曲柄滑块机构计算机动力学仿真 (1999年)

曲柄滑块机构的计算机动力学仿真是一种利用计算机技术模拟机械运动规律和分析机械性能的方法。曲柄滑块机构作为柴油机、压缩机等设备的核心部分，其运转过程中会出现周期性变化的生产阻力和原动力，以及由于自身惯性力的影响而产生速度波动，这种波动是机械振动的源头。为了减轻速度波动，传统设计方法是通过添加飞轮以调节速度。飞轮的转动惯量大小通常由速度不均匀系数决定，该系数是衡量机械速度波动的关键指标，不同的机械设备有不同的标准值。 在以往的设计中，飞轮设计方法往往需要复杂的计算过程，且无法有效验证计算结果。文章提出的计算机动力学仿真方法，通过建立曲柄滑块机构的动力学数学模型，并在该模型基础上开发出适用于Windows 95操作系统的动力学仿真软件，能够直观、快速地完成飞轮设计，并模拟飞轮对机器速度波动的调节作用。仿真软件能够展示机器的运动规律，验证飞轮转动惯量的设计是否合理。 在数学模型的建立中，作者将曲柄滑块机构简化为一个等效模型，将所有构件的质量、转动惯量和作用力等效到曲柄上。使用功能原理，作者导出了一组非线性微分方程，并通过数值解法（如差分法和迭代法）得到曲柄转动角速度的计算方法。这些计算方法能够得到机构在不同工作条件下的真实运动规律。 软件的设计采用了Visual FoxPro 5.0这一新一代计算机语言，利用其强大的控件功能，大大提高了人机交互界面设计的效率，并使得界面更为美观。软件的设计以动力学仿真问题作为一个对象(object)，将机构参数作为特性(propertie)，通过事件驱动的方式实现飞轮转动惯量、速度不均匀系数和速度波动的实时联动。 软件的操作流程是：首先通过人机交互界面录入机构参数、原动力数据文件和生产阻力数据文件。确认后，程序进入动力学仿真阶段，并在仿真界面上展示飞轮转动惯量为零时的机器速度波动图。用户可以通过调整飞轮转动惯量按钮，观察速度不均匀系数的变化以及飞轮对机器速度波动的调节效果。 此外，该软件不仅可以用于飞轮的设计，还能作为教学软件，直观地向学生展示飞轮的调速原理和效果。软件设计使得用户能够通过简单操作，快捷地完成动力学分析和设计工作，极大地提高了设计效率和精确度。 计算机动力学仿真技术的应用，改变了传统的机械设计方法，使得复杂机械系统的动力学分析和设计变得更加直观、高效，这不仅缩短了产品开发周期，降低了研发成本，还提高了产品的性能和可靠性。随着计算机技术的不断进步，动力学仿真技术将在机械设计领域发挥越来越重要的作用。