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仿真工具已经越来越广泛地集成到产品的设计阶段。基于刚体动力学的Inventor运动仿真模块为广大产品设计人员所采用。本文在对该模块的功能进行简单介绍的基础之上，采用一个凸轮顶杆机构作为案例，将基于动量守恒定律的理论值与软件模拟计算值进行对比，验证了该模块的可靠性和实用性。
Autodesk是世界领先的设计软件和数字内容创建公司，用于建筑设计、土地资源开发、生产、公用设施、通信、媒体和娱乐。Autodesk于2005年收购了Solid Dynamics，并将其移植到Inventor 环境中，同时在Inventor环境中命名为 Dynamic Simulation。有了这样的仿真设计就不需要用在设计阶段去大量构建物理模型了。接下来，我们向大家介绍Inventor Dynamic Simulation（运动仿真）的基本用法。
一、功能介绍
运动仿真是基于运动学、动力学、固体力学和机械工程学等多门学科的综合应用。
1. 连接
在运动仿真中，机构装置的运动是由零件和子装配通过连接来定义运动机理的。连接是一个装配中构件（零件或子部件）之间的关系。它确定在一个机理中构件相互之间如何运动或者相互作用。在Inventor中，提供了非常丰富的连接库，除自动转换装配约束标准连接外，用户可以手动产生基于连接库中的类型连接。具体的连接类型有：标准连接；滚动（传动）连接；滚动连接；二维接触连接和力连接。
2.驱动
机理由连接建起来后，机理的运动方式也就定义好了。接下来，我们开始定义驱动条件。在实际工程机构中，机理的运动或者驱动因素可以有很多种，常见的有机械的电动的等等。而机理是否运动，运动的快慢、运动的时间长短等，是由机理受到的外界作用和连接的物理性质等因素共同决定的。我们可以通过下面两个方式来定义仿真环境的驱动力。
（1）在连接特性中定义物理力学参数。
（2）对整个机构施加重力和对构件施加外力。
如前所述，一个连接的自由度的数量取决于连接类型。连接的特性对话框用单独的选项卡列出每个自由度，显示在选项卡的界面中，用户可以定义：编辑初始条件、编辑连接的力矩或力，以及编辑驱动条件。
在设置驱动条件的时候，我们会用到一个功能非常强大的工具——输入显示器。一般情况下，变量随时间而变化，因此，变量通常定义为时间的函数。力或力矩除了可以定义为时间的函数外，还可以定义为其他参考变量的函数。
3.仿真结果
在一个机构构建好后，用户就可以进行仿真计算了，在机理的整个运动过程会显示在图形窗口中，展示设计的机构或装置是如何工作的，在运动过程中各个部件在三维空间中是否有冲突或者干涉，输入功率是否能产生需要的输出，等等。对机理及各个部件更进一步的分析就需要定量的数据，如某一特定部件在某一时间的速度是多少，某一部件在整个运动过程中最大的受力是多少，在一个转动轴上的摩擦对传动的影响等。所有这些与运动相关的量，他们的数据在运动中产生了，并列在输出图示器中。
4.运动机构中的有限元分析
如果设计的机构处于静态，就需要使用应力分析对设计强度、形变等进行校核。如果设计的机构是通过一个运动机理来实现其功能的，就可以使用运动仿真对设计进行校核和分析，也可以根据运动仿真的结果进一步改进设计。具体的步骤如下。
（1）在运动仿真中设置运动机构和载荷。
（2）在运动仿真中计算出相应的运动学载荷。
（3）把相应的参数导入到应力分析中。
（4）在应力分析中得出机构的应力载荷。
二、模型工况和计算
下面我们针对如图1所示的凸轮机构进行运动仿真分析。
模型名称：凸轮顶杆机构。
模型组件：凸轮（Cam：1），连杆（Bar：1），滚轮（Wheel：1）和基板（Base：1）。
主要输出校验： 顶杆接触时间和加速度。
1.工况简介（图2）
连杆的重量：mp=0.2kg。
滚轮的重量：mw=0.1kg。
力：F=10N。
凸轮的角速度：ω=360deg/s。
凸轮和连杆的距离：l=20mm。
2.理论计算
动量守恒定律：
（（mp+mw）vp1+mcvc1）Re=mpvp2+mcvc2
其中： mp表示凸轮重量； vp 1为碰撞前连杆的速度； vc1为碰撞前凸轮的速度； vc1=0；vp2为碰撞后连杆的速度； vc2为碰撞后凸轮的速度； vc2=0；Re为回弹系数； Re =8。
因此：vc2=0.8vc1。
所以得出结论：
然后连杆会弹起来，公式如下：
连杆的加速度：
因此，第一次接触发生的时间在：
