘或螺栓連接就可以這樣的生產(chǎn)方法有許多優(yōu)點：首先選材保證了他的強度，同時用料省，加工簡單，成本低，加工精度高，生產(chǎn)效率高，但不適合小規(guī)模生產(chǎn)，原因是現(xiàn)在磨具的設(shè)計制造費用相當(dāng)昂貴，它大致工藝為，下料，成型，沖孔等,這樣就降低了成本。 3.3鋼絲繩的設(shè)計 根據(jù)機械設(shè)計手冊知道，鋼絲繩的公稱直徑 (3-1) 式中C為選擇系數(shù)，S為最大靜壓載荷 選擇系數(shù)的計算公式為： (3-2) 式中n為安全系數(shù)，k為折斷系數(shù)，為鋼絲繩的充滿系數(shù) 其中的算法為 初選鋼絲繩的抗拉強度為167MP，取安全系數(shù)值為6級，k=0.82, =0.46代入公式的c=0.110 根據(jù)手冊c取0.114代入 其中=1300N算的D=2.9取整D=3，所以選擇的鋼絲繩為鋼芯鋼絲繩（GB/T8918-1998）,標(biāo)記為3NAT6X21S+IWR16708Z5.39鋼絲繩的直徑為3mm,滑輪是安裝在滑輪座里面間隙只有2mm單面間隙為1mm，這樣既可以保證鋼絲繩不會卡在滑輪座里面，保證鋼絲繩在使用過程中的可靠度。 3.4 底座的設(shè)計 底座的設(shè)計特別的重要，它關(guān)系到整臺機械的使用性能。它是支架，配重和立柱及導(dǎo)向裝置的安裝基礎(chǔ)，所以它的強度要高，結(jié)構(gòu)要扎實。 在設(shè)計底座時，必須先考慮底座的受力情況，由于底座上安裝左右立柱，支架，導(dǎo)向裝置，及上支架配重等。為了拆裝的方便，這些部件均采用對稱安裝，同時可以簡化底座的受力情況。參考健身器裝配圖可知，底座主要是受其上面型材的重力。 綜上所述，采用5050方管和材料為Q235型號的花紋板材，組合而成。 3.5 上橫梁的設(shè)計 上橫梁設(shè)計的核心是材料的選定，材料的選定決定了背拉機構(gòu)及機架的使用性能，安全性能和它的壽命。一般情況下，太好的材料強度較高，硬度也會相應(yīng)提高，這樣對機械加工會鏈來較大的困難。尤其是對健身器械來而言，大部分的鋼材都是選用型材及板材。為避免所選材料造成太大的浪費和給加工鏈來的一些麻煩，所選材料應(yīng)該是在考慮滿足性能要求的情況下同時盡可能購買周邊的材料，這樣可以減少運輸費用，降低設(shè)計和制造成本。 本文設(shè)計采用5050方管。 3.6 上橫梁的有限元分析 首先，對上橫梁的主體結(jié)構(gòu)進行三維建模。完成三維建模后，再對相應(yīng)部分進行有限元分析。由于上橫梁的螺栓、立板、滑輪等零件無需單獨進行受力分析，而且如果對上橫梁整體結(jié)構(gòu)進行靜態(tài)分析，將會產(chǎn)生龐大的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)的計算時間將會持續(xù)幾天甚至更多。所以為了使計算更加精確，縮短系統(tǒng)計算時間，我們在這里只對上橫梁主體進行分析，即直接將上橫梁主體分離出來單獨進行靜態(tài)分析，以確保系統(tǒng)的強度和穩(wěn)定性。上橫梁有限元分析的具體步驟如下： 3.6.1 上橫梁零件的三維建模 利用SOLIDWORKS軟件對上橫梁零件進行三維模型，這個的具體繪圖過程就不一一詳細描述。得到的三維模型如圖3-2所示。 圖3-2 上橫梁模型 3.6.2 確定材料 零件的反應(yīng)取決于其所構(gòu)成的材料，程序必須知道零件材料的彈性屬性，通過從材料庫選擇材料來給零件指派材料。由于上橫梁承受重量大，上橫梁主體會受到較大的壓力和拉應(yīng)力，所以上橫梁材料選擇普通碳鋼。但在用Solidworks Simulation對上橫梁進行應(yīng)力分析時，由于材料庫沒有這一材料，因此選擇近似的材料碳鋼，具體選擇如下圖3-3所示。 圖3-3 材料選取 3.6.3 添加夾具 在夾具選項卡中，可以定義固定約束。每個約束可以包含多個面。受約束的面在所有方向都受到約束。