基于交互驱动的虚拟样机动力学建模技术研究与应用

论文题目: 基于交互驱动的虚拟样机动力学建模技术研究与应用

论文类型: 博士论文

论文专业: 机械设计及理论

作者: 王政

导师: 谭建荣

关键词: 虚拟样机,虚拟现实,拓扑,铰关节,动力学,约束,求解器,仿真,交互,隐喻,非贯穿

文献来源: 浙江大学

发表年度: 2005

论文摘要: 在产品开发中，由于物理样机的成本较高，为了保证方案的可靠性及早期得到不同分系统集成的关系，可采用计算机辅助的方法。在最简单的情况下，借助渲染利用几何数据，可以产生产品的逼真效果图。利用数字虚拟样机，将产生能用此方式评价的三维模型。这种数字表示方法也可用来模拟空间大小、干涉及功能关系。数字样机的内容不仅仅涉及几何信息，而且虚拟现实系统还提供了人机交互存储现实三维场景的工具，在计算机内成像，使观察者可以评价复杂的图像场景。除了虚拟三维空间的导航功能和交互修补外，虚拟现实系统存在着考虑干涉、计算模型或运动模型等物理边界条件的可能性。而且，虚拟样机集成了关于信息建模、实时感知和多通道交互等方面的研究成果，覆盖了产品从设计、工作性能分析、零部件加工、装配到使用等环节，为产品创新开发提供了直接的三维界面和虚拟测试平台。 本文同绕上述领域，在面向产品创新开发的虚拟设计平台研究中，针对虚拟样机动力学求解器的软件实现，在以下方面进行重点研究： (1) 在虚拟样机核心仿真模型构建中，提出了由机械系统CAD模型建立面向领域行为模型的方法。机械系统内部约束基于CAD描述，构件间的关联通过图论表达，在软件实现时，基于构件的交互端口建立行为模型，由CAD模型推导出的3D机构图表达了系统中的能量流，而CAD模型和组件行为参数化的同时，也保证了两者的一致性。在软件组件中，封装了设计信息、行为模型及其内部关系，对其实例化后，以端口连接配置复杂系统，并创建系统层仿真模型。 (2) 在扩展ODE求解器进行机械系统运动表达的过程中，通过使用递推计算获得复杂度o(n)的相对坐标表达模型，并进一步论述了Lagrange乘子确定、数字漂移的多准则优化控制策略。对于冗余约束和一致性运动驱动问题，提出了基于QR分解策略以高效消除冗余约束，获得一致性的方法。最后，对具有离散拓扑变换的机械系统仿真实时性问题进行了讨论。 (3) 在虚拟样机动力学分析中，对施加的外部力／力矩的属性进行了分析，实现了力／力矩隐喻(metaphor)工具的直观定义，并基于多刚体动力学模型，提出了直观驱动的交互仿真方法。最后，通过对汽车发动机曲柄活塞部分的建模仿真实例论证了该方法的有效性，以及隐喻工具的直观性。 (4) 在机械系统虚拟样机运动仿真中，通常需要对单侧有摩擦非贯穿约束建立动力学模型，这一过程通常很困难。而基于传统刚体模型的非贯穿约束，

论文目录:

