（机械设计及理论专业论文）基于虚拟现实技术的智能立体车库系统的研究.pdf

基于虚拟现实技术的智能立体车库系统的研究 摘要 交通问题成为困扰城市发展的瓶颈。立体车库是解决城市静态 交通的有效途径之一。目前，在国内一些经济较发达，人口密度又 较大的城市中，开发推广立体停车库，并已经日趋成熟。 机械式立体车库作为非标准机械设备，它的设计和生产，很难 实现量产。因此，在车库从设计到制造到安装应用过程中，设计部 分工作量繁重。为保证设计的高效合理，引入虚拟样机理论，并进 行尝试。课题系统地介绍了多体系统动力学理论和基于该理论应用 广泛的机械系统分析软件a d a m s 。详细介绍了多体系统动力学中拉 格朗日方程的建立和各种求解方法；根据课题研究内容，分别对刚 体系统和弹性体建模方法和理论也进行了分析；最后对回转和升降 机构的多体系统做运动学和动力学分析、探讨。 本课题在多体动力学系统分析软件a d a m s 中建立了机械式立 体车库平移机构模型，回转机构模型和升降机构模型等多体机械系 统模型，并做出仿真分析。并对多体机械系统模型在p r o e 中建立 并导入a d a m s v i e w 中和从s o l i d w o r k s 建立实体模型导入分析 方法做了比较。 通过对机械式立体车库回转机构模型和升降机构模型中的弹性 体( 如载车盘、回转轴和回转臂等) 的固有模态分析，最终在多体 分析软件a d a m s 中实现了工作装置的刚一弹耦合体建模，为下一 步的动态应力仿真奠定了基础。得到部件如载车盘的时间频率历程 和旋转角度分布云图，建立车库三维结构图，考虑构件弹性变形的 条件，载车盘的瞬时位置与车质量，变频电机功率的关系。圆盘辐 射式机械工作装置由于重量较大，在举升和回转初始的加速和举升 和回转的结束时的减速等情况下变频电机要不断调整功率状态，保 证载车盘的优化运动轨迹，建立车盘位置与时间和速度角速度的数 学关系，并进一步改进成电机功率输出与载车盘速度与角速度关系。 为闭环控制提供各个瞬时空间位置数据，得到闭环控制所需要数据。 并用a d a m s 多体动力学技术对模型分析。 课题也介绍了电控系统组成，运行及安全检测和弱电系统功能 分析，对车库系统控制部分智能化做一定探讨。 关键词：虚拟样机，立体车库，a d a m s ，优化设计 t h er e s e a r c ho fi n t e l l e c t u a l i z a t i o n t h r e e d i m e n s i o n a lg a r a g es y s t e mb a s e d o nv i r t u a l r e a l i t yt e c h n o l o g y a b s t r a c t t h et r a n s p o r t a t i o nq u e s t i o nb e c o m e so n ec h o k ep o i n tt op u z z l i n g t h eu r b a nd e v e l o p m e n t t h et h r e e - d i m e n s i o n a lg a r a g ei so neo fe f f i c i e n t p a t h s t os o l v et h eu r b a ns t a t i cs t a t et r a n s p o r t a t i o n a tp r e s e n ti th a s b e c o m em o r em a t u r et od e v e l o pa n dp r o m o t et h et h r e e - d i m e n s i o n a l g a r a g e i ns o m e b i g c i t i e sw i t h d e v e l o p e de c o n o m ya n dd e n s e l y p o p u l a t i o ni no u rc o u n t r y t h em e c h a n i c a lt h r e e - d i m e n s i o n a lg a r a g e a sn o n - s t a n d a r d m e c h a n i c a ld e v i c ei sh a r dt o p r o d u c tq ua n t i t y t oi t s d e s i g n a n d p r o d u c e s ot h ed e s i g nw o r ki sh e a v yi nt h ep r o c e s s i n go fd e s i g n i n gt o m a k i n gt oi n s t a l l i n ga n da p p l y i n go ft h et h r e e - d i m e n s i o n a lg a r a g e i n o r d e rt o g u a r a n t e e i n gh i g h l y e f f e c t i v ea n dr e a s o n a b l e d e s i g n ， c o l l