必須至少約束零件的一個面，以防由于剛性實體運動而導(dǎo)致分析失敗。在對上橫梁主體進行應(yīng)力分析前，首先要確定其夾具固定的部分。如圖3-4所示，選擇上橫梁兩導(dǎo)桿安裝孔為固定端，即模擬夾具夾住上橫梁兩孔部分。 圖3-4 添加夾具 3.6.4 施加載荷 上橫梁我們設(shè)定載荷為120KG，即為1200N。在載荷選項卡上，可以應(yīng)用力和壓力載荷至模型的面，可以應(yīng)用多個力至單個或多個面。由上橫梁實際工況得出其受力情況見圖3-5 圖3-5 上橫梁豎直方向施加載荷 3.6.5 生成網(wǎng)格 接下來需對上橫梁劃分網(wǎng)格。實體模型的網(wǎng)格化由兩個基本階段組成。在第一階段，網(wǎng)格器將節(jié)放置于邊界上，此階段稱為曲面網(wǎng)格化。如果第一個階段成功，網(wǎng)格程序開始第二個階段，將在內(nèi)部生成節(jié)，以四面單元填充體積，并將中側(cè)節(jié)放置于邊線上。在實際操作中，我們先要選擇網(wǎng)格的參數(shù)，如圖3-6所示，將網(wǎng)格密度設(shè)置為良好。選擇好網(wǎng)格參數(shù)之后，對上橫梁模型生成定義的網(wǎng)格。 圖3-6 上橫梁網(wǎng)格化 3.6.6 運算求解 網(wǎng)格化參數(shù)后點擊運行，軟件開始自動對算例進行計算分析，求解過程如下圖3-6所示。 圖3-7運行算例分析 當(dāng)運行結(jié)束后，就可以得到上橫梁模型應(yīng)力、應(yīng)變、位移和安全系數(shù)等各項參數(shù)的有限元分析結(jié)果。 3.6.7 分析結(jié)果輸出 Simulation的結(jié)果選項卡中生成的圖解可以生動形象的表現(xiàn)出上橫梁各部位的應(yīng)力—應(yīng)變情況、位移情況及安全系數(shù)情況，如圖3-8所示。結(jié)果選項卡的第一個屏幕顯示上橫梁所有位置的最小安全系數(shù)。標(biāo)準(zhǔn)工程規(guī)則通常要求安全系數(shù)為 1.5 或更大。對于給定的最小安全系數(shù)，Simulation程序會將可能的安全與非安全區(qū)域分別繪成藍色與紅色。上橫梁主體部分有限元分析的應(yīng)力、位移、應(yīng)變及安全系數(shù)分布云圖如圖3-9至3-12所示。 圖3-7 輸出結(jié)果 圖3-9 安全系數(shù) 圖3-10 位移分布圖 圖3-11 應(yīng)變分布圖 圖3-12 應(yīng)力分布圖 由圖3-9可知，上橫梁在工況載荷下，施加載荷時候的最小安全系數(shù)是1.26，。根據(jù)圖3-12所示，上橫梁的屈服力大約為220MPA，而所用材料的抗拉強度為490MPA，完全符合設(shè)計要求。 其它橫梁結(jié)構(gòu)都采用有限元分析發(fā)分析，這里就不一一介紹。 3.7 其他零件的設(shè)計 對于其他零件的設(shè)計，如海綿防護體，坐墊及靠墊，這些均通過工廠定做，這些東西設(shè)計尺寸要求不是很高，只要使鍛煉者感覺到舒服就可以了，墊子選用黑色，并用螺栓或螺釘與支架連接，其中鋼絲繩的長度具體由安裝時確定。 第四章 健身器三維造型的設(shè)計 4.1 Solidworks軟件簡介 首先我要對Solidworks進行介紹一下，它是一種先進的，智能化的參變量式CAD設(shè)計軟件，在業(yè)界被稱為“3D機械設(shè)計方案的領(lǐng)先者”，易學(xué)易用，界面友好，功能強大，在機械制圖和結(jié)構(gòu)設(shè)計領(lǐng)域，掌握和使用Solidworks已經(jīng)成為最基本的技能之一。 與傳統(tǒng)的2D機械制圖相比，參變量式CAD設(shè)計軟件具有許多優(yōu)越性，是當(dāng)代機械制圖設(shè)計軟件的主流和發(fā)展方向。傳統(tǒng)的CAD設(shè)計通常是按照一定的比例關(guān)系，從正視，側(cè)視，俯視等角度，根據(jù)投影，透視效果逐步繪出所需要的各個單元，然后標(biāo)注相應(yīng)尺寸，這就要求制圖和看圖人員都必須具備良好的繪圖和三維空間想象能力。