基于线性图理论的可扩展单元复合仿真方法

论文摘要

复杂的工程系统涉及多个学科领域,是由机械、液压、控制等多个子系统融合的有机整体,其性能是各学科领域技术的综合体现,如重载锻压操作机是典型的复杂机液耦合系统。针对这类多领域系统的仿真,统一的建模表达是核心问题之一。而现有的多领域统一建模方法,还存在以下不足:难以应用到矢量表达的机械系统;对于柔性体、间隙等精细模型的描述有很大限制;有的建模方法难于实现计算机程序自动建模。因此,发展和完善多领域统一建模的理论方法,对于解决复杂工程系统的整体性能仿真具有重要意义。图论方法是多领域统一建模方法之一,本文基于线性图建模方法,研究和发展了一种模块化的多领域建模方法——可扩展单元线性图复合仿真方法,以实现跨能量域的统一模型表达。论文对可扩展单元线性图建模的基本原则、拓扑结构的封装和标准化组件的定义等方面进行研究。建立了通过端口连接,将单元线性图拼装成系统整体线性图模型的复合建模方法。借助Modelica语言开发了标准化组件库,利用Dymola平台进行求解计算。本文采用可扩展单元线性图统一表达了机械刚柔体动力学、含间隙机械动力学、机液耦合系统的仿真模型,并在重载锻压操作机的仿真计算中得以应用。论文的主要研究成果与特色如下:(1)将传统线性图理论与面向对象、模块化封装技术相结合,研究建立可扩展单元线性图模型,并且基于该模型实现复合建模方法:通过单元拓扑矩阵与变量矩阵的运算,自动获取组件的单元方程;再由连接方程联立所有单元方程,并通过耦合组件的方程实现跨学科域能量的交互,以形成整个多领域系统的状态方程。(2)定义了转动矢量边线,使得机械转动与平动合并在同一个单元线性图中进行分析,从而简化建模过程。针对运动副组件的模块化,提出了机构功能点、开口边线、自封闭边线等概念,对传统线性图的工具元素进行了扩充;依据复杂机械组合件的独立性,把它们作为整体建立独立的模块,以取代传统环境中的基本元件连接建模。(3)将线性图方法应用到间隙、含柔性构件的机构动力学分析建模中。引入间隙矢量边线以及与间隙相关的机构功能点,并结合的Dubowsky二状态机构间隙模型,创建含间隙机构的复合单元模型;通过定义柔性位移矢量边线、柔性转角矢量边线,以及运用牛顿欧拉方程和三次曲线拟合方法,分析表达了柔性组件的复合单元模型。(4)定义了液压端口、液压功能点与液压矢量边线等图论要素,创建了液压组件的可扩展单元线性图,以及液压单元拓扑矩阵,并着重以图解形式表达了机液耦合系统,从而成功地把线性图建模理论拓展到含有复杂平面机构的机液系统。(5)针对锻造操作机的结构和作业特点,运用可扩展单元线性图方法建立了该系统的复合模型,通过仿真计算模拟了操作机锻造顺应过程的受载状况,揭示了操作机缓冲锻件变形冲击载荷的作用规律。理论分析和应用研表明,本文提出的基于可扩展单元线性图模型的复合建模方法在多领域统一建模理论上取得了一些进展,扩展了应用范围,提高了建模效率,为复杂的多领域系统整体性能仿真提供了有效的建模方法和工具。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景、意义及来源
• 1.1.1 课题研究的技术背景
• 1.1.2 课题研究的意义
• 1.1.3 课题的来源
• 1.2 多领域系统建模仿真的发展现状
• 1.2.1 多领域系统仿真方法的概述
• 1.2.2 基于图论的统一建模方法
• 1.2.3 目前研究存在的问题
• 1.3 本文研究目标和主要研究内容
• 1.4 本文的章节安排与组织结构
• 第二章 可扩展单元线性图复合仿真方法
• 2.1 引言
• 2.2 传统LINEAR GRAPH 建模理论
• 2.2.1 理论基础
• 2.2.2 电路图的模型分析
• 2.2.3 机械系统动力学模型表达
• 2.2.4 理论应用的局限性
• 2.3 可扩展单元线性图模型的研究
• 2.3.1 物理组件的单元模块化
• 2.3.2 传统线性图的拆分与封装
• 2.3.3 多意位置矢量边线与单元参考点的定义
• 2.3.4 多学科域组件一般模型的建模规则
• 2.3.5 单元流图与单元势图的定义