a b o r a t i v ev i r t u a lp r o t o t y p i n gi st a k e na n dm a d et r y i n g t h et h e s i s s y s t e m a t i c a l l yi n t r o d u c e st h em u l t i - b o d ys y s t e md y n a m i c st h e o r ya n d a u t o m a t i cd y n a m i c a n a l y s i s o fm e c h a n i c a l s y s t e m sb a s e d o nt h e m u l t i - b o d ys y s t e md y n a m i c st h e o r y a n da p p l i e dw i d e l y t h et h e s i s p a r t i c u l a r l y i n t r o d u c e s l a g r a n g ee q u a t i o n e s t a b l i s h m e n ta n de a c h s o l u t i o nm e t h o do ft h em u l t i - b o d ys y s t e mk i n e t i ct h e o r y ，a n da n a l y z e s t h er i g i db o d ys y s t e ma n de l a s t o m e rm o d e l i n gm e t h o da n dt h e o r yp a r t l y a c c o r d i n g t oc o n t e n to ft h et h e s i sr e s e a r c h i n g ，a n da n a l y z e s a n d d i s c u s s e st h ek i n e m a t i c sa n dd y n a m i c st om u l t i - b o d ys y s t e mo fr o t a t i o n a n de l e v a t i n gm e c h a n i s m a n dt h et h e s i sc o m p a r e st h ea n a l y s i sm e t h o d s t h a t t h ep o l y s o m em e c h a n i c a ls y s t e mm o d e li sb u i l ti np r o eo r i n s o l i d w o r k si n d u c t e di na d a m s v i e wa n dm a d ea n a l y s i s t h et h e s i sr e a l i z e st h ew o r ki n s t a l l m e n tr i g i da e r o - e l a s t i c i t y c o u p l i n gb o d ym o d e l i n ga n dl a y st h ef o u n d a t i o nf o rt h ed y n a m i cs t r e s s s i m u l a t i o ni nn e x ts t e pi nm u l t i - b o d ya n a l y s i ss o f t w a r ea d a m sb y a n a l y z i n gt h ei n h e r e n tm o d a lo f t h es w i v e l i n gm e c h a n i s mm o d e la n dt h e e l e v a t i n gm e c h a n i s mm o d e le l a s t o m e ra su n d e r c a r r i a g e ，t h er o t o ra n d r e v o l v i n ga r mo ft h em e c h a n i c a lt h r e e - d i m e n s i o n a lg a r a g e t h et h e s i s e s t a b l i s h e st h er e l a t i o n s h i po fu n d e r c a r r i a g e si n s t a n t a n e o u sf i xa n d v e h i c l eq u a l i t ya n df r e q u e n c yc o n v e r s i o ne l e c t r i c a lm a c h i n e r yp o w e ri n u n d e r c a r r i a g e s t h r e e - d i m e n s i o n a l s p a c eb yc o n s i d e r i n gc o m p o n e n t e l a s t i cd e