基于MNF文件的柔性體云圖動畫的實現(xiàn)

1、基于mnf文件的柔性體云圖動畫的實現(xiàn)摘要：針對國內(nèi)擁有自主知識產(chǎn)權的多領域仿 真系統(tǒng)中柔性體仿真功能較弱的問題，基于浮動坐標 法，采用mnf文件，在多領域系統(tǒng)建模與仿真平臺 mworks上，借助acis和hoops圖形引擎，實現(xiàn)柔性 體三維云圖動畫顯示的功能.介紹柔性體仿真系統(tǒng)的 組成以及mnf文件的內(nèi)容與作用，闡述柔性體云圖動 畫實現(xiàn)的幾項關鍵技術，包括幾何模型的創(chuàng)建、模型 數(shù)據(jù)的管理和動畫數(shù)據(jù)的組織等通過機械手的實際 應用證明該方法的有效性.關鍵詞：柔性體；云圖；動畫；mnf文件; 浮動坐標法；多領域仿真；mworks； modelica 中圖分類號：tp391.9文獻標志碼：bimple

2、me ntation of flexible body con tour animati on based on mnf filezhang hehua, xie gang, zhou fanli(suzhou ton gyua n software and con trol tech no logyco., ltd., suzhou 215123, jiangsu, china)abstract： due to the deficiency in the flexible body simulation of the chinese multi-domain simulation syste

3、ms with independent intellectual property rights, based on floating coordinate method, the flexible body 3d con tour an imati on function is impleme nted for multi-domain system and simulation platform mworks by using mnf files and acis and hoops graphic engine. the structure of flexible body simula

4、tion system and the con tent and effect of mnf file are in troduced several key techniques in the development of flexible body con tour an imati on are prese nted, in cludi ng geometric modeling, model data management, animation data organization, and so on. the effectiveness of the method is valida

5、ted by the practical application of robot armkey words： flexible body; con tour; animatio n; mnf file; floating coordinate method; multi-domain simulation; mworks； modelica引言在機械系統(tǒng)虛擬樣機技術中，對于多剛體系統(tǒng)， 無論是理論研究還是工程實際應用，均已比較成熟； 而對于柔性體系統(tǒng)，國外已有相關的商業(yè)化軟件，國 內(nèi)卻發(fā)展緩慢因此，作為國內(nèi)擁有自主知識產(chǎn)權的多 領域統(tǒng)一物理建模與仿真分析平臺mworks 1,除 具備成熟、強

6、大的多領域系統(tǒng)(包含多剛體系統(tǒng))建 模能力外，也應為用戶提供柔性體仿真功能.1柔性體建模理論在柔性體動力學的研究發(fā)展過程中，浮動坐標法 是柔性體系統(tǒng)仿真中應用最廣泛的方法之一.2其 基本思想是將柔性體的運動分解為大范圍的剛性運動 和相對于浮動坐標系的變形運動如圖1所示，g為全 局坐標系，b為柔性體局部坐標系，p為柔性體上任一 節(jié)點.在任意時刻，p的位置為rp=x+sp+up(l)式中：rp 為節(jié)點p相對于全局坐標的位置向量；x為柔性體局 咅坐標系b相對于全局坐標的位置向量；sp為節(jié)點p 相對于柔性體局部坐標系b未變形時的位置；up為節(jié) 點p從未變形位置到變形后位置的變形向量.2柔性體云圖動畫的

7、實現(xiàn)2.1柔性體仿真系統(tǒng)柔性體多體仿真系統(tǒng)由前處理程序和動力學仿真 系統(tǒng)兩部分構成其中，前處理程序借助第三方有限元 軟件；動力學仿真系統(tǒng)采用mworks,它是新一代多 領域物理系統(tǒng)建模、仿真、分析與優(yōu)化的通用cae平 臺，基于多領域統(tǒng)一建模語言規(guī)范modelica 3,提 供從可視化建模、仿真計算到結(jié)果分析的完整功能. 基于mworks和modelica的柔性體動力學仿真流程見 圖2.(1) 前處理程序借助第三方有限元軟件(如ansys, md nastran, abaqus和i-deas等)，對柔性體進行模 態(tài)分析，生成mnf文件.(2) 動力學建模.在mworks平臺上，基于modelic

