面向CAD设计模型的计算多体动力学虚拟原型

论文摘要

论文研究的虚拟样机领域,其重要特征是在设计阶段集成设计与仿真分析,转化设计模型为分析模型是设计与仿真集成的重要组成部分。随着数学、力学、机械、电子、计算机科学等学科的发展而发展起来的计算多体系统动力学对于提高机电产品和系统的设计分析水平具有非常重要的意义。在虚拟原型研究中,开发通用的、开放性的多体系统动力学软件,对虚拟原型在综合仿真方面扩展具有重要的价值。虚拟原型研究中,CAD设计模型与分析模型关联方面现有研究成果更多地集中在结构分析方面,对性能仿真应用的支持较少。论文集成了CAD设计模型与多体系统动力学仿真性能分析模型,提出并实现了CAD模型下的多体动力学虚拟原型框架和求解流程。基于面向对象的建模思想,对已有的研究模型进行通用性扩展,研究了针对计算多体系统动力学的设计分析集成模型的形式化表达方式和实例化构建方案。采用多体动力学笛卡尔坐标建模形式,开发软件进行研究。广泛地实现了多种不同的计算求解方法,例如,直接法、增广法、隐式变量分离法等。研究了不同求解方法的详细实现算法和不同求解方法参数的特征。研究了一般性的DAE理论对于微分—代数方程的求解方法后,提出对于DAE理论下受约束多体系统微分—代数动力学方程的表达形式和求解方法。从虚拟原型的研究出发,以对多体系统动力学的分析为分析应用背景。在需要开放分析模型内部构造的前提下,开发了笛卡尔坐标建模形式的三维多刚体系统动力学软件d3Mechs。软件开发中以软件工程面向对象思想为出发点,对多体动力学系统进行建模,采用UML(统一建模语言)分析、表达、开发多体动力学软件。d3Mechs开发中充分利用了多态、封装等面向对象特性,实现多体动力学软件程序的复用与内部细节的封装。因此,软件具有很强的可扩展性与可维护性,例如,支持数值算法程序的可重用性和可扩展性(如线性代数算法、积分算法等);支持三维操作算法的数据结构,并且实现了面向对象的封装(如空间矢量变换、约束库的矩阵运算等);开发了表达式语法解析工具,实现了函数表达式的自动识别与自动计算。论文应用的开发方法和实现的开发工具,在研究、开发通用的机械系统虚拟原型中具有很强的可扩展性和实用价值。

论文目录

第1章绪论

1.1 虚拟原型技术的概念与研究背景

1.2 虚拟原型技术的研究应用现状与存在的问题

1.2.1 虚拟样机研究的现状

1.2.2 虚拟样机研究的注意点

1.2.3 设计分析模型表达的研究

1.3 论文的研究内容与研究方法

1.3.1 设计模型与多体动力学分析模型集成

1.3.2 多体动力学算法实现与软件开发

1.4 论文的研究难点与内容安排

1.4.1 设计分析模型的表达

1.4.2 多体动力学模型与算法实现

1.4.3 面向对象的多体动力学软件开发

第2章设计模型与分析模型的关联

2.1 设计分析模型的特点

2.2 设计分析模型的定义

2.2.1 设计分析模型框架MRA

2.2.2 设计分析模型的表达COB

2.2.3 EAM模型的形式化定义

2.2.4 EAM模型的实例化CAD接口

2.3 设计分析模型对多体动力学分析应用的实现

2.3.1 多体模型对ABBs的要求

2.3.2 多体模型对APMs的要求

2.3.3 多体模型对EAMs的要求

2.4 设计分析模型在CAD软件CAXA中的研究

2.4.1 CAD中多体动力学物理属性的提取

2.4.2 CAD中多体动力学约束模型的实现

2.5 设计分析模型在CAD软件SolidWorks中的实现

2.5.1 三维CAD软件SolidWorks的特点

2.5.2 参数化建模

2.5.3 装配约束到多体动力学约束模型自动提取的研究

2.5.4 装配约束到多体动力学约束模型手动提取的研究

2.5.5 动力学分析模型与CAD模型的映射集

2.5.6 初始参数的确定

2.5.7 动态仿真的实现

2.5.8 可视化虚拟组件的实现

2.6 设计分析模型对多体动力学分析应用的实例研究

2.7 小结

第3章计算多体动力学模型

3.1 多体动力学模型的建立

3.1.1 多体动力学的研究内容

3.1.2 多体动力学笛卡尔模型的研究内容

3.2 多刚体系统运动学

3.2.1 空间运动多刚体系统

3.2.2 运动学基本约束

3.2.3 运动副约束方程

3.2.4 绝对约束

3.2.5 驱动约束

3.3 多刚体系统动力学

3.3.1 空间单刚体动力学方程

3.3.2 空间多刚体系统动力学方程

3.4 逆向动力学分析

3.5 系统位形集成

3.6 自由度分析、冗余约束的判断

3.7 小结

第4章计算多体动力学模型算法

4.1 多体动力学求解方法分类与比较

4.2 多体动力学求解算法的概述

4.3 多体动力学求解算法

4.3.1 运动学计算的组织

4.3.2 动力学计算的组织

4.3.3 求解微分—代数方程组DAE

4.4 多体动力学计算误差讨论

4.5 小结

第5章面向对象的多体动力学软件开发

5.1 面向对象的多体动力学仿真软件的体系结构

5.1.1 多体系统动力学软件d3Mechs层次结构

5.1.2 多体系统动力学软件d3Mechs用例图

5.1.3 多体系统动力学软件d3Mechs流程图

5.2 面向对象的多体动力学仿真研究

5.2.1 多体系统动力学MVC解算仿真模型

5.2.2 运动学分析

5.2.3 动力学分析

5.3 面向对象的多体动力学可复用程序

5.3.1 算法模板

5.3.2 表达式语义解析工具

5.3.3 支持数值算法库接口

5.3.4 支持三维数据结构接口

5.3.5 仿真跟踪接口类

5.3.6 驱动调用接口类

5.3.7 软件设计模式接口类

5.4 小结

第6章实例研究

6.1 曲柄滑块机构（二维-三维多体）

6.2 空间曲柄滑块机构1

6.3 空间四连杆机构1

6.4 空间曲柄滑块机构2

6.5 空间四连杆机构2

6.6 多自由度空间机器人

6.7 卷簧双复摆

6.8 七连杆机构

6.9 小结

结论

致谢

参考文献

附录A

A.1 矢量数学和空间坐标

A.2 刚体动力学

A.3 线性方程求解和矩阵分解

附录B

B.1 平面运动多刚体系统

B.2 平面单刚体动力学方程

B.3 平面多刚体系统动力学方程

B.4 约束反作用力

B.5 静平衡分析

B.6 奇异构形

附录C

C.1 面向对象的建模语言UML

C.2 COB结构语法

C.3 COB实例语法

攻读博士学位期间发表的论文及科研成果

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