f o r m a t i o nc o n d i t i o n ，b yg e t t i n gp a r t s a su n d e r c a r r i a g e s t e m p o r a lf r e q u e n c yc o u r s ea n dd e g r e e sr o t a t i o nd i s t r i b u t e dc l o u dc h a r t ； t h ed i s cr a d i a t i o nf o r m u l am e c h a n i c a lw o r ki n s t a l l m e n ti sh e a v y ，a n d t h ef r e q u e n c yc o n v e r s i o ne l e c t r i c a lm a c h i n e r yn e e d st oa d j u s tp o w e r c o n d i t i o nc o n s i s t e n t l yi nl i f t i n ga n dr o t a t i o ni n i t i a l a c c e l e r a t i o na n d l i f t i n g a n dr o t a t i o n c o n c l u s i o nd e c e l e r a t i o n t o g u a r a n t e e t h e u n d e r c a r r i a g e so p t i m i z a t i o np a t h ，t oe s t a b l i s h v e h i c l ep l a t ep o s i t i o n a n dt i m ea n ds p e e da n g u l a rs p e e dm a t h e m a t i c a lr e l a t i o n ，t oi m p r o v et h e e l e c t r i c a lm a c h i n e r yp o w e ro u t p u tw i t ht oc a r r yt h ev e h i c l ep l a t es p e e d a n dt h ea n g u l a rs p e e dr e l a t i o n sm o r e o v e r t h et h e s i sg e t st h ed a t a n e e d e di nc l o s e d - l o o pc o n t r o lb yp r o v i d i n ge a c hi n s t a n ts p a c ep o s i t i o n d a t ai nc l o s e d - l o o pc o n t r 0 1 a n di ta n a l y z e s t h em o d e lu s i n gt h e p o l y s o m ed y n a m i c st e c h n o l o g ya d a m s t h et h e s i s a l s oi n t r o d u c e st h ee l e c t r i c a l l yc o n t r o l l e ds y s t e m s c o m p o s i n g ，r u n n i n ga n ds a f ee x a m i n i n g ，a n da n a l y z e sw e a ke l e c t r i c i t y s y s t e mf u n c t i o n ，a n dm a k e sc e r t a i nd i s c u s s i o nt ot h ei n t e l l e c t u a l i z a t i o n o fg a r a g es y s t e m sc o n t r o lp a r t k e yw o r d s ：v i r t u a lp r o t o t y p et e c h n o l o g y ，t h r e e - d i m e n s i o n a l g a r a g e ，a d a m s ，o p t i m i z ed e s i g n i v 基于虚拟现实技术的智能口体车库系统的研究 原创性声明及关于学位论文使用授权的声明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的科研成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方 式标明。本人完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解陕西科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留或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；本人授权陕西科技大学可以将本 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、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。