系统动力学与仿真第一节课课件

如果两球的总质心在轴线上，但两球质心的连 线与转轴不垂直，此时轴承动反力NA和NB也不等 于零；
动力学分析方法——达朗伯原理＋虚位移原理
1.2
系统仿真与虚拟样机技术
一、系统模型的概念 系统模型：是对系统的简化和抽象。 模型可以描述系统的本质和内在联系，通过 对模型进行分析和研究，以达到了解原系统的 目的；
物理模型 根据相似性理论制造的按一定比例缩小或放大 的实物；
客机风洞实验
客机风洞实验
大型风洞外观
数学模型 是系统的本质特征的数学表达式，即用数学 公式来描述所研究的系统的某一方面的规律 流体润滑问题的数学模型：
二、系统仿真(Simulaton) ： 指以计算机为工具，用模型来模仿实际系统，代替 实际系统来进行实验和研究的一门综合性技术
复印Haug书的P.13-80页
普通高等教育十一五国家级规划教材，郭卫东.虚拟 样机技术与ADAMS应用实例教程[M]. 北京:北京航空 航天大学出版社, 2008
参考书
[1]郑建荣.ADAMS-虚拟样机技术入门与提高[M]. 北京：机械工业出版社，2002 [2]李增刚.ADAMS入门详解与实例[M].北京： 国防工业出版社，2006.4
半实物仿真：将数学模型与实物模型相结合进行实验 的过程；
三、传统的产品开发流程
概 念 设计
详细 设计
制造物 理样机
物理样 机测试
产品定 型生产
发现问题，修改设 计并重新制造样机
传统的产品开发过程实际上是基于实物或半实物模 型(样机)的仿真实验过程
传统的产品开发过程，是一个周而复始的设计－实 验－设计过程，对于结构复杂的系统，这一过程是 冗长的，需要耗费大量的时间和资金； 缩短开发周期、提高产品质量、降低成本并对市场 做出灵活反应成为生产商所追求的目标；
第三，系统具有等级结构性；
二、机械系统的组成及特点 机械系统：通常是一个由多个构件组成，并通 过运动副连接的多刚体系统
刚性构件（刚体）：在力的作用下，其内部任
意两点之间的距离始终保持不变。
特点： 机械系统的构件间存在着相对运动； 相对运动的形式由联接各构件的运动副决定；
三、机械系统动力学的研究内容
ADAMS软件也是一个虚拟样机的开发平台： 其开放性的程序结构和多种接口，可以成为不同专 业领域用户进行特定专业类型虚拟样机分析的二次 开发平台
例如，在ADAMS核心模块基础上开发的专业轿车模块 ADAMS/car，就是一个专业的虚拟样机生成工具
• 使用ADAMS/car，工程师可以建立整车的虚拟样机， 修改各种参数并快速观察车辆的运转状态、动态显 示仿真数据结果
在Haug的DADS计算程序的基础上，比利时LMS公 司开发了机械系统运动学与动力学仿真软件 DADS(Dynamic Analysis and Design System)
德国航天局开发的SIMPACK 韩国FunctionBay公司开发的新一代多体系统动力 学仿真软件RecurDyn(Recursive Dynamic)
ADAMS软件首先是一个虚拟样机仿真分析软件：
它使用交互式的图形环境和零件库、约束库、力库， 创建完全参数化的机械系统动力学模型 可对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分 析 后处理程序可输出各构件的位移、速度、加速度和 反作用力曲线及动画仿真
可用于预测机械系统的性能、运动范围、碰撞检测、 峰值载荷；计算构件的约束反力作为有限元分析的输 入载荷等
上述方程表明：在理想约束的条件下，质点
系的各个质点在任一瞬时所受的主动力和惯 性力在虚位移上所作的虚功的和等于零。上 述方程称为动力学普遍方程。
上图的双轮滚动系统，两个均质轮子的半径皆为 r，中心用连杆相连，在倾角为α的斜面上作纯滚 动。设轮子的重量皆为P，对轮心的转动惯量皆 为I，连杆重为Q，求连杆运动的加速度a。
系统仿真的三要素 ：系统、模型和计算机
系统
抽象
实物模型或 数学模型
仿真实验
计算机
根据使用模型的不同，仿真可分为：物理仿真、数学 仿真和半实物仿真。
物理仿真：指在实物模型上进行实验的过程。 优点：是直观和形象。在计算机问世以前，实验研 究基本上都是物理仿真 缺点：模型难以改变，实验限制多，投资较大 数学仿真：在建立的系统数学模型上进行实验的过程。 也称为计算机仿真； 缺点：过分依赖所建立的数学模型，而有些系统是 难以建立较精确的模型的；
5.随着计算机数值计算方法的出现和不断发展完善， 使得利用计算机自动建立复杂机械系统运动学和动力 学数学模型，并自动求解称为可能
1984年Chace和Haug选取每个刚体质心在惯性系中的 三个直角坐标和确定刚体方位的三个欧拉坐标作为笛 卡儿广义坐标。得到了由刚性微分－代数方程组表示 的多刚体动力学模型。该模型非常适合与计算机自动 建模。 1989年，Chace进一步应用Gear的刚性积分算法并 且采用稀疏矩阵技术提高了计算效率，编制了计算机 程序ADAMS ，Haug编制了计算机程序DADS。
