多體動力學仿真與虛擬機械樣機技術

多體動力學仿真與虛擬物理樣機技術中物院工學院：廖海平故事從一篇碩士論文說起……瑞典XM982“神劍”精確制導炮彈主要內容

1.動力學與多體動力學基礎

2.多體動力學數(shù)值仿真技術

3.虛擬物理樣機技術

4.我們的虛擬物理樣機研究動力學

研究物體的機械運動與作用力之間的關系。一、動力學與多體動力學基礎1.1動力學的三大基本定律第一定律(慣性定律)

不受力作用的質點，將保持靜止或作勻速直線運動。

質點保持其原有運動狀態(tài)不變的屬性稱為慣性。第二定律(力與加速度關系定律)在經典力學中質點的質量是守恒的質點的質量與加速度的乘積，等于作用質點的力的大小，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分別作用在這兩個物體上。

以牛頓定律為基礎所形成的力學理論稱為古典力學。1.2質點的運動微分方程2.質點運動微分方程在直角坐標軸上投影3.質點運動微分方程在自然軸上投影1.矢量形式的質點運動微分方程1.3質點動力學的兩類基本問題第一類基本問題：已知質點的運動，求作用在質點上的力。這類問題其實質可歸結為數(shù)學上的求導問題。第二類基本問題：已知作用在質點上的力，求質點的運動。這類問題其實質可歸結為數(shù)學上的解微分方程或求積分問題。1.力是常數(shù)或是時間的簡單函數(shù)3.力是速度的簡單函數(shù)，分離變量積分2.力是位置的簡單函數(shù),利用循環(huán)求導變換

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)。試求拋射體的運動方程。解：由直角坐標形式的質點運動微分方程得因為v0vMFRmgOyxaq運動軌跡圖

多體系統(tǒng)是對某類客觀事物的高度抽象和概括，這類系統(tǒng)都據(jù)有一個共同的特點，即它們都是通過特定的關節(jié)（鉸鏈）將諸多零（部）件——即所謂的“體”聯(lián)接起來的；因此我們把多體系統(tǒng)定義為以一定的聯(lián)接方式互相關聯(lián)起來的多個物體構成的系統(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該系統(tǒng)為多剛體系統(tǒng)；如果多體系統(tǒng)含有一個以上的柔體，則稱為柔性多體系統(tǒng)。

1.4多體動力學基礎典型的多體系統(tǒng):汽車轉向系統(tǒng)仿真機器人多體動力學應用研究汽車碰撞試驗飛機起落架打開相對坐標法：

每個體上固結一個局部坐標系，是目前常用的方法。絕對坐標法：

用統(tǒng)一的坐標系表示整個系統(tǒng)的狀態(tài)，計算效率低，較少采用。1.5多體動力學的基本問題1坐標系的選擇問題矢量力學Newton－Euler（N/E）方法：隔離體分析分析力學：Lagrange方程：

從系統(tǒng)的能量角度入手建立動力學方程。Kane方程：

兼有矢量力學和分析力學的特點。無論哪種原理方法，各動力學原理與方程具有等效性。2建模方法的選擇問題

多體系統(tǒng)動力學方程的系數(shù)矩陣為高度非線性，其初始條件或參數(shù)的微小變化或因計算誤差的積累都有可能導致仿真結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動力學方程數(shù)值算法問題二、多體動力學數(shù)值仿真技術(1)．問題的描述、定義和分析；(2)．建立仿真模型；(3)．數(shù)據(jù)采集和篩選；(4)．仿真模型的確認；(5)．仿真模型的編程實現(xiàn)與驗證；(6)．仿真試驗設計；(7)．仿真模型的運行；(8)．仿真結果的輸出、記錄；(9)．分析數(shù)據(jù)，得出結論。

1多體動力學仿真步驟Fortran語言編制的專用程序FORTRAN，是英文“FORmulaTRANslator”的縮寫，譯為“公式翻譯器”，它是世界上最早出現(xiàn)的計算機高級程序設計語言，廣泛應用于科學和工程計算領域。FORTRAN語言以其特有的功能在數(shù)值、科學和工程計算領域發(fā)揮著重要作用。