如果標(biāo)注尺寸發(fā)生變化，幾何圖形的尺寸不會同步變更；如果改變了幾何圖行，其標(biāo)注尺寸也不會發(fā)生變化，還要重新繪制，標(biāo)注，因此繪圖工作相當(dāng)繁重。 參變量式CAD設(shè)計軟件，是參數(shù)式和變量式的統(tǒng)稱。在繪制完草圖后，可以加入尺寸等數(shù)值限制條件和其他幾何限制條件，讓草圖進入完全定義狀態(tài)，這就是參數(shù)式模式。由于軟件自動加入了關(guān)聯(lián)屬性，如果修改了標(biāo)注尺寸，幾何圖形的尺寸就會同步更新。也可以暫時不充分的限制條件，讓草圖處于欠定義狀態(tài)，這就是變量式操作模態(tài)。 美國Solid Works公司是一家專門從事開發(fā)三維機械設(shè)計軟件的高科技公司，公司宗旨是使每位設(shè)計工程師都能在自己的微機上使用功能強大的世界最新CAD/CAE/CAM/PDM系統(tǒng)，公司主導(dǎo)產(chǎn)品是世界領(lǐng)先水平的Solid Works軟件。 90年代初，國際微機市場發(fā)生了根本性的變化，微機性能大幅提高，而價格一路下滑，微機卓越的性能足以運行三維CAD軟件。為了開發(fā)世界空白的基于微機平臺的三維CAD系統(tǒng)，1993年P(guān)TC公司的技術(shù)副總裁與CV公司的副總裁成立SolidWorks公司，并于1995年成功推出了SolidWorks軟件，引起世界相關(guān)領(lǐng)域的一片贊嘆。在SolidWorks軟件的促動下，1998年開始，國內(nèi)、外也陸續(xù)推出了相關(guān)軟件；原來運行在UNIX操作系統(tǒng)的工作站CAD軟件，也從1999年開始，將其程序移植到Windows操作系統(tǒng)中。 由于SolidWorks出色的技術(shù)和市場表現(xiàn)，不僅成為CAD行業(yè)的一顆耀眼的明星，也成為華爾街青睞的對象。終于在1997年由法國達索公司以三億一千萬的高額市值將SolidWorks全資并購。公司原來的風(fēng)險投資商和股東，以原來一千三百萬美元的風(fēng)險投資，獲得了高額的回報，創(chuàng)造了CAD行業(yè)的世界紀(jì)錄。并購后的SolidWorks以原來的品牌和管理技術(shù)隊伍繼續(xù)獨立運作，成為CAD行業(yè)一家高素質(zhì)的專業(yè)化公司。 功能描述 （1） Top?Down(自頂向下)的設(shè)計 （2） Down?Top?(自下向上)的設(shè)計 （3） 配置管理 （4） 易用性及對傳統(tǒng)數(shù)據(jù)格式的支持 （5） 零部件鏡像 （6） 裝配特征 （7） 工程圖 （8） eDrawing Solidworks模形由零件，裝配體和工程圖等文件組成，沒有生成零件之前的圖紙稱為草圖。由2D，3D草圖直接生成3D模形和工程圖時，如果修改了草圖的標(biāo)注尺寸，其3D模形和工程圖會同步更新；相反，如果修改了工程圖的標(biāo)注尺寸，其3D模形和草圖也會同步更新。軟件使用起來非常方便，大大減少了設(shè)計人員的工作量，提高了工作效率。 通常，從打開一個零件文件或建立一個新零件文件開始，繪制草圖、生成基體特征、然后在模型上添加更多的特征，生成零件。也可以從其他軟件導(dǎo)入曲面或幾何實體開始，編輯特征，生成零件和裝配體工程圖。這是常用的設(shè)計方法，也就是自下而上的設(shè)計方法。 草圖繪制從零件文件開始，對于一個新的產(chǎn)品設(shè)計，要首先建立零件文件。 由于零件、裝配體及工程圖的相關(guān)性，所以當(dāng)其中一個視圖改變時，其他兩個視圖也會自動改變。 SolidWorks2012允許自定義功能,選擇菜單欄中的“工具”-“選擇”命令,可以顯示.定義”系統(tǒng)選項”和”文件屬性”選項卡. SolidWorks2012可以自動保存工作.