基于MNF文件的柔性體云圖動(dòng)畫的實(shí)現(xiàn)

1、基于mnf文件的柔性體云圖動(dòng)畫的實(shí)現(xiàn)摘要：針對(duì)國(guó)內(nèi)擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的多領(lǐng)域仿 真系統(tǒng)中柔性體仿真功能較弱的問(wèn)題，基于浮動(dòng)坐標(biāo) 法，采用mnf文件，在多領(lǐng)域系統(tǒng)建模與仿真平臺(tái) mworks上，借助acis和hoops圖形引擎，實(shí)現(xiàn)柔性 體三維云圖動(dòng)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(dòng) 畫實(shí)現(xiàn)的幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，包括幾何模型的創(chuàng)建、模型 數(shù)據(jù)的管理和動(dòng)畫數(shù)據(jù)的組織等通過(guò)機(jī)械手的實(shí)際 應(yīng)用證明該方法的有效性.關(guān)鍵詞：柔性體；云圖；動(dòng)畫；mnf文件; 浮動(dòng)坐標(biāo)法；多領(lǐng)域仿真；mworks； modelica 中圖分類號(hào)：tp391.9文獻(xiàn)標(biāo)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(jī)械系統(tǒng)虛擬樣機(jī)技術(shù)中，對(duì)于多剛體系統(tǒng)， 無(wú)論是理論研究還是工程實(shí)際應(yīng)用，均已比較成熟； 而對(duì)于柔性體系統(tǒng)，國(guó)外已有相關(guān)的商業(yè)化軟件，國(guó) 內(nèi)卻發(fā)展緩慢因此，作為國(guó)內(nèi)擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的多 領(lǐng)域統(tǒng)一物理建模與仿真分析平臺(tái)mworks 1,除 具備成熟、強(qiáng)

6、大的多領(lǐng)域系統(tǒng)(包含多剛體系統(tǒng))建 模能力外，也應(yīng)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(dòng)力學(xué)的研究發(fā)展過(guò)程中，浮動(dòng)坐標(biāo)法 是柔性體系統(tǒng)仿真中應(yīng)用最廣泛的方法之一.2其 基本思想是將柔性體的運(yùn)動(dòng)分解為大范圍的剛性運(yùn)動(dòng) 和相對(duì)于浮動(dòng)坐標(biāo)系的變形運(yùn)動(dòng)如圖1所示，g為全 局坐標(biāo)系，b為柔性體局部坐標(biāo)系，p為柔性體上任一 節(jié)點(diǎn).在任意時(shí)刻，p的位置為rp=x+sp+up(l)式中：rp 為節(jié)點(diǎn)p相對(duì)于全局坐標(biāo)的位置向量；x為柔性體局 咅坐標(biāo)系b相對(duì)于全局坐標(biāo)的位置向量；sp為節(jié)點(diǎn)p 相對(duì)于柔性體局部坐標(biāo)系b未變形時(shí)的位置；up為節(jié) 點(diǎn)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(dòng)畫的

7、實(shí)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(dòng)力學(xué)仿真 系統(tǒng)兩部分構(gòu)成其中，前處理程序借助第三方有限元 軟件；動(dòng)力學(xué)仿真系統(tǒng)采用mworks,它是新一代多 領(lǐng)域物理系統(tǒng)建模、仿真、分析與優(yōu)化的通用cae平 臺(tái)，基于多領(lǐng)域統(tǒng)一建模語(yǔ)言規(guī)范modelica 3,提 供從可視化建模、仿真計(jì)算到結(jié)果分析的完整功能. 基于mworks和modelica的柔性體動(dòng)力學(xué)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(duì)柔性體進(jìn)行模 態(tài)分析，生成mnf文件.(2) 動(dòng)力學(xué)建模.在mworks平臺(tái)上，基于modelic

8、a, 利用mnf文件，建立剛?cè)狁詈隙囿w動(dòng)力學(xué)模型.(3) 編譯求解.先對(duì)模型進(jìn)行編譯，生成方程；再對(duì) 方程進(jìn)行翻譯，生成c代碼；最后執(zhí)行c代碼實(shí)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(dòng)畫顯示和曲 線顯示作準(zhǔn)備.(5) 動(dòng)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(jìn)行云圖動(dòng)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(gè)獨(dú)立于操作平臺(tái)的二 進(jìn)制文件，共包含32個(gè)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(dòng)力學(xué)建模從mnf文件中提取節(jié)點(diǎn)坐標(biāo) (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(guān)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(diǎn)質(zhì)量 (nodal masses)> 節(jié)點(diǎn)慣量(nodal inertias,只有界面點(diǎn) 才擁有該部分?jǐn)?shù)據(jù))、單位(units)、界面點(diǎn)(interface nodes)以及9個(gè)慣性時(shí)不變矩陣(invariants 19)等數(shù) 據(jù)，建立基于m

10、odelica表達(dá)的剛?cè)狁詈隙囿w動(dòng)力學(xué)模 型.動(dòng)畫顯示.從mnf文件中提取節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)、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(guān)數(shù)據(jù)，建立三維幾何模型，并計(jì)算出在各 時(shí)間幀處各個(gè)柔性體上每個(gè)節(jié)點(diǎn)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(dòng)畫.2.3云圖動(dòng)畫的關(guān)鍵技術(shù)mworks作為一個(gè)通用cae平臺(tái)，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(guò)程，需耗費(fèi)人力和時(shí)間去分析一大堆 數(shù)據(jù)，而三維動(dòng)畫正好彌補(bǔ)該缺陷.三維動(dòng)畫模塊采用 控件形式，可以重復(fù)使用，甚至可以在不同的編程語(yǔ) 言之間使用，具有良好的可擴(kuò)展性.在動(dòng)畫控件的開發(fā) 過(guò)程