與現(xiàn)代流行的高級語言相比，其缺乏創(chuàng)造力，程序龐雜難學，與實際的數(shù)學計算還具有一定差距，缺乏直觀性。2多體動力學仿真工具Matlab編制的專用程序MATLAB是矩陣實驗室（MatrixLaboratory）的簡稱，是美國MathWorks公司出品的商業(yè)數(shù)學軟件，用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計算的高級技術計算語言和交互式環(huán)境，主要包括MATLAB和Simulink兩大部分。Matlab具有友好的工作平臺和編程環(huán)境，簡單易用的程序語言，強大的計算功能和圖形處理功能，應用廣泛的模塊集合工具箱。UG、Pro/E等大型三維軟件的機構模塊UG的Motion模塊，Pro/E的Mechanica模塊等，都可以進行一定的多體動力學分析，其分析功能有限，不能進行復雜的多體系統(tǒng)分析。優(yōu)勢在具有強大的三維建模功能。ADAMS專用多體動力學分析軟件

ADAMS，即機械系統(tǒng)動力學自動分析(AutomaticDynamicAnalysisofMechanicalSystems)，該軟件是美國MDI公司(MechanicalDynamicsInc.)開發(fā)的虛擬樣機分析軟件。是目前機械系統(tǒng)動態(tài)仿真分析軟件國際市場占有率最大的軟件,現(xiàn)已經并入美國MSC公司。

特點是動力學分析功能強大，有多個專業(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入。RecurDyn專用多體動力學分析軟件RecurDyn(RecursiveDynamic)是由韓國FunctionBay公司開發(fā)出的新一代多體系統(tǒng)動力學仿真軟件。它采用相對坐標系運動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)動力學問題。具有友好的操作界面，尤其擅長柔性體接觸和大變形問題，采用非線性的MFBD有限元柔性體技術，可直接導入有限元模型。其它專用多體動力學分析軟件

典型的有比利時LMS公司的MOTION（原名DADS），專門為模擬機械系統(tǒng)的真實運動和載荷而設計的。它提供了有效的方法可以快速創(chuàng)建和改進多體模型，有效地重復使用CAD和有限元模型，并能快速反復模擬評價多種設計選擇的性能。工程師可以在早期的開發(fā)階段利用靈活可調的模型進行概念上的運動學研究。并在后續(xù)階段中結合試驗數(shù)據(jù)進行更具體的評估。德國INTECGmbh公司(于2009年正式更名為SIMPACKAG)開發(fā)的針對機械/機電系統(tǒng)運動學/動力學仿真分析的多體動力學分析軟件包SIMPACK。它以多體系統(tǒng)計算動力學為基礎，包含多個專業(yè)模塊和專業(yè)領域的虛擬樣機開發(fā)系統(tǒng)軟件。三、虛擬物理樣機技術*利用Adams軟件建模工具直接建立樣機模型*利用其它軟件建立模型后輸入Adams軟件利用adams仿真軟件對機械系統(tǒng)進行仿真過程：建模系統(tǒng)幾何建模施加約束和運動施加載荷測量調試仿真與仿真再現(xiàn)仿真后處理啟動ADAMS后顯示窗口歡迎對話框挖掘機運動仿真風電發(fā)電機設計仿真飛機起落架仿真分析四、我們的虛擬物理樣機研究1壓鑄機合模機構運動仿真合模機構示意圖合模機構液壓回路2液壓支架動力學仿真頂梁與掩護梁鉸結處運動軌跡支架高度位移曲線3虛擬夾具樣機優(yōu)化設計系統(tǒng)開發(fā)取得了一定的成果

在《機床與液壓》等中文核心期刊上發(fā)表相關論文3篇；

與兩家企業(yè)有相關業(yè)務聯(lián)系探討。

成績結論現(xiàn)有先進產品開發(fā)技術包括:CAD/CAE/CAM/PLM(ProductLi