同时授 权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到( ( 中国学位论文 全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 ( 保密论文在解密后应遵守此规 论文作者签名：秘导师签名： 基于虚拟现实技术的智能口体车库系统的研究 1 绪论 1 1 智能立体车库国内外开发现状和发展趋势 1 1 1 智能立体车库简介 停车库的发展，应该说从第一辆汽车诞生以来就随之产生。然而拥有百年 历史的它却远不及汽车工业那么引人注目，更不为大多数人所重视。智能化立 体车库是物流仓储科学中的一门综合科学技术工程。智能立体车库系统包含了 当前机械、自动控制、液压、磁控、网络、管理、建筑等技术领域成熟的先进 技术，已经逐步发展成为技术密集型产品的代表。它以高层立体车位架为主要 标志，以成套搬运设备为基础，以先进计算机控制技术为主要手段，从而提高 空间利用率，提高车辆存取效率，减轻停车场工作人员劳动强度并能提高劳动 效率。 随着国民经济稳步运行和城市化进程加快，我国许多城市交通体系面临更 严峻的考验，开车难、停车难成为许多城市通病，交通问题成为困扰城市发展 的瓶颈。立体车库是解决城市静态交通的有效途径之一。 1 1 2 国内外智能立体车库的发展综述 美国于l9 2 0 年建成世界上第一个用机械升降的汽车库。到6 0 年代立体车 库发展很快，到2 0 世纪9 0 年代初兴起用电脑控制的自动化立体车库。这种车 库在德国、美国、日本已经普及，而英国、法国、瑞士、韩国等国家纷纷仿效。 日本由于国土面积小而应用最广，自从19 5 9 年引进了建造机械式立体停车库 技术之后，到1 9 8 3 年，就已经在本土上共建造了2 5 4 5 4 座多种形式的机械式 车库，平均每座容车量达到十辆左右，最多的能达到百辆以上。从上世纪七十 年代末期起，车库容量年递增率为5 一7 ，已经赶上了同期汽车拥有量的年递 增率4 - 6 。从技术特征上看，日本更重视竖式自动立体车库的发展，即密集 型自动立体停车库的发展。1 9 9 3 年，在日本东京举行的世界立体自动停车设备 展览会盛况空前。 2 0 0 6 年十月在上海举办的“2 0 0 6 上海国际停车设备和智能系统展览会”吸 引了来自德、r 、美等世界上知名的停车设备制造商，全自动立体停车设备的 容车能力及其技术完备，先进程度已被世界广泛承认和接受。国内正处于经济 与建设发展阶段，目前已有国外多种停车设备出现在国内市场上。 根据停车设备工作委员会对国内8 3 家机械式停车设备主机制造厂家做的 陕两科技人学硕上学位论文 统计分析表明，2 0 0 3 年中国停车设备行业仍然保持了较高的增长势头。中国停 车设备行业作为一个新兴的行业，2 0 0 0 年以来得到了快速地发展，机械式停车 泊位的年平均增长率超过了5 0 。2 0 0 3 年国内安装建设的机械式立体停车库 3 0 3 个，较2 0 0 2 年增长5 4 6 ；停车泊位3 3 7 5 6 个，较2 0 0 2 年增长3 7 7 ； 出口泊位5 7 8 6 个，较2 0 0 2 年增长l8 9 。 统计结果显示，2 0 0 3 年国内机械式停车库的发展主要呈现出以下几个特 点： 首先，市场明显扩大，北京市场一枝独秀的状况开始受到挑战。2 0 0 3 年年 全国有2 2 个省( 区) 、市的4 0 个城市兴建了机械式立体停车库，其中北京、 上海、广东、江苏、山东和浙江以上6 个省市泊位量占到全国新建泊位总量的 8 7 ，成为国内机械式立体停车库发展最热的地区。 其次，车库类型增多，一些技术含量较高、附加值较大的车库类型开始受 到用户的青睐。2 0 0 3 年升降横移类车库占新建车库总量的8l ，泊位量占总 量的8 4 ，仍然是国内机械式立体停车库的主流库型，但像垂直升降类( 塔式) 、 平面移动类等技术含量较高、空间利用率更大的停车库也有了迅速增长，2 0 0 3 年北京升降横移类车库泊位较2 0 0 2 年下降7 1 ，而垂直升降类车库则新增了 7 座1 0 0 0 多个泊位。 再次，以小型车库为主，中、大型车库增长较快。 最后，住宅小区仍是机械式停车库的主要市场。2 0 0 3 年新建机械式停车库 中，小区配建占5 0 ，比2 0 0 2 年4 2 的份额提高了8 个百分点；单位自用停 车库占新建车库总量的3 0 ；公共停车库占2 0 。 统计显示，中国的停车设备制造厂家j 下逐步成熟起来，无论生产规模还是 技术水平都己接近和达到了国际水平，不仅具备向国内市场提供各类停车设备 的能力，而且出口量也在不断增加 2 - 4 。 1 2 虚拟样机技术的形成和发展 当今世界工业已经发生了巨大的变化，大规模人海战术早已不在适应工业 的发展，先进科学技术的应用显现出巨大的威力，特别是虚拟现实技术的应用 正对工业进行着一场前所未有的革命。虚拟现实已经被世界上一些大型企业广 泛地应用到工业的各个环节，对企业提高开发效率，加强数据采集、分析、处 理能力，减少决策失误，降低企业风险起到了重要的作用1 5 1 。 