第二次接触发生在：
3.软件模拟计算
（1）软件设置步骤。
①设置支撑杆和滚轮重量。
在运动仿真的环境中：在浏览器里选择“Bar：1”，并点击右键，然后选择“实体特性”。在“Bar：1”窗口中选择“手动”并在“质量”中设置“0.2kg”。具体如图3所示，并用同样的方法设置滚轮的重量。
②插入运动类型。
在运动仿真的环境中：依次选择“运动仿真”选项卡 “运动类型”面板 “插入运动类型” ，或在“运动仿真”浏览器中，在运动类型上单击鼠标右键并从关联菜单中选择 “编辑”以编辑运动类型。
在“插入运动类型”窗口中，选择运动类型，并选择相对应的零部件1和零部件2（图4）。
依次建立如下连接：
◎铰链（旋转）运动2：连杆和轮1。
◎平移1：连杆和基板。
◎铰链（旋转）运动1：凸轮和基板。
◎传动：凸轮和滚轮1。
③设置驱动及外部载荷。
在功能区上，单击“运动仿真”选项卡
“载荷”面板“力” 或者“转矩”（图5）。
在这里，设置10N沿Y轴负方向的力F=10N。
在运动仿真浏览器中，在标准运动类型上选择“平移：3”单击鼠标右键，并选择“特性”。如下图所示，在“自由度1”中设置初始位置：初始位置是20mm（具体设置需要根据实际情况而定，该模型根据设置条件进行过微调）。
接下来选择“铰链（旋转）运动：1”单击鼠标右键，并选择“特性”设置驱动条件。如下图所示，在“自由度1”中驱动条件：转动速度360度/秒（图6）。
创建由Cam：1和Wheel：1组成的2D Contact运动类型，然后右键打开“特性”设置恢复系数为0.8（默认情况下是0.8）。
Re为恢复系数，Re =0.8 （图7）。
完成以上设置后，我们就开始使用仿真播放器进行运算分析，并可以实时播放运算的结果。
（2）计算结果。
当计算完成后，我们打开“运动仿真”面板 “结果” “输出图示器”。在这个图示器中，我们可以查看我们需要的分析结果。
①位移（图8）。
②加速度（图9）。
三、结语
本文采用了一个凸轮模型进行分析。在使用相同的载荷条件下，进行根据动量守恒定律的手动计算的结果和在Inventor中的运动仿真的计算的结果对比，验证了软件计算的准确性。说明了在数字化设计中，软件的计算分析有着非常重要的地位。所以，用三维软件加分析软件进行开发具有加快设计速度，节约设计成本，精确性非常高的优点。
如果读者对文中提到的例子感兴趣，可以通过邮件联系我们（mfg.usergroup.china@autodesk.com）。
Autodesk是世界领先的设计软件和数字内容创建公司，用于建筑设计、土地资源开发、生产、公用设施、通信、媒体和娱乐。Autodesk于2005年收购了Solid Dynamics，并将其移植到Inventor 环境中，同时在Inventor环境中命名为 Dynamic Simulation。有了这样的仿真设计就不需要用在设计阶段去大量构建物理模型了。接下来，我们向大家介绍Inventor Dynamic Simulation（运动仿真）的基本用法。
一、功能介绍
运动仿真是基于运动学、动力学、固体力学和机械工程学等多门学科的综合应用。
1. 连接
在运动仿真中，机构装置的运动是由零件和子装配通过连接来定义运动机理的。连接是一个装配中构件（零件或子部件）之间的关系。它确定在一个机理中构件相互之间如何运动或者相互作用。在Inventor中，提供了非常丰富的连接库，除自动转换装配约束标准连接外，用户可以手动产生基于连接库中的类型连接。具体的连接类型有：标准连接；滚动（传动）连接；滚动连接；二维接触连接和力连接。
2.驱动
机理由连接建起来后，机理的运动方式也就定义好了。接下来，我们开始定义驱动条件。在实际工程机构中，机理的运动或者驱动因素可以有很多种，常见的有机械的电动的等等。而机理是否运动，运动的快慢、运动的时间长短等，是由机理受到的外界作用和连接的物理性质等因素共同决定的。我们可以通过下面两个方式来定义仿真环境的驱动力。
（1）在连接特性中定义物理力学参数。
（2）对整个机构施加重力和对构件施加外力。
如前所述，一个连接的自由度的数量取决于连接类型。连接的特性对话框用单独的选项卡列出每个自由度，显示在选项卡的界面中，用户可以定义：编辑初始条件、编辑连接的力矩或力，以及编辑驱动条件。
在设置驱动条件的时候，我们会用到一个功能非常强大的工具——输入显示器。一般情况下，变量随时间而变化，因此，变量通常定义为时间的函数。力或力矩除了可以定义为时间的函数外，还可以定义为其他参考变量的函数。
