多體動(dòng)力學(xué)仿真與虛擬機(jī)械樣機(jī)技術(shù)

多體動(dòng)力學(xué)仿真與虛擬物理樣機(jī)技術(shù)中物院工學(xué)院：廖海平故事從一篇碩士論文說(shuō)起……瑞典XM982“神劍”精確制導(dǎo)炮彈主要內(nèi)容

1.動(dòng)力學(xué)與多體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)

2.多體動(dòng)力學(xué)數(shù)值仿真技術(shù)

3.虛擬物理樣機(jī)技術(shù)

4.我們的虛擬物理樣機(jī)研究動(dòng)力學(xué)

研究物體的機(jī)械運(yùn)動(dòng)與作用力之間的關(guān)系。一、動(dòng)力學(xué)與多體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)1.1動(dòng)力學(xué)的三大基本定律第一定律(慣性定律)

不受力作用的質(zhì)點(diǎn)，將保持靜止或作勻速直線運(yùn)動(dòng)。

質(zhì)點(diǎn)保持其原有運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不變的屬性稱(chēng)為慣性。第二定律(力與加速度關(guān)系定律)在經(jīng)典力學(xué)中質(zhì)點(diǎn)的質(zhì)量是守恒的質(zhì)點(diǎn)的質(zhì)量與加速度的乘積，等于作用質(zhì)點(diǎn)的力的大小，加速度的方向與力的方向相同。第三定律（作用與反作用定律）兩個(gè)物體間相互作用的作用力和反作用力總是大小相等、方向相反，沿著同一作用線同時(shí)分別作用在這兩個(gè)物體上。

以牛頓定律為基礎(chǔ)所形成的力學(xué)理論稱(chēng)為古典力學(xué)。1.2質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)微分方程2.質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)微分方程在直角坐標(biāo)軸上投影3.質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)微分方程在自然軸上投影1.矢量形式的質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)微分方程1.3質(zhì)點(diǎn)動(dòng)力學(xué)的兩類(lèi)基本問(wèn)題第一類(lèi)基本問(wèn)題：已知質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)，求作用在質(zhì)點(diǎn)上的力。這類(lèi)問(wèn)題其實(shí)質(zhì)可歸結(jié)為數(shù)學(xué)上的求導(dǎo)問(wèn)題。第二類(lèi)基本問(wèn)題：已知作用在質(zhì)點(diǎn)上的力，求質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)。這類(lèi)問(wèn)題其實(shí)質(zhì)可歸結(jié)為數(shù)學(xué)上的解微分方程或求積分問(wèn)題。1.力是常數(shù)或是時(shí)間的簡(jiǎn)單函數(shù)3.力是速度的簡(jiǎn)單函數(shù)，分離變量積分2.力是位置的簡(jiǎn)單函數(shù),利用循環(huán)求導(dǎo)變換

例：在重力作用下以仰角a初速度v0拋射出一物體。假設(shè)空氣阻力與速度成正比，方向與速度方向相反，即FR＝-Cv，C為阻力系數(shù)。試求拋射體的運(yùn)動(dòng)方程。解：由直角坐標(biāo)形式的質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)微分方程得因?yàn)関0vMFRmgOyxaq運(yùn)動(dòng)軌跡圖

多體系統(tǒng)是對(duì)某類(lèi)客觀事物的高度抽象和概括，這類(lèi)系統(tǒng)都據(jù)有一個(gè)共同的特點(diǎn)，即它們都是通過(guò)特定的關(guān)節(jié)（鉸鏈）將諸多零（部）件——即所謂的“體”聯(lián)接起來(lái)的；因此我們把多體系統(tǒng)定義為以一定的聯(lián)接方式互相關(guān)聯(lián)起來(lái)的多個(gè)物體構(gòu)成的系統(tǒng)，這些物體可以是剛體也可以是柔體。如果多體系統(tǒng)中所有的體均為剛體則稱(chēng)該系統(tǒng)為多剛體系統(tǒng)；如果多體系統(tǒng)含有一個(gè)以上的柔體，則稱(chēng)為柔性多體系統(tǒng)。