虚拟现实技术( v i r t u a lr e a l i t yt e c h n o l o g y ) 。虚拟现实( v i r t u a lr e a l i t y ) 是 近年来出现的高新技术。虚拟现实是指用计算机生成的一种特殊环境，人可以 2 基于虚拟现实技术的智能口体乍库系统的研究 通过使用各种特殊装置将自己“投射”到这个环境中，并操作、控制环境，实现 特殊的目的，即人是这种环境的主宰。 随着计算机技术的日臻成熟，在对机械工程领域问题分析过程中，出现了 虚拟样机技术，虚拟样机技术( v i r t u a lp r o t o t y p i n gt e c h n o l o g y ) 又称为机械系 统动态仿真技术，是2 0 世纪8 0 年代随着计算机技术发展起来的一项新技术。 虚拟样机技术是采用计算机仿真与虚拟技术，在计算机上通过c a d c a m c a e ( c o m p u t e ra i d e dd e s i g n c o m p u t e ra i d e dm a n u f a c t u r i n g c o m p u t e ra i d e de n g i n e e r i n g ) 等技术把产品的资料集成到一个可视化环境中，实现产品的仿真、分 析。虚拟样机在设计的初级阶段一一概念设计阶段就可以对整个系统进行完整 的分析，可以观察并试验各个组成部件的相互运动情况。使用系统仿真软件在 各种虚拟环境真实地模拟系统运动，可以在计算机上方便的修改设计缺陷，仿 真试验不同的设计方案，对整个系统不断改进，直到获得最优化的方案，再做 出物理样机。 虚拟样机技术的核心是利用计算机辅助分析技术进行机械系统的运动学 和动力学分析。 传统设计与制造过程中，首先是概念设计和方案论证，然后进行产品设计。 在设计完成后，要制造样机试验，有些试验甚至是破坏性的，当产品发现缺陷， 又要回头修改设计并再用样机验证。只有周而复始的设计一试验一设计过程， 产品才能达到要求的性能。这一过程是冗长的，尤其是对结构复杂的系统。传 统设计与制造过程中，设计周期无法缩短，样机单机制造成本高，严重制约了 市场环境下企业自身的竞争力。 虚拟样机技术的应用贯串在整个设计过程中。他可以用在概念设计的方案 论证中，设计师可以把自己的经验与想象结合在计算机的虚拟样机中，当虚拟 样机用来代替实际模型验证设计时，开发周期缩短，设计质量和效率提高。 国外虚拟样机技术的商品化过程早己完成。目前有二十多家公司在这个日 益增长的市场上竞争。比较有影响的产品包括m s c s o f t w a r e 公司的m s c a d a m s ( 以下简称a d a m s ) ，c a d s i 公司的d a d s 以及德国航天局的 s i m p a c k 。 在虚拟样机技术中，最优秀的软件莫属a d a m s 软件，由于其领先的“功 能化数字样机”技术，迅速发展成为c a e 领域中使用范围最广、应用行业最多 的机械系统动力学仿真工具，占据了该领域5 3 的市场份额( 数据来自于 d a r a t e c h 的统计数据) ，许多国际化大型公司、企业均采用m s ca d a m s 软件 作为其机械系统动力学仿真的平台。 陕两科技大学硕 ：学位论文 a d a m s 可用于建立复杂机械系统的“功能化数字样机”，在现实工作条件 下逼真地模拟其所有运动情况，并且可以快速分析比较多种设计思想，直至获 得最优设计方案，从而减少昂贵的物理样机试验，提高产品设计水平，缩短产 品开发周期和开发成本。 1 3 虚拟样机技术的工程应用 虚拟样机技术应当属于计算机辅助工程( c a e ) 的一个分支。隶属于c a e 的其它分支有有限元技术等。虚拟样机技术区别于其它分支之外在于它是从系 统的层面来分析系统，而与有限元有关的技术分支所进行的是部件的分析。正 由于此，虚拟样机技术对设计方法和过程的影响要比有限元技术所带来的影响 要大。虚拟样机技术不仅帮助企业缩短周期，降低成本和提高质量，而且改变 了产品设计的过程顺序。 过去的设计方式是由下到上：从部件设计到整机设计。这种方式的弊端是 设计师往往把注意力集中在细节而忽略了整体性能。但是一旦借助于虚拟样机 技术，传统设计过程就被逆转了。设计过程先从整机开始，按照“由上至下”的 顺序进行。这样可以避免代价昂贵的在系统设计方面的失误。例如，当设计机 械式立体车库时，可以根据用户要求，利用虚拟样机技术确定工作装置的参数， 优化设计在早期设计阶段完成。对于早期阶段的虚拟样机的仿真结果可以作为 零件设计的参考。例如，动力学或静力学分析的结果可以用来指导零件的强度 设计。 虚拟样机技术己经广泛地应用在各个领域罩：汽车制造业、工程机械、航 天航空业、国防工业及通用机械制造业。所涉及到的产品从庞大的卡车到照相 机的快门，天上的火箭到轮船的锚机。在各个领域罩，针对各种产品，虚拟样 机技术都为用户节省了开支，时间并提供了满意的设计方案。 虚拟样机技术在工业上成功应用的例证还有很多：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一直困扰着设计师及其用户。由于工程机械 系统非常复杂，传统的分析方法无能为力，找不出原因。