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合肥工业大学工程力学系多体系统运动模拟绪论孙文春绪论虚拟产品开发（VirtualProductDevelopment-VPD）波音公司777机型第一次完全采用虚拟技术设计，试验，定型，生产。成为虚拟样机技术（VP）应用的里程碑。VPD的几个重要特点1.全数字化开发一是产品存在的数字化二是开发管理的数字化三是信息交流的数字化2.全产品生命周期产品研究、产品规划、产品设计、产品试验、产品制造、产品销售、产品使用到产品最终报废的产品全生命周期在计算机上构造的虚拟环境中予以实现.3.信息网络协同基于网络的协同开发和并行工程的使用VPD介绍虚拟样机技术的应用一、虚拟样机技术与传统产品形成比较一、虚拟样机技术与传统产品形成比较传统CAD/CAE/CAM技术的特点1.传统的CAD技术基于三维实体几何造型技术，支持产品零部件的详细结构设计和形态分析。2.传统的CAE技术主要指应用有限元软件，完成产品零部件的结构分析、热分析、振动特性等功能分析问题。3.传统的CAM技术旨在提高产品零部件的可制造性，提供对机床、机器人、铸造过程、冲压过程、锻造加工等方面更好的控制。它们主要针对零部件的质量和性能的提高目的虚拟样机技术是面向系统的设计/分析/制造、以提高产品整体质量和性能并降低开发与制造成本为目的的。二、虚拟样机产品形成流程二、虚拟样机产品形成流程I-DEASUGCATIAPro/ECADDS5SolidworksCoCreateAutoCADMicrostationMATRIXxMATLABEasy5NastranANSYSABAQUSI-DEAS建造过程也就是功能虚拟样机的建模过程。对于已经存在数字化物理样机的产品，可以直接从既有的几何模型引入零件实体模型，再通过有限元分析软件引入零件有限元模型，加上表示系统运动学和动力学特性的约束和力，建立起功能虚拟样机的模型。这样，在功能虚拟样机中，子系统或系统级虚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。功能虚拟样机贯穿于产品设计全阶段，在产品概念设计，建模过程是从简单的示意图开始的，随着产品结构的细化与完善，功能虚拟样机也逐步接近于目标产品。测试是功能虚拟样机中极其意义的过程，实现测试仿真是功能虚拟样机的重要目标。传统的实体物理样机包括不同情况下的试验室试验和试验场试验，虚拟样机也包括与之对应的两种试验。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，等等。为了实现有效的功能虚拟样机，实体物理样机的物理试验与虚拟样机的仿真试验之间的紧密配合是必不可少的，两者的配合是从零部件和系统两个级别实现的。验证是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功能虚拟样机。一般说来，物理样机试验往往是针对不同特性从多个角度进行的，如汽车，就要进行平顺性、操纵稳定性、NVH、耐久性等试验，而且每种特性试验往往要重复多次，借助验证合理的功能虚拟样机，可以大大地减少物理试验的种类和次数，并且功能虚拟样机可以产生足够多的信息以支持产品决策。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。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。从设计的改进来讲，首先要定义并完成一组产品功能试验，这些是利用功能虚拟样机通过虚拟试验完成的，接着是基于此的零部件参数、系统拓扑和参数公差范围的改进。在进行虚拟试验时，对所有参数和公差的组合都进行试验是不现实也无必要的，普遍采用基于统计的实验设计（DOE-DesignOfExperiment）方法，根据DOE确定的系统性能与参数间统计上的关系，选定要组合的参数及其公差。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。一般说来，对于产品种类比较固定的企业来说，自动化过程是相对容易的，但是对于产品种类变化迅速的企业来说则非如此三、数字化功能样机（FunctionalDigitalPrototyping-FDP）三、数字化功能样机（FDP–FunctionalDigitalPrototyping）对于同一个系统，往往采用不同的工具对其不同的性能加以预测和评估，这种分析和优化也是在系统层次上进行的，这种技术称之为数字化功能样机技术，其模型称之为数字化功能样机，是在CAD/CAM/CAE技术和一般虚拟样机技术（VP–VirtualPrototyping）基础上发展起来的，其理论基础为计算多体系统动力学、结构有限元理论、其他领域物理系统建模与仿真理论，以及多领域物理系统混合建模与仿真理论。如：基于多体系统和有限元理论，解决产品的运动学、动力学、变形、结构、强度、寿命等问题；基于多领域物理系统理论，解决复杂产品机-电-液-控等多领域能量流和信号流的传递与控制问题。针对图中样机不同的特性分析内容，存在着不同的软件系统。