自動恢復(fù)功能可以自動保存零件,裝配體或工程圖文件的信息,在系統(tǒng)死機時不會丟失數(shù)據(jù).如果設(shè)定此選項,則選擇”工具”_”選項”菜單命令.在”系統(tǒng)選項”選項卡上,單擊”備份”選項,選擇”每(n)次更改后,自動恢復(fù)信息”復(fù)選框,然后設(shè)定信息自動保存前應(yīng)發(fā)生的變更次數(shù). SolidWorks2012具有很強的文件交換功能,可以輸入,輸出數(shù)十種文件格式,可以與AutoCAD，pro/ENGINEER,Solid Edge,CAM等軟件很方便地進行文件交換。 SolidWorks2012在草圖繪制模式及工程圖中提供顯示網(wǎng)格線和捕捉網(wǎng)格線功能?？蓪⒕W(wǎng)格線與模型邊線對齊，還可捕捉到角度。網(wǎng)格線和捕捉功能在SolidWorks2012中不太使用，因為SolidWorks是參變量軟件，尺寸和幾何關(guān)系已提供了所需的精度。 4.2 零件建模 4.2.1上橫梁三維建模的形成 在SolidWorks中，上橫梁的形成比較容易實現(xiàn)，通過拉伸、旋轉(zhuǎn)抽殼等指令，上橫梁的三維模型如圖4-1所示。 圖4-1 上橫梁三維圖 4.2.2 配重的三維建模形成 由于配重的三維模型比較復(fù)雜，運用了拉伸，切除，圓角，等特征，形成配重的三維模型。如圖4-2所示 圖4-2 配重三維圖 4.2.3其他零件的三維模型造型 另外，SolidWorks里toolbox里包含了各種傳動件，螺栓，螺母，螺釘，軸承等數(shù)據(jù)，可直接調(diào)用輸入自己參數(shù)即可。 軸承的建模，從toolbox中選擇軸承，滾動軸承如圖4-3所示 圖4-3 添加軸承 由于背拉桿的三維模型比較復(fù)雜，運用了拉伸，，圓角，旋轉(zhuǎn)切除等特征，形成背拉桿的三維模型。如圖4-4所示 圖4-4 背拉桿的三維建模 其它零部件的三維建模這里就不一一描述 4.3零件裝配 零件設(shè)計好了，可以將其在組建模式下通過一定的方式組合在一起，從而造成一個組件或完整產(chǎn)品模型。 零件裝配需要在專門的組件設(shè)計模式下進行。在SolidWorks2012 中，可以按照以下步驟來創(chuàng)建一個組件設(shè)計文件： 單擊新建按鈕，打開“新建”對話框。 在“類型”選項組中選擇“組件”單選按鈕，在“子類型”選項組中尋則“設(shè)計”單選按鈕，在“名稱”文本框中輸入組件名稱，清除“使用缺省模板”復(fù)選框，然后單擊“確定”按鈕。 彈出“新建文件選項”對話框。從“模板”選項組的列表框中選擇“mmns _SLDASM_design”，單擊“確定”按鈕。 在組件設(shè)計中（裝配設(shè)計），主要有兩種主流設(shè)計思路，即自底向上設(shè)計和自頂而下設(shè)計。通俗一點而言，前者是將已設(shè)計好的零部件按照一定的裝配方式添加到裝配體中；而后者則是從頂層的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)著手，由頂層的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)傳遞設(shè)計規(guī)范到所有相關(guān)子系統(tǒng)，從而有利于高效地對整個設(shè)計流程項目進行協(xié)作管理。 在組件設(shè)計模式下，系統(tǒng)允許采用多種方法將元件添加到組件，包括使用放置定義集（簡稱約束集）和使用元件界面自動放置等。通常元件放置根據(jù)放置定義集而定，這些集合決定了元件與組件的相關(guān)方式及位置，這些集既可以是由用戶定義的，也可以是預(yù)定義的。用戶定義的約束集含有0個或多個約束；預(yù)定義約束集（也叫連接）具有預(yù)定義數(shù)目的約束。 約束放置是較為常用的裝配方式。在 SolidWorks2012元件放置操控板的約束列表框中，提供了多種放置約束的類型選項，包括缺省、固定、曲面上的邊、曲面上的點、直線上的點、相切、坐標(biāo)系、插入、匹配、對其、和自動。 