机械系统动力学建模与分析(绪论部分)2012.ppt

机械系统动力学建模与分析,DynamicModelingandAnalysisofMechanicalSystem,办公室：新校区机电楼D519,Email:lylsjhome,总学时24、讲授学时16、上机学时8；主要教材：机械系统动力学分析及ADAMS应用教程陈立平等编著，清华大学出版社，2005参考书籍：理论方面：机械系统动力学杨义勇等编著，清华大学出版社，2010应用方面：MDADAMS虚拟样机从入门到精通贾长治等编著，机械工业出版社，2010评分细则：考试70%，平时30%,教学安排,课程安排,课程寄语,开设这门课的目的以及选修这门课的重要性：,继续深造&工作需要,怎样学好这门课：,扎实理论&勤于练习,第一章绪论,1.2,机械系统动力学分析与仿真,1.1虚拟产品开发与虚拟样机技术,美国波音777的研制成为现代产品开发新技术的里程碑，其采用的开发过程现在称之为虚拟产品开发（VirtualProductDevelopment-VPD），应用的开发技术称之为虚拟样机技术（VirtualPrototyping-VP）,1990年10月-1994年6月，波音777飞机的研制采用了全数字化的无纸设计技术，整机外型、结构件和整机飞机系统100%采用三维数字化定义，100%应用数字化预装配，整个设计制造过程无需模型和样机，一次成功，首次实现了整机数字化设计、数字化制造和数字化协调。,美国通用公司应用状况开发周期：48月24月12月）碰撞试验：100次50次个性化定单：3小时在线采购降低成本：10,1.1虚拟产品开发与虚拟样机技术,虚拟产品开发、虚拟样机技术应运而生,T最快的上市时间,C最低的产品成本,Q最好的产品,S良好的产品服务,E尽少的环境污染,虚拟产品开发、虚拟样机技术应运而生,市场激烈竞争、技术迅速发展,1.1虚拟产品开发与虚拟样机技术,虚拟产品开发流程,虚拟产品开发流程,传统产品开发，在概念设计（产品规划）之后，是一个产品设计样机建造测试评估反馈设计的循环反复过程，这其中的每一次循环，都伴随有物理样机的建造或修改，随之而来的产品开发周期的延长和开发成本的增长。,虚拟产品开发流程,虚拟产品开发，将传统的产品设计样机建造测试评估反馈设计的循环过程采用虚拟样机技术，以数字化方式进行，避免了物理样机的建造，不仅利于缩短产品开发周期和降低产品开发成本，而且数字化方式采用利于协同工作的进行，数字化模型的应用使得产品全生命周期的统一成为可能。,1.1.1虚拟产品开发技术产品开发流程,概念,产品,Comparation,Time=$,传统产品开发流程：每一次循环，都伴随物理样机的修改，开发周期延长、开发成本增长,虚拟产品开发流程：以数字化方式修改，避免物理样机的建造,虚拟样机,虚拟样机实现过程,虚拟样机实现过程图示,虚拟样机实现过程图示,建造虚拟样机的建模过程。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。,虚拟样机实现过程图示,测试实现测试仿真是功能虚拟样机的重要目标，包括不同情况下的虚拟试验室试验和虚拟试验场试验。,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。,虚拟样机实现过程图示,验证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虚拟样机。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。,虚拟样机实现过程图示,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。,虚拟样机实现过程图示,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在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。,虚拟样机技术应用,波音777,世界上首架以无图方式研发及制造的飞机，其设计、装配、性能评价及分析就是采用了虚拟样机技术。这不但使研发周期大大缩短、研发成本显著降低，而且确保了最终产品一次接装成功。,虚拟样机技术应用,利用虚拟样机技术仿真研究宇宙飞船在不同阶段（进入大气层、减速和着陆）的工作过程。在探测器发射以前，运用虚拟样机技术预测到由于制动火箭与火星风的相互作用，探测器很可能在着陆时滚翻，修改了技术方案，保证了火星登陆计划的成功。,美国航空航天局火星探测器,虚拟样机技术应用,Caterpillar公司是世界上最大的拖拉机、装载机和工程机械制造商之一。采用了虚拟样机技术，从根本上改进了设计和试验步骤，实现了快速虚拟试验多种设计方案，从而使其产品成本降低，性能却更加优越。同样，作为生产工程机械的著名厂商JohnDeere公司，为了解决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问题，公司的工程师利用虚拟样机技术，不仅找到了原因，而且提出了改进方案，并且在虚拟样机上得到了验证，从而大大提高了产品的高速行驶性能与重载作业性能。,美国Caterpillar,美国Haug为代表的科学家借鉴有限元技术的高度自动化特征，基于多体系统动力学：,对机械系统动力学分析与仿真的自动化建模和求解进行了研究。,形成了一套称之为计算多体系统动力学的学科，解决了机械系统动力学分析与仿真的自动化问题。,90年代,对机械系统动力学分析与仿真的自动化建模和求解进行了研究。,形成了一套称之为计算多体系统动力学的学科，解决了机械系统动力学分析与仿真的自动化问题。,90年代,对机械系统动力学分析与仿真的自动化建模和求解进行了研究。