8、a, 利用mnf文件，建立剛?cè)狁詈隙囿w動力學模型.(3) 編譯求解.先對模型進行編譯，生成方程；再對 方程進行翻譯，生成c代碼；最后執(zhí)行c代碼實現(xiàn)求 解，生成結(jié)果文件.(4) 結(jié)果讀取讀取求解結(jié)果文件，為動畫顯示和曲 線顯示作準備.(5) 動畫顯示.利用mnf文件和結(jié)果文件創(chuàng)建三維 幾何模型，并進行云圖動畫仿真.2.2mnf文件的作用mnf文件是md adams軟件采用的一種文件格式, 用于描述柔性體模態(tài)分析數(shù)據(jù)，目前，主流的有限元 軟件(如 ansys,md nastran 和 abaqus 等)都支持 mnf 文件格式.4 mnf文件是一個獨立于操作平臺的二 進制文件，共包含32個數(shù)據(jù)塊.

9、5在柔性體仿真系 統(tǒng)中，mnf文件的主要作用是：動力學建模從mnf文件中提取節(jié)點坐標 (nodal coordinates)> 柔性體整體屬性(global body properties,包括質(zhì)量、質(zhì)心和慣性張量等)、特征值相 關數(shù)據(jù)(eigenvalues,包括特征值、頻率、廣義質(zhì)量和 廣義剛度等)、模態(tài)振型(mode shapes)、節(jié)點質(zhì)量 (nodal masses)> 節(jié)點慣量(nodal inertias,只有界面點 才擁有該部分數(shù)據(jù))、單位(units)、界面點(interface nodes)以及9個慣性時不變矩陣(invariants 19)等數(shù) 據(jù)，建立基于m

10、odelica表達的剛?cè)狁詈隙囿w動力學模 型.動畫顯示.從mnf文件中提取節(jié)點坐標、有限 元單元面、單位和模態(tài)振型等數(shù)據(jù)，結(jié)合求解結(jié)果文 件中的相關數(shù)據(jù)，建立三維幾何模型，并計算出在各 時間幀處各個柔性體上每個節(jié)點的變形量.變形量的 大小變化直接體現(xiàn)為顏色變化，即形成云圖動畫.2.3云圖動畫的關鍵技術mworks作為一個通用cae平臺，已具備建模、 求解和曲線顯示等功能然而，曲線顯示不能直觀、形 象地反映仿真過程，需耗費人力和時間去分析一大堆 數(shù)據(jù)，而三維動畫正好彌補該缺陷.三維動畫模塊采用 控件形式，可以重復使用，甚至可以在不同的編程語 言之間使用，具有良好的可擴展性.在動畫控件的開發(fā) 過程

11、中，必須解決好以下3個問題：（1）幾何模型的創(chuàng) 建；模型數(shù)據(jù)的管理；（3）動畫數(shù)據(jù)的組織.2.3.1幾何模型的創(chuàng)建acis 6是一個基于面向?qū)ο筌浖夹g的三維幾 何造型引擎，但交互功能不足；hoops 7的圖形渲 染與數(shù)據(jù)結(jié)構優(yōu)勢顯著，但造型欠缺鑒于二者之間具 有良好的互補性，三維動畫模塊采用它們作為底層引 擎：通過acis生成幾何模型，再通過hoops將幾何 模型在圖形界面上顯示出來.三維幾何模型的創(chuàng)建流 程見圖3.2.3.2模型數(shù)據(jù)的管理三維動畫模塊采用樹狀的數(shù)據(jù)結(jié)構，層次清晰、 易于維護，見圖4.一個model代表一個多體模型，一個model可以 擁有多個part, 個part可以擁有多

12、個shape,個 shape代表一個幾何圖形.hoops通過片段（segment） 管理模型數(shù)據(jù),一個segment可以擁有多個子segment, 每個segment都有一個hoops key與之對應.因此，可 以通過創(chuàng)建entity類（model從entity派生，part從 model派生，shape從part派生），建立entity指針與 hoops key的雙向映射關系，從而達到模型數(shù)據(jù)的有效 管理，保證三維模型交互操作的實時性如用戶在界面 上選中某個部件，動畫模塊通過hoops api找到相應 的hoops key,借助hoops key與entity指針的雙向映 射關系，可立即知道