在使用約束放置選項時，需要注意約束放置的一般原則及注意事項。例如，“匹配”約束或“對齊”約束的一組參照的類型要相同（平面對平面、旋轉(zhuǎn)對旋轉(zhuǎn)、點對點、軸對軸）；一次只能添加一個也是，譬如不能使用一個單一的“匹配”約束選項將一個零件上的兩個不同的平面與另一個零件上的兩個不同的平面配對，二必須定義兩個單獨的“匹配”約束；元件的裝配需要定義放置約束集，放置約束集由若干個放置約束構(gòu)成，用來組合定義元件的放置和方向。 裝配通過一個中心線重合，面重合或給定距離來配合圓弧曲面的零件。首先進行部裝，在得到健身器的裝配圖，總裝配圖見下圖4-5，4-6所示： 圖4-5 健身器三維裝配體 圖4-6 健身器三維裝配體2 4.4三維向二維的轉(zhuǎn)換 SolidWorks作為一套功能強大的計算機輔助繪圖和設(shè)計軟件，可以建立零件的三維實體圖，三維裝配體圖及二維工程圖，且大多數(shù)生產(chǎn)一線的工程技術(shù)人員對二維繪圖軟件，如autocad，caxa電子圖版，等更加熟悉，而且二維軟件在繪制，尤其是標(biāo)注裝配體，零件圖時，具有獨特的優(yōu)勢。所以，充分利用SolidWorks和二維圖之間的轉(zhuǎn)換，把SolidWorks自動生成的工程視圖與二維軟件的標(biāo)注結(jié)合起來，達到“以二維之長補三維之短”的目的。一下是三維建模生成二維工程圖的詳細過程。 在SolidWorks中生成二維工程圖。在SolidWorks中的新建模板中，新建一個工程圖模板，打開工程圖工具條，在工程圖工具條中點擊“新建”按鈕，并在作圖區(qū)域中單擊右鍵，“從文件中選擇”，確認(rèn)要生成工程圖的三維模型，并選擇要形成工程圖的視圖方向；在繪制區(qū)域內(nèi)單擊左鍵，以確定圖形位置，單擊“確定，完成工程圖的繪制，并將其保存為“dwg/dxf”格式的文件。如圖4-7所示 圖4-7新建工程 選用標(biāo)準(zhǔn)圖紙，或自定義圖紙大小，如圖4-8所示 圖4-8 選擇圖紙 打開需要生成工程圖的零件，并將其拖入此工程圖。左鍵確定位置，繼續(xù)移動鼠標(biāo)，會顯示鼠標(biāo)移動方向的視圖。從而確定所需工程圖，如圖4-9所示。 圖4-9 工程圖創(chuàng)建 此外，還可通過上方的工具來分析剖視圖。也可標(biāo)注此裝配體的零件及其名稱。因此圖還將在CAD中修改，故在此未標(biāo)注零件序號及名稱。 第五章 健身器材的仿真 5.1機構(gòu)仿真的作用 利用SOLIDWORKS軟件建立的機械系統(tǒng)的三維模型和力學(xué)模型， 在計算機上創(chuàng)建機械產(chǎn)品的電子樣機，并對該產(chǎn)品在投入使用后的各種工況進行仿真分析，預(yù)測產(chǎn)品的整體性能，在預(yù)測分析過程中發(fā)現(xiàn)問題，進而改進產(chǎn)品的設(shè)計，直至獲得最佳設(shè)計方案。 5.2機構(gòu)仿真類型 1、運動學(xué)仿真。 2、動力學(xué)仿真。 3、控制理論仿真。 5.3機構(gòu)運動仿真步驟 1、創(chuàng)建零件模型。使用各種特征創(chuàng)建工具創(chuàng)建模型。 2、組裝零件模型。使用裝配命令，組裝零件模型，生成連接。 3、運動仿真設(shè)置。按產(chǎn)品要求進行運動定義。 4、仿真結(jié)果分析。對仿真結(jié)果進行分析保存。 5.4 機構(gòu)功能 1、 打開裝配體，在界面中單擊動畫1，將所有時間歸零，如圖5-1所示，然后界定時間。 圖5-1 動畫選項 2、單擊動畫彈出“分析”對話框→點擊“新建”→接受默認(rèn)的名稱→選擇分析類型為“運動學(xué)”→輸入運行時間為20→接受下面所有默認(rèn)的選項→點擊“運行”→運行完后確定→回到“分析”對話框→關(guān)閉。 3、點擊進入“回放”對話框→繼續(xù)按→彈出“動畫”對話框→按播放，察看運動情況 4、最后對機構(gòu)運動進行保存。 