1.4多體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)典型的多體系統(tǒng):汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)仿真機(jī)器人多體動(dòng)力學(xué)應(yīng)用研究汽車(chē)碰撞試驗(yàn)飛機(jī)起落架打開(kāi)相對(duì)坐標(biāo)法：

每個(gè)體上固結(jié)一個(gè)局部坐標(biāo)系，是目前常用的方法。絕對(duì)坐標(biāo)法：

用統(tǒng)一的坐標(biāo)系表示整個(gè)系統(tǒng)的狀態(tài)，計(jì)算效率低，較少采用。1.5多體動(dòng)力學(xué)的基本問(wèn)題1坐標(biāo)系的選擇問(wèn)題矢量力學(xué)Newton－Euler（N/E）方法：隔離體分析分析力學(xué)：Lagrange方程：

從系統(tǒng)的能量角度入手建立動(dòng)力學(xué)方程。Kane方程：

兼有矢量力學(xué)和分析力學(xué)的特點(diǎn)。無(wú)論哪種原理方法，各動(dòng)力學(xué)原理與方程具有等效性。2建模方法的選擇問(wèn)題

多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程的系數(shù)矩陣為高度非線性，其初始條件或參數(shù)的微小變化或因計(jì)算誤差的積累都有可能導(dǎo)致仿真結(jié)果的較大偏差甚至發(fā)散。目前多采用傳統(tǒng)的數(shù)值積分方法，如四階Runge－Kutta法、Gear法、Newmark法等。3動(dòng)力學(xué)方程數(shù)值算法問(wèn)題二、多體動(dòng)力學(xué)數(shù)值仿真技術(shù)(1)．問(wèn)題的描述、定義和分析；(2)．建立仿真模型；(3)．?dāng)?shù)據(jù)采集和篩選；(4)．仿真模型的確認(rèn)；(5)．仿真模型的編程實(shí)現(xiàn)與驗(yàn)證；(6)．仿真試驗(yàn)設(shè)計(jì)；(7)．仿真模型的運(yùn)行；(8)．仿真結(jié)果的輸出、記錄；(9)．分析數(shù)據(jù)，得出結(jié)論。

1多體動(dòng)力學(xué)仿真步驟Fortran語(yǔ)言編制的專(zhuān)用程序FORTRAN，是英文“FORmulaTRANslator”的縮寫(xiě)，譯為“公式翻譯器”，它是世界上最早出現(xiàn)的計(jì)算機(jī)高級(jí)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，廣泛應(yīng)用于科學(xué)和工程計(jì)算領(lǐng)域。FORTRAN語(yǔ)言以其特有的功能在數(shù)值、科學(xué)和工程計(jì)算領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。

與現(xiàn)代流行的高級(jí)語(yǔ)言相比，其缺乏創(chuàng)造力，程序龐雜難學(xué)，與實(shí)際的數(shù)學(xué)計(jì)算還具有一定差距，缺乏直觀性。2多體動(dòng)力學(xué)仿真工具M(jìn)atlab編制的專(zhuān)用程序MATLAB是矩陣實(shí)驗(yàn)室（MatrixLaboratory）的簡(jiǎn)稱(chēng)，是美國(guó)MathWorks公司出品的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件，用于算法開(kāi)發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計(jì)算的高級(jí)技術(shù)計(jì)算語(yǔ)言和交互式環(huán)境，主要包括MATLAB和Simulink兩大部分。Matlab具有友好的工作平臺(tái)和編程環(huán)境，簡(jiǎn)單易用的程序語(yǔ)言，強(qiáng)大的計(jì)算功能和圖形處理功能，應(yīng)用廣泛的模塊集合工具箱。UG、Pro/E等大型三維軟件的機(jī)構(gòu)模塊UG的Motion模塊，Pro/E的Mechanica模塊等，都可以進(jìn)行一定的多體動(dòng)力學(xué)分析，其分析功能有限，不能進(jìn)行復(fù)雜的多體系統(tǒng)分析。優(yōu)勢(shì)在具有強(qiáng)大的三維建模功能。ADAMS專(zhuān)用多體動(dòng)力學(xué)分析軟件

