多体动力学仿真与虚拟机械样机技术

多体动力学仿真与虚拟物理样机技术中物院工学院：廖海平故事从一篇硕士论文说起……瑞典XM982“神剑”精确制导炮弹主要内容

1.动力学与多体动力学基础

2.多体动力学数值仿真技术

3.虚拟物理样机技术

4.我们的虚拟物理样机研究动力学

研究物体的机械运动与作用力之间的关系。一、动力学与多体动力学基础1.1动力学的三大基本定律第一定律(惯性定律)

不受力作用的质点，将保持静止或作匀速直线运动。

质点保持其原有运动状态不变的属性称为惯性。第二定律(力与加速度关系定律)在经典力学中质点的质量是守恒的质点的质量与加速度的乘积，等于作用质点的力的大小，加速度的方向与力的方向相同。第三定律（作用与反作用定律）两个物体间相互作用的作用力和反作用力总是大小相等、方向相反，沿着同一作用线同时分别作用在这两个物体上。

以牛顿定律为基础所形成的力学理论称为古典力学。1.2质点的运动微分方程2.质点运动微分方程在直角坐标轴上投影3.质点运动微分方程在自然轴上投影1.矢量形式的质点运动微分方程1.3质点动力学的两类基本问题第一类基本问题：已知质点的运动，求作用在质点上的力。这类问题其实质可归结为数学上的求导问题。第二类基本问题：已知作用在质点上的力，求质点的运动。这类问题其实质可归结为数学上的解微分方程或求积分问题。1.力是常数或是时间的简单函数3.力是速度的简单函数，分离变量积分2.力是位置的简单函数,利用循环求导变换

例：在重力作用下以仰角a初速度v0抛射出一物体。假设空气阻力与速度成正比，方向与速度方向相反，即FR＝-Cv，C为阻力系数。试求抛射体的运动方程。解：由直角坐标形式的质点运动微分方程得因为v0vMFRmgOyxaq运动轨迹图

多体系统是对某类客观事物的高度抽象和概括，这类系统都据有一个共同的特点，即它们都是通过特定的关节（铰链）将诸多零（部）件——即所谓的“体”联接起来的；因此我们把多体系统定义为以一定的联接方式互相关联起来的多个物体构成的系统，这些物体可以是刚体也可以是柔体。如果多体系统中所有的体均为刚体则称该系统为多刚体系统；如果多体系统含有一个以上的柔体，则称为柔性多体系统。

1.4多体动力学基础典型的多体系统:汽车转向系统仿真机器人多体动力学应用研究汽车碰撞试验飞机起落架打开相对坐标法：

每个体上固结一个局部坐标系，是目前常用的方法。绝对坐标法：

用统一的坐标系表示整个系统的状态，计算效率低，较少采用。1.5多体动力学的基本问题1坐标系的选择问题矢量力学Newton－Euler（N/E）方法：隔离体分析分析力学：Lagrange方程：

从系统的能量角度入手建立动力学方程。Kane方程：

兼有矢量力学和分析力学的特点。无论哪种原理方法，各动力学原理与方程具有等效性。2建模方法的选择问题

多体系统动力学方程的系数矩阵为高度非线性，其初始条件或参数的微小变化或因计算误差的积累都有可能导致仿真结果的较大偏差甚至发散。目前多采用传统的数值积分方法，如四阶Runge－Kutta法、Gear法、Newmark法等。3动力学方程数值算法问题二、多体动力学数值仿真技术(1)．问题的描述、定义和分析；(2)．建立仿真模型；(3)．数据采集和筛选；(4)．仿真模型的确认；(5)．仿真模型的编程实现与验证；(6)．仿真试验设计；(7)．仿真模型的运行；(8)．仿真结果的输出、记录；(9)．分析数据，得出结论。

1多体动力学仿真步骤Fortran语言编制的专用程序FORTRAN，是英文“FORmulaTRANslator”的缩写，译为“公式翻译器”，它是世界上最早出现的计算机高级程序设计语言，广泛应用于科学和工程计算领域。FORTRAN语言以其特有的功能在数值、科学和工程计算领域发挥着重要作用。

与现代流行的高级语言相比，其缺乏创造力，程序庞杂难学，与实际的数学计算还具有一定差距，缺乏直观性。2多体动力学仿真工具Matlab编制的专用程序MATLAB是矩阵实验室（MatrixLaboratory）的简称，是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括MATLAB和Simulink两大部分。Matlab具有友好的工作平台和编程环境，简单易用的程序语言，强大的计算功能和图形处理功能，应用广泛的模块集合工具箱。UG、Pro/E等大型三维软件的机构模块UG的Motion模块，Pro/E的Mechanica模块等，都可以进行一定的多体动力学分析，其分析功能有限，不能进行复杂的多体系统分析。优势在具有强大的三维建模功能。ADAMS专用多体动力学分析软件

ADAMS，即机械系统动力学自动分析(AutomaticDynamicAnalysisofMechanicalSystems)，该软件是美国MDI公司(MechanicalDynamicsInc.)开发的虚拟样机分析软件。是目前机械系统动态仿真分析软件国际市场占有率最大的软件,现已经并入美国MSC公司。

特点是动力学分析功能强大，有多个专业模块适合不同行业需求，但三维建模功能较差，可从其它三位软件导入。RecurDyn专用多体动力学分析软件RecurDyn(RecursiveDynamic)是由韩国FunctionBay公司开发出的新一代多体系统动力学仿真软件。它采用相对坐标系运动方程理论和完全递归算法，非常适合于求解大规模的多体系统动力学问题。具有友好的操作界面，尤其擅长柔性体接触和大变形问题，采用非线性的MFBD有限元柔性体技术，可直接导入有限元模型。其它专用多体动力学分析软件

典型的有比利时LMS公司的MOTION（原名DADS），专门为模拟机械系统的真实运动和载荷而设计的。它提供了有效的方法可以快速创建和改进多体模型，有效地重复使用CAD和有限元模型，并能快速反复模拟评价多种设计选择的性能。工程师可以在早期的开发阶段利用灵活可调的模型进行概念上的运动学研究。并在后续阶段中结合试验数据进行更具体的评估。德国INTECGmbh公司(于2009年正式更名为SIMPACKAG)开发的针对机械/机电系统运动学/动力学仿真分析的多体动力学分析软件包SIMPACK。它以多体系统计算动力学为基础，包含多个专业模块和专业领域的虚拟样机开发系统软件。三、虚拟物理样机技术*利用Adams软件建模工具直接建立样机模型*利用其它软件建立模型后输入Adams软件利用adams仿真软件对机械系统进行仿真过程：建模系统几何建模施加约束和运动施加载荷测量调试仿真与仿真再现仿真后处理启动ADAMS后显示窗口欢迎对话框挖掘机运动仿真风电发电机设计仿真飞机起落架仿真分析四、我们的虚拟物理样机研究1压铸机合模机构运动仿真合模机构示意图合模机构液压回路2液压支架动力学仿真顶梁与掩护梁铰结处运动轨迹支架高度位移曲线3虚拟夹具样机优化设计系统开发取得了一定的成果

在《机床与液压》等中文核心期刊上发表相关论文3篇；

与两家企业有相关业务联系探讨。

成绩结论现有先进产品开发技术包括:CAD/CAE/CAM/PLM(ProductLi