基于Modelica的柔性多体系统建模与仿真

华中科技大学硕士学位论文基于Modelica的柔性多体系统建模与仿真姓名：黎瑶波申请学位级别：硕士专业：机械工程指导教师：赵建军2011-05-20华中科技大学硕士学位论文I摘要现代工业产品，如车辆、航空航天器、机器人等，在仿真设计中一般都抽象为柔性多体系统，且通常是由机械、电子、液压、控制等多个领域子系统组成的复杂系统，传统的单领域仿真工具已经无法满足这些多领域复杂系统的仿真要求。Modelica是一种基于方程的物理建模语言，它以统一的方式描述不同领域的组件模型，非常适合现代多领域复杂系统建模。然而，对于复杂系统中机械子系统的建模，Modelicas标准库只提供了不考虑变形的刚体组件，不能满足柔性多体系统建模的需求。本文针对上述问题进行了研究，基于柔性多体系统动力学理论，通过读取模态中性文件中柔性体的关键数据，在Modelica/MWorks上开发建立了柔体组件模型，从而实现了基于Modelica的柔性多体系统建模与仿真。本文主要完成以下几方面工作：首先，以柔性多体系统动力学为基础，研究了基于Modelica语言的柔性体建模方法，推导了无约束柔性体的运动微分方程；其次，通过中性文件转换方法在MWorks平台上开发了柔体组件模型，使MWorks具有了柔性体建模和对其进行动力学分析的能力；最后，以典型工程为例，包括悬臂梁、曲柄摇杆机构和液压挖掘机，验证了所开发柔体组件模型的正确性和实用性。结果表明，本文建立的柔体组件具有良好的相容性和重用性，并能在静力学、动力学分析中得到较为准确的仿真结果。关键词：Modelica;柔性多体系统;模态中性文件;多领域建模;MWorks华中科技大学硕士学位论文IIAbstractModernindustrialproducts,suchasvehicle,aircraft,robot,etc.,areabstractedasflexiblemulti-bodysystemsusuallyinsimulation,andareusuallymulti-domaincomplexsystemscomposedofsubsystemsfrommechanical,electronic,hydraulicandcontrolsystemcomponents.Thetraditionalsingle-fieldsimulationtoolshavebeenunabletomeetthedemandsofthesemulti-domaincomplexsystems.Modelicaisanequation-basedlanguageformulti-domainphysicalsystemmodeling.Thelanguagedescribethecomponentsfromdifferentdomainsinauniformway,soit’sverysuitformodelingofmodernmulti-domaincomplexsystem.However,forthemodelingofMechanicalsubsystemofmulti-domaincomplexsystem,ModelicaStandardLibraryonlyprovidesrigidparts.It’sunabletomeetthedemandsofmodelingofflexbilemulti-bodysystems.Inthisdissertation,theproblemmentionedabovehasbeeninvestigated,basedonflexiblemulti-bodysystemdynamics,aflexiblebodycomponenthasbeendevelopedinModelica/MWorksbyobtainingthekeydataformmodalneutralfile.Themaintasksofthisdissertationareasfollowings:Firstly,basedonthedynamicsofflexiblemulti-bodysystems,themodelingmethodofflexiblebodybasedonModelicahasbeeninvestigated,andtheunconstraineddifferentialequationsofmotionoftheflexiblebodyhasbeendeduced.Secondly,aflexiblebodycomponentmodelhasbeendevelopedinMWorksbyneutralfileexchangingmethod,sothemodelingofflexiblebodycomponentandthedynamicalanalysisofflexiblemulti-bodysystemscanbefinishedinMWorks.Finally,sometypicalengineeringexamples,includingcantilever,crank-rockermechanismandhydraulicexcavator,areusedtodemonstratethecorrectnessandpracticalapplicationoftheflexiblebodycomponentdevelopedinthispaper.Theresultsindicatethattheflexiblecomponentiscompatibleandreusableandcanbeusedforstaticanddynamicanalysis.Keywords:Modelica,FlexibleMulti-bodySystem,ModalNeutralFile,multi-domainmodeling,MWorks独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本论文属于（请在以上方框内打“√”）学位论文作者签名：指导教师签名：日期：年月日日期：年月日保密□，在年解密后适用本授权书。