约翰迪尔( j o h nd e e z e ) 公司的工程师利用虚拟样机技术对其工程机械产品进行分析，不仅找到了原 因，而且提出了改进方案并且在虚拟样机上验证了方案的有效性。通过实际改 进，该公司产品的高速行驶性能与重载作业性能大为提高。 虚拟样机技术是一门新兴的技术，它有着广阔的发展前景及市场。通用汽 车公司每年用于实际模型的建造及实验的费用有十亿美元，福特汽车公司开发 一辆中型轿车的费用与波音公司开发7 4 7 客机的费用相当，对虚拟样机技术的 4 幕于虚拟现实技术的智能机体乍库系统的研究 未来不能不乐观【6 】。 1 4 课题的主要内容及意义 第五届中国汽车产业发展高峰年会上，交通部公路司副司长徐亚华介绍， 2 0 0 5 年，我国民用汽车保有量达到3l6 0 万辆，比2 0 0 1 年增长9 6 。截至2 0 0 7 年底，全国汽车保有量已达到5 6 9 6 万辆，占世界8 5 亿辆汽车保有量的6 7 ， 每千人拥有汽车超过4 0 辆；中国已成为世界第二大汽车消费市场、第三大汽 车生产国和世界汽车工业重要的组成部分。特别是近年来我国国民经济连续以 两位数速度增长，汽车工业空前发展，据中国汽车工业协会公布的数据显示继 2 0 0 6 年全国汽车产销突破7 0 0 万辆大关之后，2 0 0 7 年汽车产量达到8 8 8 2 4 万 辆，2 0 0 8 年仍将继续保持两位数的增长，汽车产销有望在2 0 0 8 年首次突破1 0 0 0 万辆大关。 随着汽车产销量的快速跃进，汽车的停车也成为一部分有车族的烦恼。以 天津市为例，2 0 0 5 年，天津机动车保有量达1 0 4 3 万辆，其中私家车3 0 3 万 辆。而全市共有各类机动车停车场15 7 8 处，停车泊位仅有13 5 万个。即使加 上部分物业小区和企事业单位内部的停车泊位，全市机动车停车泊位仍无法满 足需求，有2 0 万辆机动车每天夜间停放在马路两侧、楼群里巷，处于无人看 管状态。 随着国民经济稳步运行和城市化进程加快，我国许多城市交通体系面临更 严峻的考验，交通问题成为困扰城市发展的瓶颈。“停车难”便是汽车消费迅速 增长带来的突出的现象。例如上海黄浦区，占地4 1 6 平方公里，每天高峰时 间里，这一区域轿车停放量达到四千辆以上，即每平方公里要停放一千辆左右， 而这一地区是上海的黄金地段，贸易金融中心，商家林立，流动人口密度大， 停车自然成为一个大难题。尽管政府有关部门已经花了很大力气，充分利用可 利用的每一块地方，每一个空间，但这一切却未从根本上解决“停车难”。自动 立体停车库正是在这个严峻形势下应运而生，而大力开发推广它，能高效地缓 解停车难的矛盾，让城市重新充满生机。 目前，在一些发达国家和地区，城市中心区域停车费用高是很常见的。据 了解，在我国香港最为繁华的旺角和铜锣湾地区，停车费用已经达到了1 0 0 港 元d , 时；在纽约曼哈顿核心区，停车费用更是高达l5 0 一2 0 0 美元d , 时。这是 一种调节城市中心区车流量的有效手段。随着城市中心区域可开发土地的进一 步减少，停车费用的上涨将成为必然。 在国内一些经济较发达，人口密度又较大的城市中，丌发推广立体停车库， 陕两科技人学顶十学位论文 并已经日趋成熟。不仅缓解了目前城市中道路空间狭小的矛盾，减少了污染， 又适应了城市高节奏快速发展的需要，也可配合市政建设带动一大批第三产业 的兴起，可谓有百利而无一害，为城市向更大规模发展提供有利的条件。 本课题针对目前城市交通压力的严峻性，通过提出引入虚拟样机技术，并 基于虚拟样机技术做出圆盘辐射式机械立体车库，从而探讨立体车库设计开发 效率和质量。 第一，课题系统地介绍了多体系统动力学理论和基于该理论应用广泛的机 械系统分析软件a d a m s 。详细介绍了多体系统动力学中拉格朗日方程的建立 和各种求解方法；根据课题研究内容，分别对刚体系统和弹性体建模方法和理 论也进行了分析。 第二，首次在多体动力学系统分析软件a d a m s 中建立了机械式立体车库 平移机构模型，回转机构模型和升降机构模型等多体机械系统模型，并做出仿 真分析。并对多体机械系统模型在p r o e 中建立并导入a d a m s v i e w 中和从 s o l i d w o r k s 建立实体模型导入分析方法做了比较。 第三，通过对机械式立体车库回转机构模型和升降机构模型中的弹性体 ( 如载车盘、回转轴和回转臂等) 的固有模态分析，最终在多体分析软件 a d a m s 中实现了工作装置的刚一弹耦合体建模，为下一步的动态应力仿真奠 定了基础。得到部件如载车盘的时间频率历程和旋转角度分布云图，建立载车 盘了三维空间内，考虑构件弹性变形的条件，载车盘的瞬时位置与车质量，变 频电机参数的关系，建立载车盘的位置与变频电机参数的数学模型。并用 a d a m s 多体运动学和动力学技术分别对模型分析。 第四，课题也介绍了电控系统组成，运行及安全检测和弱电系统功能分析， 对车库系统控制部分智能化做一定探讨。 本论文的研究意义如下： 第一，机械式立体车库作为非标准机械设备，它的设计和生产，很难实现 量产。因此，在车库从设计到制造到安装应用过程中，设计部分工作量繁重。 为保证设计的高效合理，引入虚拟样机理论，并进行尝试。本课题涉及到的横 向平移机构模型，回转机构模型和升降机构模型在设计阶段就可以通过多体系 统技术结合实现动态应力的仿真研究，建立得到圆盘辐射式机械立体车库机构 运动仿真模型，为产品的动态优化设计提供了理论依据。