5.5 本章小結(jié) 本章主要利用SOLIDWORKS2012中動畫仿真功能，完成健身器材的動畫仿真，動畫仿真能夠更加直觀的了解機構(gòu)的工作過程。 第六章 結(jié)論 6.1 本論文所取得的結(jié)果 1、完成了健身器了本體結(jié)構(gòu)方案設(shè)計。 2、根據(jù)健身器的設(shè)計要求完成了健身器整體方案的設(shè)計 3、最后，運動三維軟件SOLIDWORKS完成整體的三維裝配。 4、完成健身器材的動畫仿真。 6.2 技術(shù)展望 此次多功能健身器的設(shè)計不僅重溫了過去所學(xué)知識，而且學(xué)到了很多新的內(nèi)容。相信這次畢業(yè)設(shè)計對我今后的工作會有一定的幫助。所以，我很用心的把它完成。在設(shè)計中體味艱辛，在艱辛中體味快樂。 通過本次設(shè)計我可以更加系統(tǒng)的了解多功能健身器方面的知識；能夠加強多功能健身器結(jié)構(gòu)設(shè)計能夠加強多功能健身器功能部件的選型和設(shè)計計算；能夠加強多功能健身器的方法和理論；能夠檢驗自己能否將四年學(xué)習(xí)的理論知識轉(zhuǎn)化為實際應(yīng)用；能夠培養(yǎng)自己自學(xué)和與人合作的能力。 這次設(shè)計不但鍛煉我的思維能力，還鍛煉我的查閱資料獲取有用信息的能力，通過繪制設(shè)計圖紙，使我熟練的掌握了CAD和SOLIDWORKS繪圖軟件的使用，我把自己的理論用到實際當(dāng)中去，在設(shè)計過程當(dāng)中遇到的各種困難，我通過思考和咨詢同學(xué)和全老師獲得了多解決問題的方法和方式。 畢業(yè)設(shè)計的過程是艱辛的，解決問題的過程是快樂的，成長過程是痛苦的，我相信只要我們保持嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)習(xí)態(tài)度，我一定能夠成長起來。  參考文獻 [1] 熊濱生. 現(xiàn)代機械機構(gòu)設(shè)計. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004 [2] 張曉玲，沈韶華. 實用機構(gòu)設(shè)計分析. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2005 [3] 吳宗澤. 機械設(shè)計實用手冊. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004，773-779，2626-2627 [4] 成大先. 機械設(shè)計手冊. 第四版第五卷. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005， [5] 吳宗澤. 機械設(shè)計師手冊（下冊). 北京：機械工業(yè)出版社，2004，1309-1317 [6] 程友聯(lián). 機械原理．北京：中國農(nóng)業(yè)出版社，2007，136-137 [7] 孫桓，陳作模，葛文杰. 機械原理．北京：高等教育出版社，2001，240-244 [8] 徐灝. 機械設(shè)計手冊第二版第三卷. 北京：機械工業(yè)出版社，2000，26-5 [9] 濮良貴，紀(jì)名剛. 機械設(shè)計第七版. 北京：高等教育出版社，2001，390-402 [10] 陸玉，何在洲，佟庭偉. 機械設(shè)計課程設(shè)計. 北京：機械工業(yè)出版社，2000，126-127 [11] 曹國安，畢寶慶，沈維蕾，等. 機械設(shè)計與制造. 北京：機械工業(yè)出版社 2001，39-40 [12] 周偉平. 機械制造技術(shù). 武漢：華中科技大學(xué)出版社，2002，84-103 [13]王賢坤，機械CAD/CAM技術(shù)、應(yīng)用與開發(fā).北京:機械工業(yè)出版社，2000. 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