11、中，必須解決好以下3個(gè)問(wèn)題：（1）幾何模型的創(chuàng) 建；模型數(shù)據(jù)的管理；（3）動(dòng)畫數(shù)據(jù)的組織.2.3.1幾何模型的創(chuàng)建acis 6是一個(gè)基于面向?qū)ο筌浖夹g(shù)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(gòu)優(yōu)勢(shì)顯著，但造型欠缺鑒于二者之間具 有良好的互補(bǔ)性，三維動(dòng)畫模塊采用它們作為底層引 擎：通過(guò)acis生成幾何模型，再通過(guò)hoops將幾何 模型在圖形界面上顯示出來(lái).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(dòng)畫模塊采用樹狀的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，層次清晰、 易于維護(hù)，見圖4.一個(gè)model代表一個(gè)多體模型，一個(gè)model可以 擁有多個(gè)part, 個(gè)part可以擁有多

12、個(gè)shape,個(gè) shape代表一個(gè)幾何圖形.hoops通過(guò)片段（segment） 管理模型數(shù)據(jù),一個(gè)segment可以擁有多個(gè)子segment, 每個(gè)segment都有一個(gè)hoops key與之對(duì)應(yīng).因此，可 以通過(guò)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(guān)系，從而達(dá)到模型數(shù)據(jù)的有效 管理，保證三維模型交互操作的實(shí)時(shí)性如用戶在界面 上選中某個(gè)部件，動(dòng)畫模塊通過(guò)hoops api找到相應(yīng) 的hoops key,借助hoops key與entity指針的雙向映 射關(guān)系，可立即知道

13、用戶選擇的是哪個(gè)部件，然后就 可以對(duì)該部件進(jìn)行操作.2.33動(dòng)畫數(shù)據(jù)的組織所謂動(dòng)畫，就是利用人類視覺(jué)暫留的特性，快速 播放一系列靜態(tài)圖像，使視覺(jué)產(chǎn)生動(dòng)態(tài)效果.在每一時(shí) 間幀處，都要獲得當(dāng)前幀的動(dòng)畫數(shù)據(jù)，用這些數(shù)據(jù)更 新三維幾何模型，從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)畫仿真過(guò)程對(duì)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(duì)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(gè)節(jié)點(diǎn)都攜帶一個(gè)顏色值，顏色可以從藍(lán)色逐 漸變化至紅色，如果顏色越趨近于藍(lán)色，表示其變形 越小；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(dòng)畫的數(shù)據(jù)量非常大，訪問(wèn)也十分 頻繁.為提高動(dòng)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(chǔ)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(dāng)外部模塊需要使用 這些數(shù)據(jù)時(shí)，可通過(guò)獲得所需數(shù)據(jù)的首地址以及數(shù)據(jù) 塊的長(zhǎng)度，快速訪問(wèn)到該數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高效 讀取.3應(yīng)用實(shí)例機(jī)械手的閉環(huán)控制建模過(guò)程中，中間連接桿往往 會(huì)因?yàn)榘l(fā)生變形而影響整個(gè)模型的運(yùn)動(dòng)精度為克服 該問(wèn)題，采用以下解決方案，獲得良好的控制效果. 具體過(guò)程為：(1)利用有限元軟件對(duì)中間桿進(jìn)行模態(tài)分 析，生成mnf文件；在mworks平臺(tái)上，利用 modelica提供的外部c函數(shù)機(jī)制讀取mnf文件數(shù)

15、據(jù)， 并建立剛?cè)狁詈隙囿w動(dòng)力學(xué)子系統(tǒng)模型；(3)在 mworks平臺(tái)上對(duì)所建立的子模型進(jìn)行閉環(huán)反饋控制， 并對(duì)整個(gè)模型進(jìn)行求解，生成結(jié)果文件；在mworks 平臺(tái)上讀取結(jié)果文件和mnf文件，創(chuàng)建三維云圖動(dòng)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(yǔ)基于mnf文件的柔性體云圖動(dòng)畫具有友好的人 機(jī)交互、高度逼真的動(dòng)畫效果、強(qiáng)大的模型數(shù)據(jù)管理、 良好的可擴(kuò)展性等優(yōu)點(diǎn)，并且在實(shí)際工程應(yīng)用中得到 有效驗(yàn)證，同時(shí)也為剛?cè)狁詈隙囿w系統(tǒng)仿真領(lǐng)域的軟 件研發(fā)提供一定的經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)參考文獻(xiàn):1 吳義忠，劉敏陳立平.多領(lǐng)域物理系統(tǒng)混合建模平臺(tái)開發(fā)j計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)

16、學(xué)報(bào),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(yǔ)言 及其多領(lǐng)域統(tǒng)一建模與仿真機(jī)理j.系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào),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(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真柔性體建模技 術(shù)研究d.武漢：華中科技大學(xué),2007.5 李軍，刑俊文，譚文浩，等.