不保密□。华中科技大学硕士学位论文11绪论1.1课题背景计算机仿真作为一种研究、开发新产品的科学手段，在产品优化以及节约开发成本、缩短开发周期等方面发挥着重要作用。随着科技的快速发展，现代复杂工程系统，如智能汽车、精密机床、机器人、航空航天器等，通常都是集机械、电子、液压、热力、气动、控制等多个学科功能单元于一体的多领域耦合复杂物理系统。针对这些多领域耦合系统的建模与仿真，传统的解决方法主要是先针对各独立子系统在其领域内单独仿真，然后通过集成的方式实现整体系统仿真。然而，这种方法难以获得耦合系统的整体动态性能特征。因此，工业界迫切需要一种统一建模语言，以实现由机械、电路电子、液压、热力学及控制等多领域元件组成的复杂物理系统的统一建模与仿真[1]。Modelica[2]是一种面向对象、基于方程的物理建模语言，它以统一的方式描述不同领域的模型，适合包含机械、电子、液压以及控制子系统的大型复杂耦合系统建模。Modelica采用面向对象和基于组件的思想，对不同领域的模型以统一的方式进行描述，基于Modelica的建模与仿真工具能够在统一平台下实现多领域复杂系统的统一建模与仿真分析。Modelica采用层次化组件模型，基于可重用的组件模型，预定义了机械、电子、液压、热力、控制等多个工程领域的可重用模型库。Modelica多体库是标准库的一个子库，预定义了用于表示复杂多体系统的基本机械组件，如世界坐标系、部件、关节、力等组件元素。尽管Modelica多体库提供了大量的机械组件，机械系统中的结构分布柔性问题仍然不能得到解决。为了获得更为精确的动力学仿真结果，现代工业产品，如车辆、航空航天器、机器人、精密机床等，在建模仿真时一般都抽象为柔性多体系统，且通常是由机械、电子、液压、控制等多个领域子系统组成的复杂系统。Modelica语言的出现，较好地解决了这些多领域耦合复杂系统的建模与仿真问题，但对于复杂系统中机械子系统的建模，Modelica只提供了不考虑变形的刚体部件，即只能建立多刚体系统。因此，基于Modelica建立的多领域耦合复杂系统模型，忽略了机械子系统中构件变形对系统动态特性的影华中科技大学硕士学位论文2响，系统的仿真分析不能得到更为真实、精确的仿真结果。以机器人的设计开发为例，在机器人运动学、动力学以及控制系统设计时，一个基本的假设就是，机械装置仅由刚体组成。机器人的控制系统设计不考虑构件的机械变形的，换号话说，机器人的动态性能是在假设控制器的带宽与一阶固有振动频率不发生耦合关系的前提下产生的。然而，实际中的机器人常常要求是轻质、高速，在较大载荷以及加速减速的情况下，构件均会产生较大的变形和振动。因此，构件的柔性对系统动态性能的影响不能忽略。1.2课题来源、目的和意义本课题来源于国家高技术研究发展计划（863计划）重点项目子课题：“基于Modelica的多学科综合优化技术（2009AA044501）”。课题的目的是基于多领域建模语言Modelica和多体动力学理论，在华中科技大学CAD中心自主开发的多领域建模与仿真分析平台Modelica/MWorks上研究开发柔体组件，进一步实现柔性多体系统建模与仿真。本课题的意义在于：1.首次通过读取模态中性文件数据实现了Modelica柔体组件建模，应用该方法能够在建立任意几何形状的Modelica柔体组件；2.通过本课题的研究，使得Modelica/MWorks在多体系统分析基础之上，初步具备处理结构分布柔性的问题；3.本课题建立的柔体组件具备良好的相容性与重用性。因此，该建模方法可为Modelica柔体库的开发提供借鉴经验。1.3国内外研究现状本文所采用的建模理论以及相关的应用研究，都是在国内外相关研究成果的基础上形成的，因此首先对相关领域的发展现状作一简要概述。1.3.1柔性多体系统建模与仿真发展概述所谓多体系统（MultibodySystem,MBS），是指由多个相互作用的物体所构成的系统。广义的多体系统包括小到由原子核和电子构成的原子，大到由引有引力联系在一起华中科技大学硕士学位论文3的星系，以及工程实际中的车辆、航空航天器、工业机器人、运动研究用的生物体等等。根据构件视为刚体或柔性体，多体系统可分为多刚体系统和柔性多体系统（又称为多柔体系统或刚柔耦合系统）。多刚体系统动力学是在经典力学的基础上形成的的新的学科分支，主要研究多刚体系统的程式化求解算法，以便实现多体系统的计算机自动建模与求解。80年代后期，多刚体系统动力学在建模理论和商业程序方面都已经成熟。20世纪70年代，高速车辆、机器人、航天器等工程中大量采用轻质柔性材料，加上系统的运行速度提高，系统的动力学性态变得越来越复杂。传统的多刚体动力学理论已经无法解释这些系统复杂的动力学性态，人们开始关注柔性多体系统动力学。柔性多体系统动力学（DynamicsoftheFlexibleMultibodySystems，又称为多柔体系统动力学）研究由可变形物体以及刚体所组成的系统在经历大范围空间运动时的动力学行为[3]。大范围刚性运动与弹性变形同时出现并发生耦合现象是柔性多体系统动力学的核心特征。30多年来，柔性多体系统动力学建模理论