通过虚拟样机分析， 从而缩短产品设计周期，提高效率和质量。该方法同样适用于其他研究领域， 如物流机械设备、建筑机械，工程机械等方面的动力学分析和强度计算。 第二，工作装置动力学分析的意义：工作装置的力学分析通常采用的都是 6 摹于虚拟现实技术的智能口体车库系统的研究 静态分析方法，即根据平移机构模型，回转机构模型和升降机构模型主要结构 件进行建模分析等。圆盘辐射式机械工作装置由于重量较大，在举升和回转初 始的加速和举升和回转的结束时的减速等情况下变频电机要不断调整功率状 态，保证载车盘的优化运动轨迹，建立车盘位置与时间和速度角速度的数学关 系，并进一步改进成电机功率输出与载车盘速度与角速度关系。为闭环控制奠 定数学基础。因此该模型动力学分析意义重大。 第三，通过虚拟样机技术，使多体动力学理论引入到机械式立体车库系统 的设计中，在提高立体停车设备的质量和效率的同时，为以后机电工程设计和 建筑工程设计提供直观设计参数，并相对缩短设计制造周期，达到降低成本的 目的。将该理论引入到机械式立体车库系统中，希望能成为今后立体停车设备 设计生产的方向之一。 陕西科技人学硕卜学位论文 2 多体机械系统动力学理论基础 虚拟样机的核心理论是多体系统动力学，多体系统动力学是由多刚体系统 动力学与多柔体系统动力学组成的，多刚体系统动力学的研究对象是由任意自 由有限个刚体组成的系统，刚体之间以某种形式的约束连接，这些约束可以是 理想完整约束、非完整约束、定常或非定常约束。研究这些系统的动力学需要 建立非线性运动方程、能量表达式、运动学表达式等，多柔体系统动力学的研 究对象是由大量刚体和柔体组成的系统。 多刚体系统动力学主要解决多个刚体组成的系统动力学问题，系统各个构 件之间有较大的相对运动。多柔体系统动力学可以认为是多刚体系统动力学的 自然延伸。根据多柔体系统特点，一般以多刚体系统动力学的研究为基础，对 系统柔性体进行不同的处理。在机械系统中有离散法、模态分析法、行函数法 和有限元等方法【，】。 应用多体系统动力学理论解决实际问题，一般经过以下3 个步骤： 1 ) 实际系统的多体模型简化。 2 ) 自动生成动力学方程。 3 ) 准确的求解动力学方程。 2 1 机械系统的多体动力学模型 对复杂机械系统进行动力学和运动学分析前，需要建立多体系统力学模 型，这种抽象实质是对系统的涉及物体、铰、外力、力元4 个要素进行定义。 机械系统多体动力学模型定义取决于研究目的，模型定义的要点是以能揭示系 统运动学与动力学性态的最简单模型为优1 8 1 。 1 ) 物体，多体系统中的构件定义为物体。多体系统力学模型中物体的定 义并不是与具体工程对象的零部件一一对应。他的定义与研究目的有关。 对于低速运动的实际工程对象，其零部件的弹性形变并不影响其大范围运 动的特征。这时候可以对系统中的物体做刚体假定。这样的多体系统称为多刚 体系统。 由于大型、轻质机械系统的出现，高速运行的工况将使系统动力学形态变 得复杂，这种复杂情况是由于零部件的大范围运动与构件的弹性变形耦合引起 的。对这类问题分析时，物体要做柔性体假定。这类力学模型称为柔性多体系 统。如果这种情况下部分物体可作刚体假设，那么则构成刚体一柔体混合模型。 2 ) 多体系统中，将物体问的运动约束定义为铰，实际工程对象中机构的 基于虚拟现实技术的智能一垃体乍库系统的研究 运动副是铰的物理背景。然而铰的定义有更广泛的意义，约束的力学抽象即位 铰。 3 ) 多体系统外的物体对系统中物体的作用力定义为外力( 偶) ，重力是 典型的外力。对于刚体，力偶的作用和作用点无关，然而对于柔性体，力偶的 作用和作用点有关。 4 ) 多体系统中物体间相互作用定义为力元。实际工程对象中，零部件间 的相互联系是通过运动副或力的相互作用。运动副限制了相连接物体的自由 度，而力的相互作用没有这种限制。实际工程中，力元的作用也是通过器件实 现的。 2 2 多体系统动力学的发展及研究现状 多体系统动力学包括多刚体系统动力学和多柔体系统动力学，是研究多体 系统( 一般由若干个柔性和刚性物体相互连接所组成) 运动规律的科学。多体 动力学是在经典力学与计算机技术相结合的基础上发展起来的，在发展过程 中，结合了运动生物力学，航天器控制，机器人学，车辆设计，机械动力学等 领域学科，成为一门具有广泛用途的新型力学分支。 在机器人、车辆、航天器、机械与兵器等工程领域中，系统的研究将面临 两大问题。一类是涉及这些复杂系统的结构强度分析。多少年来由于计算结构 力学的理论与计算方法的不断深入，加之有限元分析软件系统的成功开发并已 应用于工程结构的计算机辅助分析，因而大大地缩短了新产品开发和设计的周 期。另一类问题是要解决这类复杂系统的运动学、动力学与控制的性态问题。 这类系统的特征是系统的各部件存在大范围的相对运动，这些部件的相互连接 方式的拓扑与约束形式多种多样，受力的情况除了外力与系统各部件的相互作 用外，还可能存在复杂的控制环节，其共性是系统由存在相对运动的多个物体 组成，故称为多体系统。随着工业技术发展的需要，多体系统的构型越来越复 杂，规模越来越庞大。在运动学、动力学与控制的性态分析与优化中，如何面 对不同的拓扑、不同的约束、不同的受力与控制环节的多体系统，建立通用的 程式化的动力学模型，研究处理这些数学模型的计算方法，开发研究多体系统 动力学通用的软件系统，充分利用计算机的潜能是解决上述难题的唯一途径。 