3.仿真结果
在一个机构构建好后，用户就可以进行仿真计算了，在机理的整个运动过程会显示在图形窗口中，展示设计的机构或装置是如何工作的，在运动过程中各个部件在三维空间中是否有冲突或者干涉，输入功率是否能产生需要的输出，等等。对机理及各个部件更进一步的分析就需要定量的数据，如某一特定部件在某一时间的速度是多少，某一部件在整个运动过程中最大的受力是多少，在一个转动轴上的摩擦对传动的影响等。所有这些与运动相关的量，他们的数据在运动中产生了，并列在输出图示器中。
4.运动机构中的有限元分析
如果设计的机构处于静态，就需要使用应力分析对设计强度、形变等进行校核。如果设计的机构是通过一个运动机理来实现其功能的，就可以使用运动仿真对设计进行校核和分析，也可以根据运动仿真的结果进一步改进设计。具体的步骤如下。
（1）在运动仿真中设置运动机构和载荷。
（2）在运动仿真中计算出相应的运动学载荷。
（3）把相应的参数导入到应力分析中。
（4）在应力分析中得出机构的应力载荷。
二、模型工况和计算
下面我们针对如图1所示的凸轮机构进行运动仿真分析。
模型名称：凸轮顶杆机构。
模型组件：凸轮（Cam：1），连杆（Bar：1），滚轮（Wheel：1）和基板（Base：1）。
主要输出校验： 顶杆接触时间和加速度。
1.工况简介（图2）
连杆的重量：mp=0.2kg。
滚轮的重量：mw=0.1kg。
力：F=10N。
凸轮的角速度：ω=360deg/s。
凸轮和连杆的距离：l=20mm。
2.理论计算
动量守恒定律：
（（mp+mw）vp1+mcvc1）Re=mpvp2+mcvc2
其中： mp表示凸轮重量； vp 1为碰撞前连杆的速度； vc1为碰撞前凸轮的速度； vc1=0；vp2为碰撞后连杆的速度； vc2为碰撞后凸轮的速度； vc2=0；Re为回弹系数； Re =8。
因此：vc2=0.8vc1。
所以得出结论：
然后连杆会弹起来，公式如下：
连杆的加速度：
因此，第一次接触发生的时间在：
第二次接触发生在：
3.软件模拟计算
（1）软件设置步骤。
①设置支撑杆和滚轮重量。
在运动仿真的环境中：在浏览器里选择“Bar：1”，并点击右键，然后选择“实体特性”。在“Bar：1”窗口中选择“手动”并在“质量”中设置“0.2kg”。具体如图3所示，并用同样的方法设置滚轮的重量。
②插入运动类型。
在运动仿真的环境中：依次选择“运动仿真”选项卡 “运动类型”面板 “插入运动类型” ，或在“运动仿真”浏览器中，在运动类型上单击鼠标右键并从关联菜单中选择 “编辑”以编辑运动类型。
在“插入运动类型”窗口中，选择运动类型，并选择相对应的零部件1和零部件2（图4）。
依次建立如下连接：
◎铰链（旋转）运动2：连杆和轮1。
◎平移1：连杆和基板。
◎铰链（旋转）运动1：凸轮和基板。
◎传动：凸轮和滚轮1。
③设置驱动及外部载荷。
在功能区上，单击“运动仿真”选项卡
“载荷”面板“力” 或者“转矩”（图5）。
在这里，设置10N沿Y轴负方向的力F=10N。
在运动仿真浏览器中，在标准运动类型上选择“平移：3”单击鼠标右键，并选择“特性”。如下图所示，在“自由度1”中设置初始位置：初始位置是20mm（具体设置需要根据实际情况而定，该模型根据设置条件进行过微调）。
接下来选择“铰链（旋转）运动：1”单击鼠标右键，并选择“特性”设置驱动条件。如下图所示，在“自由度1”中驱动条件：转动速度360度/秒（图6）。
创建由Cam：1和Wheel：1组成的2D Contact运动类型，然后右键打开“特性”设置恢复系数为0.8（默认情况下是0.8）。
Re为恢复系数，Re =0.8 （图7）。
完成以上设置后，我们就开始使用仿真播放器进行运算分析，并可以实时播放运算的结果。
（2）计算结果。
当计算完成后，我们打开“运动仿真”面板 “结果” “输出图示器”。在这个图示器中，我们可以查看我们需要的分析结果。
①位移（图8）。
②加速度（图9）。
三、结语
本文采用了一个凸轮模型进行分析。在使用相同的载荷条件下，进行根据动量守恒定律的手动计算的结果和在Inventor中的运动仿真的计算的结果对比，验证了软件计算的准确性。说明了在数字化设计中，软件的计算分析有着非常重要的地位。所以，用三维软件加分析软件进行开发具有加快设计速度，节约设计成本，精确性非常高的优点。
如果读者对文中提到的例子感兴趣，可以通过邮件联系我们（mfg.usergroup.china@autodesk.com）。