ADAMS，即機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)自動(dòng)分析(AutomaticDynamicAnalysisofMechanicalSystems)，該軟件是美國(guó)MDI公司(MechanicalDynamicsInc.)開(kāi)發(fā)的虛擬樣機(jī)分析軟件。是目前機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真分析軟件國(guó)際市場(chǎng)占有率最大的軟件,現(xiàn)已經(jīng)并入美國(guó)MSC公司。

特點(diǎn)是動(dòng)力學(xué)分析功能強(qiáng)大，有多個(gè)專(zhuān)業(yè)模塊適合不同行業(yè)需求，但三維建模功能較差，可從其它三位軟件導(dǎo)入。RecurDyn專(zhuān)用多體動(dòng)力學(xué)分析軟件RecurDyn(RecursiveDynamic)是由韓國(guó)FunctionBay公司開(kāi)發(fā)出的新一代多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真軟件。它采用相對(duì)坐標(biāo)系運(yùn)動(dòng)方程理論和完全遞歸算法，非常適合于求解大規(guī)模的多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)問(wèn)題。具有友好的操作界面，尤其擅長(zhǎng)柔性體接觸和大變形問(wèn)題，采用非線性的MFBD有限元柔性體技術(shù)，可直接導(dǎo)入有限元模型。其它專(zhuān)用多體動(dòng)力學(xué)分析軟件

典型的有比利時(shí)LMS公司的MOTION（原名DADS），專(zhuān)門(mén)為模擬機(jī)械系統(tǒng)的真實(shí)運(yùn)動(dòng)和載荷而設(shè)計(jì)的。它提供了有效的方法可以快速創(chuàng)建和改進(jìn)多體模型，有效地重復(fù)使用CAD和有限元模型，并能快速反復(fù)模擬評(píng)價(jià)多種設(shè)計(jì)選擇的性能。工程師可以在早期的開(kāi)發(fā)階段利用靈活可調(diào)的模型進(jìn)行概念上的運(yùn)動(dòng)學(xué)研究。并在后續(xù)階段中結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行更具體的評(píng)估。德國(guó)INTECGmbh公司(于2009年正式更名為SIMPACKAG)開(kāi)發(fā)的針對(duì)機(jī)械/機(jī)電系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)/動(dòng)力學(xué)仿真分析的多體動(dòng)力學(xué)分析軟件包SIMPACK。它以多體系統(tǒng)計(jì)算動(dòng)力學(xué)為基礎(chǔ)，包含多個(gè)專(zhuān)業(yè)模塊和專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域的虛擬樣機(jī)開(kāi)發(fā)系統(tǒng)軟件。三、虛擬物理樣機(jī)技術(shù)*利用Adams軟件建模工具直接建立樣機(jī)模型*利用其它軟件建立模型后輸入Adams軟件利用adams仿真軟件對(duì)機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行仿真過(guò)程：建模系統(tǒng)幾何建模施加約束和運(yùn)動(dòng)施加載荷測(cè)量調(diào)試仿真與仿真再現(xiàn)仿真后處理啟動(dòng)ADAMS后顯示窗口歡迎對(duì)話框挖掘機(jī)運(yùn)動(dòng)仿真風(fēng)電發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)仿真飛機(jī)起落架仿真分析四、我們的虛擬物理樣機(jī)研究1壓鑄機(jī)合模機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真合模機(jī)構(gòu)示意圖合模機(jī)構(gòu)液壓回路2液壓支架動(dòng)力學(xué)仿真頂梁與掩護(hù)梁鉸結(jié)處運(yùn)動(dòng)軌跡支架高度位移曲線3虛擬夾具樣機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)取得了一定的成果

在《機(jī)床與液壓》等中文核心期刊上發(fā)表相關(guān)論文3篇；

與兩家企業(yè)有相關(guān)業(yè)務(wù)聯(lián)系探討。

成績(jī)結(jié)論現(xiàn)有先進(jìn)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)技術(shù)包括:CAD/CAE/CAM/PLM(ProductLi