机械系统动力学建模与分析(绪论部分)2012

1.2 机械系统动力学分析与仿真 美国Haug为代表的科学家借鉴有限元技术的高度自动化 特征，基于多体系统动力学：
70年代 70年代 对机械系统动力学 对机械系统动 分析与仿真的自动 力学分析与仿 化建模和求解进行 了研究。 真的自动化建 80年代 80年代 形成了一套称之为计算 形成了一套称之 多体系统动力学的学科， 为计算多体系统 解决了机械系统动力学 分析与仿真的自动化问 动力学的学科， 题。 90年代 90年代
在汽车的主动控制研究中采用的硬件在环方法就需要采用快速算法。又如 人在闭环用于汽车性能评价的驾驶模拟器也同样需要采用快速算法。实时仿真 的高速动画也是一个挑战，在汽车驾驶模拟器中，需要模拟周围环境，并且 有人的参与，因此需要对汽车以及周围环境进行高速动画处理，这些涉及 计算机图形学技术、多媒体技术、虚拟现实以及科学可视化技术的综合。
车辆动力学
对车辆的平顺性分析需要建立车辆的1/4 或 1/2 振动模型即可，而车辆 的操纵稳定性分析则需要建立两轮的自行车甚至整车空间模型，而且两种 特性存在设计参数的耦合，需进行多学科协同优化，才能找到满足两者 要求的最优解。
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1.2.4 机械系统动力学分析与仿真的发展方向与前沿
4
课 程 寄 语
开设这门课的目的以及选修这门课的重要性：
怎样学好这门课：
第一章 绪 论
1.1 虚拟产品开发与虚拟样机技术
1.2
机械系统动力学分析与仿真
1.3
ADAMS软件介绍
1.1 虚拟产品开发与虚拟样机技术
美国波音777的研制成为现代产品开发新技术的里程碑，其采用的 开发过程现在称之为虚拟产品开发（Virtual Product Development-VPD）， 应用的开发技术称之为虚拟样机技术（Virtual Prototyping-VP） 1990年10月-1994年6月，波 音777飞机的研制采用了全数 字化的无纸设计技术，整机外 型、结构件和整机飞机系统 100%采用三维数字化定义， 100%应用数字化预装配，整个 设计制造过程无需模型和样机， 一次成功，首次实现了整机数 字化设计、数字化制造和数字 化协调。
运动学分析与仿真
是在不考虑力的作用情况 下研究组成机械系统的各 部件的位臵、速度和加速 度。
逆向动力学分析与仿真
已知机械系统的运动求反力 的问题。
静平衡分析与仿真
要求确定系统在定常力作用 下系统的静平衡位臵。
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1.2 机械系统动力学分析与仿真—四个阶段
物理建模
数学建模
问题求解
结果后处理
对实际机械系统 进行抽象，用标 准的运动副、驱 动约束、力元和 外力等要素建立 与实际机械系统 一致的物理模型， 这个过程中，对 于实际部件进行 合理的抽象与简 化是操作关键。
拟样机由数学定义的约束连接刚性或柔性的组件零件 组成，其中几何和质量属性来自组件实体模型，结构、 热和振动属性来自组件有限元模型或实验测试。
虚拟样机实现过程图示
测试——实现测试仿真是功能虚拟样机的重要目标，
包括不同情况下的虚拟试验室试验和虚拟试验场试验。
为了建立虚拟试验室，需要构建虚拟实验设备，以再现实际
考虑物体的弹性变形，全部物体为柔 性体，
刚柔混合系统
实际中的系统往往是部分物体作为 柔性体考虑，其余可以不计其弹性 变形的物体假定为刚体。
1.2 机械系统动力学分析与仿真—解决问题
正向动力学分析与仿真
研究外力（偶）作用下机械系 统的动力学响应，包括各部件 的加速度、速度和位臵，以及 运动过程中的约束反力。
虚 拟 产 品 开 发 流 程 虚拟产品开发，将传统的产品设计—样机建造—测
试评估—反馈设计的循环过程采用虚拟样机技术， 以数字化方式进行，避免了物理样机的建造，不仅 利于缩短产品开发周期和降低产品开发成本，而且 数字化方式采用利于协同工作的进行，数字化模型 的应用使得产品全生命周期的统一成为可能。
美国B777的应用效果 整机数字化设计：100% 开发周期：9年－>4.5年， 缩短50% 成本降低：25％ 出错返工率减少：75% 世界垄断与霸主地位