• 2.3.6 单元拓扑矩阵与单元状态方程
• 2.4 多领域系统的复合建模策略
• 2.4.1 不同学科域子系统的复合仿真
• 2.4.2 跨能量域的耦合与状态方程的拆分
• 2.4.3 可扩展单元线性图方法的解决策略
• 2.4.4 EELG 方法的应用与特点
• 2.5 本章小结
• 第三章 多刚体系统动力学复合仿真研究
• 3.1 引言
• 3.2 基于EELG 方法分析机械构件的单元模型
• 3.2.1 平面机械系统动态静力学分析
• 3.2.2 单元机械构件的建模规则与矢量边线e3 的定义
• 3.2.3 组合件的模块化封装
• 3.2.4 单元流图与势图的建立
• 3.2.5 单元割集矩阵Tu 与单元环路矩阵Tw
• 3.2.6 过渡子矩阵与单元DAEs 方程
• 3.3 基于EELG 方法创建运动副模型
• 3.3.1 运动副单元模型的封装
• 3.3.2 机构功能点的定义
• 3.3.3 开口边线与自封闭边线的定义
• 3.3.4 运动副单元流图与势图的创建
• 3.3.5 机构单元拓扑矩阵的表达与运算
• 3.3.6 过渡子矩阵与单元DAEs 方程
• 3.4 本章小结
• 第四章 含间隙机构动力学复合仿真分析
• 4.1 引言
• 4.2 含间隙机构的动力学研究
• 4.3 基于EELG 方法研究含间隙机构的复合模型
• 4.3.1 基于Dubowsky 方法的两状态间隙模型
• 4.3.2 含间隙运动副的拓扑分析
• 4.3.3 间隙矢量边线的定义与可扩展单元模型
• 4.3.4 含间隙机构的复合流图与势图
• 4.3.5 机构间隙的单元拓扑矩阵与单元DAEs 方程
• 4.3.6 有无间隙与刚弹间隙的复合仿真模型
• 4.4 本章小结
• 第五章 柔性多体系统动力学复合建模分析
• 5.1 引言
• 5.2 柔性机械系统动力学的研究
• 5.3 基于EELG 方法分析柔性组件的刚柔复合模型
• 5.3.1 广义坐标的定义
• 5.3.2 柔性杆的运动描述
• 5.3.3 柔性杆的受力分析
• 5.3.4 柔性矢量边线的定义
• 5.3.5 柔性组件的单元刚柔复合模型
• 5.3.6 柔性杆单元复合流图与势图
• 5.3.7 柔性杆单元拓扑矩阵与单元DAEs 方程
• 5.4 本章小结
• 第六章 液压系统动态性能复合仿真研究
• 6.1 引言
• 6.2 液压系统的仿真研究
• 6.3 系统构成分类与条件假设
• 6.4 液压组件的单元模型
• 6.4.1 液压组件单元模型的封装
• 6.4.2 液压端口、液压功能点与液压矢量边线的定义
• 6.4.3 机液耦合组件的解耦模型
• 6.4.4 液压组件的单元复合流图与势流
• 6.4.5 机液耦合组件的割集矩阵与流变量方程
• 6.4.6 机液耦合组件的树状图、环路矩阵与势变量方程
• 6.5 本章小结
• 第七章 多学科组件库开发与典型案例分析
• 7.1 引言
• 7.2 建模语言MODELICA
• 7.3 数学求解工具包DYMOLA
• 7.4 多学科组件标准库
• 7.4.1 各能量域组件的端口类
• 7.4.2 多学科组件库的创建
• 7.5 机电系统的动力学分析
• 7.5.1 带有闭环控制回路的机电多刚体系统
• 7.5.2 复杂机电多刚体系统的复合仿真
• 7.6 含机构间隙多刚体系统的动力学分析
• 7.7 含机构间隙的柔性多体系统动力学分析
• 7.8 重型锻压操作机DDS-750 的案例研究
• 7.8.1 操作机的结构组成与运动分析
• 7.8.2 水平缓冲缸的顺应运动
• 7.8.3 锻压变形水平冲击力的计算与拟合
• 7.8.4 DDS-750 复合模型的建立
• 7.8.5 仿真计算结果对比分析
• 7.9 本章小结
• 第八章 总结与展望
• 8.1 全文总结
• 8.2 理论总结与创新点
• 8.2.1 理论总结
• 8.2.2 创新点
• 8.3 论文不足与研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士期间发表的论文
• 申请专利