在运动学和动力学特性分析与仿真方面，有美国MSC/ADAMS、比利时LMS/DADS、德国SIMPACK、韩国RecurDyn等等，应力疲劳特性分析有FE-SAFE等，非线性变形分析有美国MSC/NASTRAN、ANSYS、MSC/MARC、HKS/ABAQUS、ADINA等等，振动与噪声分析方面有SYSNOISE、AUTOSEA等，有限元热分析有ANSYS、MSC/NASTRAN等等，大变形碰撞与冲击仿真有LS-DYNA、MSC/DYTRAN等等，计算流体动力学有STAR/CD、FLUENT、FLOW/3D等等，液压与控制方面有法国AMESIM、美国Matlab工具包、美国MSC/ADAMS工具包等，支持多领域物理系统混合建模与仿真的则有MSC/EASY5、DYMOLA、AMESIM、CRUISE等四、机械系统动力学分析与仿真4.1机械系统动力学分析与仿真的四个问题4.2机械系统动力学分析与仿真的流程4.3机械系统动力学分析与仿真与虚拟样机的区别4.4机械系统动力学分析与仿真软件系统四机械系统动力学分析与仿真机械系统是指由运动副连接多个物体所组成的系统。系统内部物体之间可能还有弹簧、阻尼器、致动器等力元的作用，系统外部对系统内物体施加外载（有外力或外力矩，以及驱动约束）。如果组成系统的物体全部假定为刚体，这样的机械系统称之为多刚体系统；如果考虑物体的弹性变形，全部物体为柔性体，这样的机械系统称之为多柔体系统；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，这样的系统称为刚柔混合多体系统。在一般的科学研究与工程应用中，刚柔混合多体系统和多柔体系统统称为多柔体系统。以上统称为多体系统。4.1机械系统动力学分析与仿真的四个问题机械系统动力学分析与仿真主要解决机械系统的运动学、正向动力学、逆向动力学、静平衡四种类型的分析与仿真问题。运动学分析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置、速度和加速度；正向动力学分析是研究外力（偶）作用下机械系统的动力学响应，包括各部件的加速度、速度和位置，以及运动过程中的约束反力；逆向动力学分析是已知机械系统的运动求反力的问题；静平衡分析要求确定系统在定常力作用下系统的静平衡位置。按照机械系统运动学与动力学分析的结果驱动系统作运动，称之为机械系统的运动学与动力学仿真。4.2机械系统动力学分析与仿真的流程机械系统动力学分析与仿真要经历物理建模、数学建模、问题求解和结果后处理几个阶段。物理建模是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。抽象之后的物理模型是计算多体系统动力学研究的对象。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4.2机械系统动力学分析与仿真的流程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，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。后处理得到分析结果之后，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。4.3机械系统动力学分析与仿真与虚拟样机的区别机械系统动力学分析与仿真对机械系统进行仿真，其将机械系统作为一个整体进行考虑，外部影响通过作用力和驱动约束等元素施加于系统，其任务是分析系统内部构件之间的关系与作用。功能虚拟样机是通过虚拟试验对以机械为主的产品的操作特性进行精确的预测和评估，其将产品系统与环境作为一个整体来考虑，产品系统抽象为以机械为主的数字化样机，环境建模为虚拟实验室或虚拟试验场，研究数字化样机在虚拟实验室或虚拟试验场里的运动和特性。所以机械系统动力学分析与仿真同功能虚拟样机其涵义是有所区别的。4.3机械系统动力学分析与仿真与虚拟样机的区别从研究对象来讲，前者研究的是机械系统本身，后者是将机械系统与环境作为一个整体来考虑。从研究内容来讲，前者研究一般化的运动学、动力学、逆向动力学和静平衡分析，后者研究与产品应用环境相关联的特性分析，如汽车的平顺性、通过性、操纵稳定性、振动与噪声等等。但是两者是紧密关联的。4.3机械系统动力学分析与仿真与虚拟样机的区别从理论上讲，机械系统动力学分析与仿真理论是功能虚拟样机技术的基础，运动学和动力学分析是各种特性分析的基础；功能虚拟样机技术是机械系统动力学分析与仿真的具体化，各种特性分析本质上也还是归为运动学与动力学分析。在实现上，功能虚拟样机技术并不需要一套独立的理论体系，将虚拟实验室或虚拟试验场的条件抽象为外部运动激励（驱动约束）或者外部作用力，功能虚拟样机的分析就成为一般机械系统的运动学与动力学分析了。4.4机械系统动力学分析与仿真软件系统实现功能虚拟样机的美国MSC公司的ADAMS和比利时LMS公司的DADSMSC/ADAMSADAMS(AutomaticDynamicAnalysisofMechanicalSystems)，原由美国MDI公司(MechanicalDynamicsInc.)开发，目前已被美国MSC公司收购成为MSC/ADAMS，是最著名的虚拟样机分析软件。ADAMS已在汽车、飞机、铁路、工程机械、一般机械、航天机械等领域得到广泛应用。具体介绍是我们的课程的任务。LMS/DADSDADS支持机械系统的快速装配、分析和优化，并提供了功能虚拟样机技术功能，可以为物理样机试验提供设计的装配特性、功能特性和可靠性的预测与校验分析。4.4机械系统动力学分析与仿真软件系统在建模方面，提供的建模元素包括丰富的运动副库、力库、约束库、控制元件库、液压元件库、轮胎接口等。在分析方面，提供了装配分析、运动学分析、动力学分析、逆向动力学分析、静平衡分析、预载荷分析等6种分析功能。并且针对不同的需求，提供了多种模块。实行有限元集成分析的美国MSC公司的NASTRAN和ANSYS。世界几大汽车公司使用的大型软件系统几本参考教程、教材陈立平，清华大学