1.1 虚拟产品开发与虚拟样机技术
美国通用公司应用状况 开发周期：48月－>24月－> 12月） 碰撞试验：100次 －> 50次 个性化定单 ：－> 3小时 在线采购降低成本：10％
中在物理固定设备和机器上进行的试验过程，并确定边界条件；
对于虚拟试验场，需要构建体现物理试验场中实际操作条件
的虚拟模型，如汽车试验的标准跑道，飞机试验的起落跑道等。。
虚拟样机实现过程图示
验证——通过将虚拟试验的结果与物理试验相对照，
根据两者差别调整虚拟样机模型参数和假定，以期建立 与物理试验相一致的虚拟样机。在验证阶段，还可以通 过参数敏捷性分析确定对所关心性能指标或目标函数影 响最大的若干关键参数，作为改进设计的根据。
Caterpillar公司是世界上最大的拖拉机、装载机和工程 机械制造商之一。采用了虚拟样机技术，从根本上改进了设计 和试验步骤，实现了快速虚拟试验多种设计方案，从而使其产 品成本降低，性能却更加优越。 同样，作为生产工程机械的著名厂商JohnDeere公司，为 了解决工程机械在高速行驶时的蛇行现象及在重载下的自激振 动问题，公司的工程师利用虚拟样机技术，不仅找到了原因， 而且提出了改进方案，并且在虚拟样机上得到了验证，从而大 大提高了产品的高速行驶性能与重载作业性能。
硬件在环、人在回路仿真
有效快速的仿真算法是计算动力学的追求目标，特别在多体系统的半实物仿 真分析－硬件再在环问题以及多体系统的人在回路仿真分析问题中要求进行 实时仿真，因而快速的仿真算法就显得十分重要了。 通过递推算法、符号算法或者采用并行计算可以大幅提高仿真计算速度。
汽车主动控制&汽车性能评价的模拟驾驶
数学建模是指 由物理模型根据 计算多体系统动 力学理论生成数 学模型，问题求 解是通过调用专 门求解器实现的， 求解器对数学模 型进行解算得到 分析结果。
数学建模和问题求 解是分析与仿真中 最复杂的过程，所 幸的是，在通用的 机械系统动力学分 析与仿真软件系统 中，这两个过程是 自动进行的，除了 求解的控制界面外， 内部过程对于用户 是不可见的。
1.1.1 虚拟产品开发技术—产品开发流程
Comparation
虚拟样机
概念 产品
虚拟产品开发流程：以数字化方式修改，避免物理样机的建造
Time = $
传统产品开发流程：每一次循环，都伴随物理样机的修改，开发周期延长、开发成本增长
虚拟样机实现过程
虚拟样机实现过程图示
虚拟样机实现过程图示
建造——虚拟样机的建模过程。子系统或系统级虚
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1.2.4 机械系统动力学分析与仿真的发展方向与前沿
多目标（学科）协同优化
随着仿真技术的深入发展，多体系统分析方法已从单纯的分析转向为系统 综合的工具。优化方法与多体系统动力学进行结合可用于多体问题动态性 能的优化。 实际的机械多体系统时常需要考虑不同的甚至是相互矛盾的目标要求，从 而需要确定几个不同的性能评判准则，即成为多目标或多学科 协同优化问题。多目标优化方法为寻求系统不同性能的最优化提供了一种 可能。
虚拟样机实现百度文库程图示
自动化——对于缩短产品开发时间、降低产品开发成
本至关重要。在上述改进设计的循环过程中，快速而有 效的改进是在参数模板自动化的基础上进行的。自动化 是对虚拟样机整个过程的自动化，这一阶段需要设计者、 开发、分析者和试验师的紧密协作。
虚拟样机技术应用
波音777
世界上首架以无图方式研发及制造的飞机，其 设计、装配、性能评价及分析就是采用了虚拟样 机技术。这不但使研发周期大大缩短、研发成本 显著降低，而且确保了最终产品一次接装成功。
虚拟样机技术应用
美国航空航天局 火星探测器
利用虚拟样机技术仿真研究宇宙飞船在不同阶段 （进入大气层、减速和着陆）的工作过程。在探测器 发射以前，运用虚拟样机技术预测到由于制动火箭与 火星风的相互作用，探测器很可能在着陆时滚翻，修 改了技术方案，保证了火星登陆计划的成功。
虚拟样机技术应用
美国Caterpillar
液体火箭、充液卫星、航天飞船以及空间站等都是多体充液系统， 由于航天设备精度的严格要求，液体的晃动，以及晃动控制问题成为 了当前航天界的一个重要问题。
车辆动力学