摘要

Abstract

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 虚拟现实技术研究的历史回顾

1.2.1 虚拟现实理论的研究进展

1.2.2 虚拟现实应用的研究进展

1.3 虚拟样机技术研究进展概述

1.3.1 虚拟样机理论的研究进展

1.3.2 虚拟样机应用的研究进展

1.3.3 虚拟样机的设计原理及流程

1.4 虚拟样机运动仿真技术研究进展

1.4.1 虚拟样机仿真模型构建技术研究进展

1.4.2 计算多体系统动力学的研究进展

1.4.3 计算多体系统动力学的软件实现进展

1.5 虚拟样机中的交互技术研究进展

1.5.1 基于状态图的交互技术研究进展

1.5.2 基于约束的交互技术研究进展

1.6 本文拟解决的问题

1.7 本文研究内容

1.8 本文组织结构

第二章 基于CAD模型的虚拟样机多体系统数据结构建立方法

2.1 引言

2.2 多体系统动力学中的参数

2.2.1 Cartesian坐标方法

2.2.2 Lagrangian广义坐标方法

2.2.3 多体模型基本参数

2.3 CAD系统中空间体几何建模综述

2.3.1 实体建模和几何建模

2.3.2 质量属性的计算

2.3.3 高级几何建模

2.4 多体系统数据结构的面向对象表达

2.4.1 多体类和操作

2.4.2 多体类的图形描述

2.4.3 建模核心的实现

2.5 应用实例

2.5.1 曲柄摇杆机构

2.5.2 曲柄滑块机构

2.5.3 旅行车机构

2.6 本章小结

第三章 基于PRIM最小生成树的虚拟样机多体系统拓扑建立方法

3.1 引言

3.2 多体系统图的定义

3.2.1 多体系统图元素的定义

3.2.2 多体系统图的邻接矩阵定义

3.3 多体系统的派生树

3.3.1 基于BFS算法的多体系统派生树生成

3.3.2 多体系统的加权因子与加权图

3.3.3 基于PRIM算法的多体系统最小生成树

3.4 应用实例

3.5 本章小结

第四章 基于多体系统的虚拟样机关节动力学模型求解

4.1 引言

4.1.1 多体系统建模

4.1.2 相对和绝对坐标表达的模型

4.2 无约束系统

4.2.1 简单链系统的分析

4.2.2 递推求解

4.3 约束系统

4.3.1 Lagrange乘子的高效计算

4.3.2 奇点控制

4.3.3 数字漂移的补偿

4.3.4 坐标投影

4.3.5 代码生成的稳定化

4.3.6 冗余约束

4.3.7 初始条件的一致性

4.4 线性化

4.5 调整和平衡

4.6 事件处理

4.7 本章小结

第五章 基于虚拟样机关节动力学模型的广义力隐喻交互驱动技术

5.1 引言

5.2 多刚体动力学Lagrange模型中的广义力

5.3 基于ATN的力／力矩隐喻工具的交互过程定义

5.3.1 力／力矩隐喻工具可视化

5.3.2 基于ATN的VE任务管理器

5.3.2.1 创建交互周期

5.3.2.2 任务表达

5.3.2.3 基于ATN的VE任务管理

5.3.2.4 力／力矩隐喻工具的调整

5.3.3 力／力矩隐喻的动力学模型

5.3.4 隐喻工具的作用方式

5.4 一个典型的交互分析实例

5.4.1 汽车发动机曲柄活塞机构的Lagrange动力学模型建立

5.4.2 基于隐喻工具的交互分析

5.5 本章小结

第六章 基于混合模型非贯穿约束的虚拟样机接触状态求解

6.1 引言

6.1.1 基于罚的非贯穿约束模型

6.1.2 基于冲量的非贯穿约束模型

6.2 基于刚体模型的非贯穿约束

6.3 基于柔性模型的非贯穿约束

6.3.1 基于弹簧阻尼系统的柔性接触模型

6.3.2 求解柔性模型

6.4 基于奇异摄动的刚柔混合模型非贯穿约束稳定性分析

6.5 仿真实例

6.5.1 滑动接触分析

6.5.2 滚动接触分析

6.5.3 仿真结果

6.6 本章小结

第七章 基于交互驱动的虚拟样机动力学求解器开发与应用

7.1 引言

7.2 面向VP交互运动分析的多模态VE构建

7.3 基于端口的机械系统行为模型构建

7.4 面向对象的多体系统求解器

7.4.1 求解器中的类抽象

7.4.2 类定义

7.4.2.1 超类

7.4.2.2 体类

7.4.2.3 约束类

7.4.2.4 力类

7.4.2.5 类结构层次

7.4.3 数值分析

7.4.4 实现及应用

7.5 虚拟系统控制器

7.5.1 弹簧阻尼控制器

7.5.2 PID控制器

7.5.3 传感器

7.5.4 激励器

7.5.5 控制器类框架

7.5.5.1 控制器接口

7.5.5.2 控制器类

7.6 基于可视化隐喻的交互VP

7.6.1 力的可视化

7.6.2 基于可视化隐喻工具的交互过程

7.6.3 交互实例

7.6.3.1 推操作

7.6.3.2 拉操作

7.7 本章小结

第八章 总结与展望

8.1 全文总结

8.2 展望

参考文献

附录A：攻读博士学位期间撰写的学术论文

附录B：攻读博士学位期间参加的科研项目

跋

发布时间: 2006-11-22

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