,形成了一套称之为计算多体系统动力学的学科，解决了机械系统动力学分析与仿真的自动化问题。,90年代,基于计算多体系统动力学的机械系统分析与仿真技术更趋成熟。,1.2机械系统动力学分析与仿真,由运动副连接多个物体所组成的系统，系统内部物体之间往往还有弹簧、阻尼器、致动器等力元的作用，系统外部对系统内物体施加有外力或外力矩，以及驱动约束,机械系统,多刚体系统,如果组成系统的物体全部假定为刚体,如果组成系统的物体全部假定为刚体,如果组成系统的物体全部假定为刚体,多刚体系统,多刚体系统,如果组成系统的物体全部假定为刚体,如果组成系统的物体全部假定为刚体,多刚体系统,如果组成系统的物体全部假定为刚体,多刚体系统,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。,刚柔混合系统,1.2机械系统动力学分析与仿真,1.2机械系统动力学分析与仿真解决问题,正向动力学分析与仿真研究外力（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。,逆向动力学分析与仿真已知机械系统的运动求反力的问题。,运动学分析与仿真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。,静平衡分析与仿真要求确定系统在定常力作用下系统的静平衡位置。,WWW.SOPPT.CN,1.2机械系统动力学分析与仿真四个阶段,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。,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。,数学建模和问题求解是分析与仿真中最复杂的过程，所幸的是，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。,物理建模,数学建模,问题求解,结果后处理,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。,WWW.SOPPT.CN,解决了自动化建模和求解问题的基础理论问题。,90年代,1.2机械系统动力学分析与仿真发展方向与前沿,解决了自动化建模和求解问题的基础理论问题。,90年代,解决了自动化建模和求解问题的基础理论问题。,90年代,已能成熟应用于工业界,WWW.SOPPT.CN,1.2机械系统动力学分析与仿真发展方向与前沿,目前的研究重点表现在以下几个方面：,柔性多体系统动力学的建模理论接触碰撞建模问题多领域集成化仿真与控制多体系统参数识别问题多目标（学科）协同优化硬件在环、人在回路仿真多体系统的概率分析问题DAE方程算法,WWW.SOPPT.CN,1.2.4机械系统动力学分析与仿真的发展方向与前沿,实际的机械多体系统还存在液压元件、气动元件、电子电路以及控制系统。因此仅仅考虑多（柔）刚体系统的动力学是不完善的，要全面研究系统的动态特性必须全面考虑机、电、液、气、控制耦合的多领域多体模型。,多领域集成化仿真与控制,液体火箭、充液卫星、航天飞船以及空间站等都是多体充液系统，由于航天设备精度的严格要求，液体的晃动，以及晃动控制问题成为了当前航天界的一个重要问题。,航天设备,车辆动力学,带油罐的地面车辆稳定性也成为车辆动力学的一个研究分支。因此充液多体系统的研究不但具有重要的理论指导意义而且具有重大的工程价值。,WWW.SOPPT.CN,多目标（学科）协同优化,随着仿真技术的深入发展，多体系统分析方法已从单纯的分析转向为系统综合的工具。优化方法与多体系统动力学进行结合可用于多体问题动态性能的优化。实际的机械多体系统时常需要考虑不同的甚至是相互矛盾的目标要求，从而需要确定几个不同的性能评判准则，即成为多目标或多学科协同优化问题。多目标优化方法为寻求系统不同性能的最优化提供了一种可能。,1.2.4机械系统动力学分析与仿真的发展方向与前沿,车辆动力学,对车辆的平顺性分析需要建立车辆的1/4或1/2振动模型即可，而车辆的操纵稳定性分析则需要建立两轮的自行车甚至整车空间模型，而且两种特性存在设计参数的耦合，需进行多学科协同优化，才能找到满足两者要求的最优解。,WWW.SOPPT.CN,有效快速的仿真算法是计算动力学的追求目标，特别在多体系统的半实物仿真分析硬件再在环问题以及多体系统的人在回路仿真分析问题中要求进行实时仿真，因而快速的仿真算法就显得十分重要了。通过递推算法、符号算法或者采用并行计算可以大幅提高仿真计算速度。,汽车主动控制&汽车性能评价的模拟驾驶,在汽车的主动控制研究中采用的硬件在环方法就需要采用快速算法。又如人在闭环用于汽车性能评价的驾驶模拟器也同样需要采用快速算法。实时仿真的高速动画也是一个挑战，在汽车驾驶模拟器中，需要模拟周围环境，并且有人的参与，因此需要对汽车以及周围环境进行高速动画处理，这些涉及计算机图形学技术、多媒体技术、虚拟现实以及科学可视化技术的综合。,1.2.4机械系统动力学分析与仿真的发展方向与前沿,硬件在环、人在回路仿真,1.3ADAMS软件介绍,ADAMSAutomaticDynamicAnalysisofMechanicalSystems的缩写，是由美国MDI公司（MechanicalDynamicsInc.）开发的机械系统动力学自动分析软件。在当今动力学分析软件市场上ADAMS独占鳌头，拥有70%的市场份额，ADAMS拥有windows版和unix两个版本。,1.3ADAMS软件介绍,ADAMS软件使用交互式图形环境和零件库、约束库、力库，创建完全参数化的机械系统几何模型，其求解器采用多刚体系统动力学理论中的拉格郎日方程方法，建立系统动力学方程，对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析，输出位移、速度、加