带油罐的地面车辆稳定性也成为车辆动力学的一个研究分支。 因此充液多体系统的研究不但具有重要的理论指导意义而且具有重大的 工程价值。
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机械系统动力学建模与分析
Dynamic Modeling and Analysis of Mechanical System
主讲人：李艳
Email: lylsjhome@163.com
办公室：新校区机电楼D519
教 学 安 排
总学时 24、讲授学时 16、上机学时 8；
主要教材：《机械系统动力学分析及ADAMS应用教程》
陈立平等编著，清华大学出版社，2005 参考书籍：
理论方面：《机械系统动力学》
杨义勇等编著，清华大学出版社，2010 应用方面：《MD ADAMS虚拟样机从入门到精通》 贾长治等编著， 机械工业出版社，2010 评分细则：考试 70%，平时 30%
课 程 安 排
1
2 3
绪
论
ADAMS应用基础 ADAMS建模与仿真实例 ADAMS控制系统设计
DAE 方程算法
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1.2.4 机械系统动力学分析与仿真的发展方向与前沿
多领域集成化仿真与控制
实际的机械多体系统还存在液压元件、气动元件、电子电路以及控制系统。 因此仅仅考虑多（柔）刚体系统的动力学是不完善的，要全面研究系统的 动态特性必须全面考虑机、电、液、气、控制耦合的多领域多体模型。 航天设备
模和求解进行 了研究。
解决了机械系统 动力学分析与仿 真的自动化问题。
基于计算多体 系统动力学的 机械系统分析 与仿真技术更 趋成熟。
1.2 机械系统动力学分析与仿真
多刚体系统 多刚体系统
如果组成系统的物体全部假定为刚体 组成系统的物体全部假定为刚体
机械系统
多柔体系统 由运动副连接多个物体所组成 的系统，系统内部物体之间往 往还有弹簧、阻尼器、致动器 等力元的作用，系统外部对系 统内物体施加有外力或外力矩， 以及驱动约束
80年代 形成了一系列的商业化 形成了一系列的 软件。
90年代
基础理论问题。
商业化软件。
已能成熟应用 于工业界
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1.2 机械系统动力学分析与仿真—发展方向与前沿
目前的研究重点表现在以下几个方面： 柔性多体系统动力学的建模理论
接触碰撞建模问题 多领域集成化仿真与控制 多体系统参数识别问题 多目标（学科）协同优化 硬件在环、人在回路仿真 多体系统的概率分析问题
产品概念设计
产品详细设计
1.1 虚拟产品开发与虚拟样机技术
虚拟产品开发、虚拟样机技术应运而生 虚拟产品开发、虚拟样机技术应运而生
T 最快的 上市时间
Q 最好的 产品
C
S
最低的 产品成本
良好的 产品服务
E 尽少的 环境污染
虚 拟 产 品 开 发 流 程
虚 拟 产 品 开 发 流 程
传统产品开发，在概念设计（产品规划）之 后，是一个产品设计—样机建造—测试评估—反 馈设计的循环反复过程，这其中的每一次循环， 都伴随有物理样机的建造或修改，随之而来的产 品开发周期的延长和开发成本的增长。
得到分析结果之 后，结果通常要与 实验结果进行对比， 这些对分析结果进 行处理的过程是在 后处理器完成 的，后处理器一般 都提供了曲线显示、 曲线运算和动画显 示功能。
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1.2 机械系统动力学分析与仿真—发展方向与前沿
70年代 70年代 解决了自动化建模 解决了自动化建 和求解问题的基础 理论问题。 模和求解问题的
虚拟样机实现过程图示
改进——是根据验证结果而来的，包括两个方面，一
是模型精度与广度的改进，二是设计本身的改进。
从模型的改进来讲，开始设计时，考虑的只是有限的要素和粗略的特性， 比如在设计汽车时，刚开始考虑的可能只是汽车机械部分，而且机械零部件也 简化为刚体。随着设计的细化，数字化的模型越来越接近实际的目标产品，模 型广度延伸，在单纯的机械系统上加上动力系统、电子系统、控制系统等，零 部件或要素特性细化，比如用更接近实际的柔性体代替刚性体，用力函数代替 常力，等等。