13、用戶選擇的是哪個部件，然后就 可以對該部件進行操作.2.33動畫數(shù)據(jù)的組織所謂動畫，就是利用人類視覺暫留的特性，快速 播放一系列靜態(tài)圖像，使視覺產(chǎn)生動態(tài)效果.在每一時 間幀處，都要獲得當前幀的動畫數(shù)據(jù)，用這些數(shù)據(jù)更 新三維幾何模型，從而實現(xiàn)動畫仿真過程對于剛體部 件，由于只有位姿（位置和姿態(tài)）發(fā)生改變，可采用 4x4的變換矩陣表示；對于柔性體部件，除剛體變化 （即式的x）,還有柔性體的變形（即式的up）. 另外，為更直觀地反映柔性體的變形大小，讓柔性體 上的每個節(jié)點都攜帶一個顏色值，顏色可以從藍色逐 漸變化至紅色，如果顏色越趨近于藍色，表示其變形 越??；反之，顏色越趨近于紅色，表示其變形越大.

14、 因此，柔性體云圖動畫的數(shù)據(jù)量非常大，訪問也十分 頻繁.為提高動畫數(shù)據(jù)的讀取效率，可在物理組織上采 用連續(xù)內(nèi)存存儲模式，見圖5.該模式將相同類型的數(shù) 據(jù)組織在一塊連續(xù)的內(nèi)存區(qū)域，當外部模塊需要使用 這些數(shù)據(jù)時，可通過獲得所需數(shù)據(jù)的首地址以及數(shù)據(jù) 塊的長度，快速訪問到該數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高效 讀取.3應用實例機械手的閉環(huán)控制建模過程中，中間連接桿往往 會因為發(fā)生變形而影響整個模型的運動精度為克服 該問題，采用以下解決方案，獲得良好的控制效果. 具體過程為：(1)利用有限元軟件對中間桿進行模態(tài)分 析，生成mnf文件；在mworks平臺上，利用 modelica提供的外部c函數(shù)機制讀取mnf文件數(shù)

15、據(jù)， 并建立剛?cè)狁詈隙囿w動力學子系統(tǒng)模型；(3)在 mworks平臺上對所建立的子模型進行閉環(huán)反饋控制， 并對整個模型進行求解，生成結(jié)果文件；在mworks 平臺上讀取結(jié)果文件和mnf文件，創(chuàng)建三維云圖動畫, 見圖6,可知中間桿兩端區(qū)域位置的變形量最大.(a)初 始狀態(tài)(b)第316幀畫面4結(jié)束語基于mnf文件的柔性體云圖動畫具有友好的人 機交互、高度逼真的動畫效果、強大的模型數(shù)據(jù)管理、 良好的可擴展性等優(yōu)點，并且在實際工程應用中得到 有效驗證，同時也為剛?cè)狁詈隙囿w系統(tǒng)仿真領域的軟 件研發(fā)提供一定的經(jīng)驗基礎參考文獻:1 吳義忠，劉敏陳立平.多領域物理系統(tǒng)混合建模平臺開發(fā)j計算機輔助設計與圖形學

16、學報,2006, 1&1): 120-124.wu yizhong, liu min, chen liping. development ofhybrid modeling platform for multi-domain physical system j j computer-aided des & comput graphics, 2006,遼:120-124.2 shabana a a. flexible multibody dynamics: review of past a nd rece ntdevelopme nts j multibody syst dyna

17、mics, 1997, 1(2): 189-222.3 趙建軍,丁建完，周凡利，等.modelica語言 及其多領域統(tǒng)一建模與仿真機理j.系統(tǒng)仿真學報,2006, 18(s2): 570-573.zhao jianjun, ding jianwan, zhou fanli, et al. modelica and its mechanism of multi-domain unified modeling and simulation j j syst simulation, 2006, 18(s2): 570-573.4 姜自偉.機械系統(tǒng)動力學仿真柔性體建模技 術研究d.武漢：華中科技大學,2007.5 李軍，刑俊文，譚文浩，等.