d T T ( ) QK , (K=1,2, ,3n-s) dt qK qK
1 T mi vi2 为质点系的动能 2
W
F

3n s K 1
Q q
K
K
0
质点系由n个质点组成，系统具有s个完整约
束，并且都是理想约束，因此它是具有(3n-s) 个自由度的系统 q1 , q2 , , q3 n s 表示系统的广义坐标，设系 统中第i个质点的质量为mi ;
虚拟样机技术的成功应用范例：波音777飞机的 研制：
波音777飞机的研制采用了全数字化的虚拟样机技术 整机外形、结构件和各飞行系统100%采用三维数字 化定义，100%应用数字化预装配 整个设计制造过程没有完整的模型样机，一次定型 生产成功 波音777成本降低了25%，出错返工率减少了75％， 制造周期缩短了50%
机械系统动力学及仿真 软件ADAMS应用
郭良斌 guoliangbin@ 2012.9
第一章 绪
1.1 系统与机械系统
论
一、系统的定义： 系统是由相互联系、相互制约、相互依存的若干 部分结合在一起而形成的具有特定功能和运动规 律的有机整体
系统的特点：
第一，系统的整体性；
第二，系统的相关性；
五、虚拟样机的开发与分析软件
90年代，在Chace的ADAMS计算程序的基础上，美 国MDI(Mechanical Dynamics Inc.)公司开发了机械 系 统 运 动 学 与 动 力 学 仿 真 软 件 ADAMS(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems)
系统运动与载荷的关系，即动力学问题
动力学正问题：在外载荷已知的条件下，研究 复杂机械系统在外载荷作用下各部件的动力学 响应 动力学响应：已知外力作用下求机器的运动规 律，如不同时刻各构件的位置和姿态、速度及 加速度
动力学逆问题:已知系统的运动确定运动副的动 约束力 运动副的动约束力，即轴承的动反力：绕定轴 转动的刚体没有实现动平衡时将产生动反力；
四、虚拟样机技术(Virtual Prototype)
利用CAD中的三维几何造型技术，在计算机中建立 产品的几何模型
采用计算机仿真技术在几何模型之上附加其它的功 能特性，使之成为产品的数字样机（虚拟样机）
再利用虚拟现实技术构建虚拟实验场，用虚拟模型代 替实物模型进行虚拟实验，实现对设计的验证； 虚拟样机技术实现了数字样机与试验环境的集成， 是计算机仿真技术的深化和扩展； 概 念 设计 详 细 设计 虚拟样机 测试 产品定型 生产
• 用户只要在模板中输入必要的数据，ADAMS/car就 可以自动建立子系统和整车装配模型
1.3 虚拟样机技术应用软件ADAMS 的核心基础理论
计算多刚体系统动力学：采用程式化的方法，
利用计算机来解决复杂机械系统的运动学与动 力学的自动建模与数值分析;
1.1687年，牛顿建立了牛顿方程，解决了质点的运 动学和动力学问题 2.欧拉于1725年提出刚体的概念，采用反作用力的 概念隔离刚体以描述铰链等约束
FunctionBay Inc.充分利用最新的多体动力学理论，
基于相对坐标系建模和递归求解，开发出RecurDyn 软件，具有令人震撼的求解速度与稳定性 传统的动力学分析软件对于机构中普遍存在的接触 碰撞问题解决的远远不够完善，其中包括过多的简 化、求解效率低下、求解稳定性差等问题，难以满 足工程应用的需要 成功地解决机构接触碰撞中的上述问题，极大地拓 展了多体动力学软件的应用范围 RecurDyn不但可以解决传统的运动学与动力学问题， 同时是解决工程中机构接触碰撞刘兴祥，李吉蓉，林梅等译，庄细荣校 订. Computer Aided Kinematics and Dynamics of Mechanical Systems, Vol.I：Basic Methods(机械 系统的计算机辅助运动学和动力学，第一卷 基本方 法).北京：高等教育出版社，1996
(2 Pg Qg ) x 2M g (2 P Q)sin x 0
a Ia (2 P Q) x 2 2 x (2 P Q) sin x 0 g r
4.1788年，拉格朗日发表了《分析力学》，系统地 考虑了约束，提出了广义坐标的概念，利用变分原 理考虑系统的动能和势能，得出了拉格朗日方程
示例：如图所示的曲柄 摇杆机构，已知各杆的 长 度 为 l1=120mm ， l2=250mm ， l3=260mm ， l4=300mm，曲柄1均速转 动 的 角 速 度 为 ω 1=1rad/s 。 试 分 析 摇 杆3的运动
1.4 本课程的主要内容
平面系统：由平面运动副构成的机械系统。 平面运动副：构成运动副的两构件之间的相对 运动为平面运动的运动副。 多刚体运动学、动力学分析矢量数学基础 计算机辅助平面机械系统笛卡尔运动学建模 与分析 机械系统动力学仿真软件ADAMS的基本操作与 使用