在本世纪6 0 年代中期，经过l i k i n g sh o o k e r ，m a r g a l i e s ，r o b e r s o n 和 w i t t e n b u r g 等人卓有成效的努力，多刚体系统动力学诞生了。它是在经典力学 基础上产生的新学科分支，它针对由多个刚体组成的力学模型，研究程式化的 求解算法，以便实现计算机自动建立方程并求解。多刚体系统动力学诞生以后 9 陕两科技人学硕，l ：学位论文 发展很快，形成了几种风格不同的流派，代表性的方法有r - w 方法，旋量方 法，凯恩方法和第一类拉格朗同方法等。 l9 7 7 年，国际理论和应用力学学会主持召开的第一次多刚体系统动力学研 讨会，是这门学科发展的重要里程碑。它标志着多刚体系统动力学的建模方法 已基本得到解决。从此，原先从事多刚体系统动力学研究的学者纷纷转向对带 柔性的多体系统动力学的研究，于是“多刚体系统动力学”的内涵得到延伸，成 为“多体系统动力学”。 1 9 8 3 年，由n a t o n s f - a r 在美国i o w a 大学联合举办的机械系统动力 学计算机辅助分析和优化高级讲习会及19 8 4 年i u t a m ，i f t o m n 主办的多体 系统动力学研究会可以充分看到这门学科从理论建模到面向工程的计算机辅 助仿真研究的大发展。短短几年内，许多大型通用计算机软件不断涌现，并在 商业化方面取得巨大成功。这些软件的应用领域非常广泛，以致西欧和北美的 工程师们已习惯于在机械系统的设计过程中，通过多体系统的仿真软件，对新 设计的产品进行研究、分析和优化，大大缩短了设计周期，并降低了通常研制 中制造、调试样机所占用的成本消耗。所以，这个过程在计算机辅助工程c a e 中被称为c a a ( c o m p u t e ra i d e da n a l y s i s ) ，并视为一个必要的环节。同时， 在车辆、航天器等领域不断举办多体仿真专题讨论会，以交流多体软件的开发 和应用的经验，传递信息并提出新的思想和研究方向。由ws c h i e h l e n 编撰的 多体系统手册( m u l t i - b o d ys y s t e mh a n d b o o k ) 就是这种形式发展下的产物，其 中包括了全世界范围内近2 0 个研究团体的成果，如著名的a d a m s 和d a d s ( d y n a m i ca n a l y s i sa n dd e s i g ns y s t e m 动力学分析和设计系统) 等。这些软件 结构性强，功用完备，操作方便，不但能够求解航天器和机器人等以开环和低 运动副为主的机构，而且能求解车辆等结构形式复杂的多闭环系统。 在国内，1 9 8 6 年在北京举行的多刚体动力学研讨会和1 9 8 8 年在长春举行 的多柔体动力学研讨会以来，多体动力学的研究进展很快。19 9 2 年多体系统动 力学一理论、计算方法和应用学术会议在上海召开，展示了一批理论和应用的 最新成果。1 9 9 6 年在山东召开的“全国多体系统动力学与控制学术会议”在理论 与计算方法研究、工程应用和实验研究三方面取得了更新的进展。它标志着我 国多体系统动力学的研究进入了一个新的阶段。 多体系统动力学研究方法自多体动力学诞生以来，经过几十年的研究与实 践，已经形成了比较系统的研究方法，其中包括多刚体系统研究方法和多柔体 系统研究方法1 8 _ 9 1 。 1 0 基于虚拟现实技术的智能讧体车库系统的研究 2 3 多刚体动力学的基础理论 2 3 1 多刚体动力学研究方法 多体系统动力学的研究对象一般是比较复杂的多体系统，其结构和连接方 式也是多种多样。这给建立动力学方程式带来了很大困难，而且，系统的动力 学方程多为高阶非线性方程。因此动力学方程的建立和求解都必须由计算机去 完成。目前多刚体系统动力学的研究方法主要有工程中常用的以拉格朗日方程 为代表的分析动力学方法、以牛顿一欧拉方程为代表的矢量力学方法、图论、 凯恩、变分法和旋量方法等。 1 ) 拉格朗日方程方法 由于多刚体系统的复杂性，在建立系统的动力学方程时，采用系统独立的 拉格朗同坐标非常困难，而采用不独立的笛卡尔广义坐标则比较方便，对于具 有多余坐标的完整或非完整约束系统，用带乘子的拉格朗同方程处理是十分规 格化的方法。导出的以笛卡尔广义坐标为变量的动力学方程是与广义坐标数目 相同的带乘子的微分方程，还需要补充广义坐标的代数约束方程才能封闭。 1 9 7 3 年美国密歇根大学m a c h a c e 与n v o r l a n d e a 等人应用吉尔g e a r 的刚性 算法并采用稀疏矩阵技术提高了计算效率，编制了a d a m s 程序。1 9 7 7 年， e d u a r dh a u g 等人研究了广义坐标分类、奇异值分类等算法，编制了d a d s 程 序。由此后来逐步形成了两大著名多体动力学仿真软件。 2 ) 牛顿一欧拉方法 处理由多个刚体组成的系统，原则上也可以利用传统的经典力学方法，即 牛顿一欧拉法为代表的矢量力学方法。但随着组成系统的刚体数目增多，刚体 之间联系状况的约束方式变得极其复杂。对作为隔离体的单个刚体列写牛顿一 欧拉方程时，大量铰约束力