升降平台动力学分析

升降平台动力学分析

机械的动态特性研究成了国内外研究学者的研究热点，对于提高机械系统的可靠性和改善系统的动态响应特性有着重要的作用。本文运用虚拟样机技术，以升降平台为研究对象，对升降平台的机械动力学特性进行深入的分析研究。虚拟样机技术借助成熟的三维计算机图形技术、图形用户界面技术、信息技术、集成技术、多媒体技术、并行处理技术等对虚拟的产品原型进行设计优化、性能测试、制造仿真以及使用仿真，不仅可以提高仿真精度，而且可以缩短产品设计周期，对于工程实际具有重要的现实意义。本文主要内容如下：

1．介绍虚拟样机技术的基本内容，阐述虚拟样机国内外研究现状，论证进行虚拟样机分析的必要性和意义。

2．阐述多刚体系统动力学建模求解过程，建立升降平台的三维实体模型，并对模型进行合理的简化，采用ADAMS与Pro／E共同支持的文什交换格式Parasolid，把升降平台的实体模型转换到ADAMS中，完成虚拟样机模型的建立。

3．仿真分析升降平台的运动学和动力学特性，得出升降平台上升的位移、速度、加速度，对丝杆的振动分析、螺栓的强度校核等，为下一步实际样机的开发设计提供了理论基础和试验数据。

1．I虚拟样机技术

虚拟样机技术又称为动态仿真技术，是指在产品设计开发过程中，将分散的零部件设计和分析技术(指在单一系统中零部件的CAD和CAE技术)柔和在一起，在计算机上建造出产品的整体模型，并针对该产品在投入使用后的各种工况进行仿真分析，预测产品的整体性能，进而改进产品设计、提高产品性能的一种新技术。虚拟样机技术源于对多刚体系统动力学的研究，多刚体系统动力学是在经典力学基础上发展起来的专门解决复杂系统运动学和动力学问题的新的学科分支。其主要任务是：建立系统的运动学和动力学模型，并且开发相应的软件系统，户只需要输入基本数据，计算机将自动列写出所需要的方程；建立有效、稳定的数值算法，自动求解运动学和动力学方程：提供计算机仿真结果的图形输出，将分析结果传送给用户。

目前多体系统动力学己形成了比较系统的研究方法。对于由多个刚体组成的复杂机械系统，在理论上采用以牛顿一欧拉方程为代表的矢量学方法和以拉格朗日方程为代表的分析力学方法。这种方法对于单刚体或者少数几个刚体组成的系统计算是可行的，但是随着刚体数目的增加，方程复杂程度增大，要得出其解析结果很难。随着计算机数值计算方法的出现，使得面向具体问题的程序数值方法成为求解复杂问题的一条可行道路。针对具体的多刚体问题列出其数学方程，再编制数值计算程序进行求解。对于每一个问题都要编制相应的程序进行求解，虽然可以得出合理的结果，但是这个过程需要不断的重复，让人很难接受。于是寻求一种适合计算机操作的程式化的建模和求解方法变得迫切需要了。在这个时候，也就是20世纪60年代初期，在航天领域和机械领域，分别展开了对于多刚体系统动力学的研究，并且形成了不同派别的研究方法。最具代表性的几种方法是罗伯森．维滕(Roberson．Wittenburg)凯恩(Kane)方法、旋量方法和变分方法。

Roberson和Wittenburg等人创造性的将图论运用于多体系统动力学，利用图论的～些基本概念和数学工具描叙机械系统各物体之间的结构特征。借助图论工具可使不同结构的系统用统一的数学模型来描述，以相邻物体之间的相对位移作广义坐标导出多体系统的一般形式的动力学方程。

Kane方法是在1965年左右形成的分析复杂系统的一种方法，其利用广义速率代替广义坐标描述系统的运动，直接利用达朗伯原理建立动力学方程，并将矢量形式的力与达朗伯惯性力直接向特定的基矢量方向投影以消除理想约束力，兼有矢量力学和分析力学的特点，既适用完整系统，也适用于非完整系统。作为Kane方法的具体应用，Huston等人发展了一种几何与计算相统一的方法。Kane等人开发了基于符号推导的多两南大学硕十学位论文刚体系统动力学分析软件AUTOLEV；Huston等人则开发了软件DYNOCOMBS(旋量方法是一种特殊的矢量力学方法(或牛顿一欧拉方法，简称为N／E方法)，其特点是将矢量与矢量矩合为一体，采用旋量的概念，利用对偶数作为数学工具，使N／E方程具有极其简明的表达形式，在开链和闭链空间机构的运动学和动力学分析得到广泛运用。

变分方法是不同于矢量力学或分析力学的另一类分析方法，高斯最小拘束原理是变分方法的基本原理，保保夫和里洛夫从这一原理出发发展了两种不同风格的计算方法。该方法有利于结合控制系统的优化进行综合分析，而且由于其不受铰的约束数目的影响，适用于带多个闭环的复杂系统。

这几种方法构成了早期多刚体系统动力学的主要内容，借助计算机数值分析技术，可以解决由多个物体组成的复杂机械系统动力学分析问题。为了解决多体系统动力学建模与求解的自动化问题，美国ChaceIs,91和Haugti0,111提出了适宜于计算机自动建模与求解的多刚体系统笛卡尔建模方法，这种方法不同于以罗伯森．维滕堡方法为代表的拉格朗日方法，它是为以系统中每个物体为单元，建立固结在刚体上的坐标系，刚体的位置相对于一个公共参考基进行定义，其位置坐标统一为刚体坐标系基点的笛卡尔坐标与坐标系的方位坐标，再根据铰约束和动力学原理建立系统的数学模型进行求解。Chace等人应用吉尔(Gear)的刚性积分算法并采用稀疏矩阵技术提高了计算效率，编制了hDhMS(hutomatic Dynamic Analysis of Mechanical System)程序，Haug等人研究了广义坐标分类、奇异值分解等算法，编制了DADS(Dynamical Analysis and Design System)程序。

虚拟样机技术的成熟也与计算机辅助设计技术推广应用分不开。现在普遍使用的三维软件如Pro／E、UG等都具有强大的建模能力，能够实时按照设计者的设计意图对模型进行修改，使设计者把主要的精力花在创造性设计上面，使在计算机上的设计一试验一设计具有了实际的时间意义。

虚拟样机技术在工程上的应用是通过友好、功能强大、性能稳定的商品化虚拟样机软件实现的。国外虚拟样机技术软件的商品化早己完成。目前有20几家公司在这个日益增长的市场上竞争。比较有影响的包括美国机械动力学公司的ADAMS，比利时的LMS公司的DADS以及德国航天局的SIMPACK。本文主要运用的多刚体动力学软件是ADAMS。