【面向CAD设计模型的计算多体动力学虚拟原型研究4800字（论文）】

面向CAD设计模型的计算多体动力学虚拟原型研究目录TOC\o"1-3"\h\u229431引言 1185872面向CAD的机械多体系统虚拟原型框架 1106842.1机械多体系统建模描述 147522.2系统的总体框架 3123162.3面向CAD设计模型的机械多体系统建模 564752.4机械多体动力学物理属性的抽取 6313493面向CAD的机械多体虚拟可视化系统 767204结语 81引言从并行工程的角度来看，机械虚拟样机系统是一个并行的、完美的集成产品设计和分析过程。这是一个不断迭代和优化设计的全局过程。保持模型的协调性和一致性是设计过程完整性的关键。它要求在机械虚拟样机的组合CAD模型下，物理属性与设计分析语义之间建立强制关系。建立了多体动力学性能分析模型。机械多体系统动力学系统受到计算机和图形技术发展的制约。一段时间以来，它主要以数值计算为主，可视化图形建模技术一直没有引起人们的重视。直到20世纪90年代，先进的计算平台和图形化人机交互平台使建模变得多样化，从而开发了各种多体系统建模和动力学软件，如Adams和SIMPACK，在多体系统的分析计算中得到了很好的应用。目前，大多数3DCAD系统支持产品设计，不支持基于物理属性的性能设计，或具有虚拟原型分析和集成以外的视图。CAD模型数据基于图形数据结构，物理属性不满足多刚体系统动力学计算模型中定义物理属性的要求。因此，基于构件的虚拟样机机械系统和基于CAD的物理属性提取能够满足产品虚拟样机模型的要求。鉴于这种情况，LMS基于CATIA的核心模块，并与其他分析软件集成，建立了一个具有基本模型集成的虚拟样机分析平台，被称为业界最具吸引力的软件。本文在开发具有自主知识产权和开源程序的虚拟样机系统的基础上，对国产三维CaxaCad和三维SolidWorksCad的多刚体系统动力学表达模型进行了比较研究。研究了直接从虚拟产品原型的零部件设计模型和装配模型中获取多体系统物理特性和空间拓扑的理论和方法。提出了与设计和分析环境以及CAD设计协议相关的技术分析模型EAM（Engineeringanalysismodel），通过开发DAE理论（不同代数方程）的虚拟样机，提出了完整的面向对象的机械虚拟样机建模过程和cadopengl可视化动态仿真算法。2面向CAD的机械多体系统虚拟原型框架2.1机械多体系统建模描述机械系统可以看作是由机械部件组成的一个整体。构件之间存在不同类型的连接方式和约束元件，构件可以承受不同类型的力，系统中存在运动刺激，这使得机械系统成为一个复杂的系统。从多体系统的角度来看，根据上述定义，机械系统可以被视为由刚体（柔性体）、铰链（约束）、力元、力等组成的多体系统。图1多体系统属性定义的方式多体系统必须为整个机器的性能分析（如动态计算）提供各种功率属性数据。刚体主要包括识别号、质量、几何、质心、转动惯量、位置坐标、方位坐标、自由度、材料密度等。对于约束，有铰链点及其连接的两个刚体的标识、类型、位置、铰链点的方位坐标、铰链点的位置坐标和自由度。限制通常表示为运动对。常见的运动副包括旋转副、滑动副、平面副、圆柱副、万向节、球面副、齿轮副等。有力元件的序列号、两个连接刚体的坐标位置（上下作用点的位置）、力元件的物理类型定义（特性曲线，如刚度、阻尼和摩擦力）等。其中一些数据由产品零件的特性给出，如质量、几何结构、质心、惯性矩、密度、弹性模量、刚度、阻尼等。其中一些必须通过产品装配关系和空间运动特征获得，如位置、方向、铰链多体连接关系和位置坐标。然而，这些属性的提取并不用于CAD系统中的后续分析。为了获得各种属性，建议定义数据直接来自CAD模型本身，这应该更准确、更合理，但会人为地增加CAD的难度。如果在设计分析师的参与下，将其视为一个单独的功能层，则可以简化这一困难。本文提出了直接从CAD模型中获取多体系统性能属性的思想和方法：过去多体系统模型的定义层直接从Adams等系统软件中删除，并将其功能提升到多体CAD系统的设计层，使其属性直接从基于CAD的装配模型空间中获取，以保持模型的一致性。2.2系统的总体框架D3mechs包括CAD设计协议、多体动力学模型和EAM分析模型。这三个组件构成一个映射集，实现为分析组件（d3mechssw:cd3visual）、多体动力学组件（d3mechslib:multi-bodysystem）和CAD组件。图2显示了d3mechs设计和分析平台的实现方案。（1）一个基于OLE自动化的框架。D3mechs包括独立于CAD和d3mechslib的外部服务器应用程序。启动CAD完成模型设计，并调用d3mechslib完成多体模型解决方案和可视化CAD仿真。（2）基于COM-ATL插件的框架。D3mechslib通过COM-ATL插件嵌入CAD中，并作为内部CAD服务器共享一个工艺室。（3）EAM模型在CAD设计环境中实例化和定义。d3mechslib中的sysenvironment类生成多体动力学模型，引用可视化组件cd3visual，并规划多体动力学解决方案和模型可视化。Cd3visual实现了与CAD设计模型、多体动力学、三维可视化等后处理功能的接口。图2基于组件技术的虚拟原型框架图3工程分析模型仿真框架生成MBS（多体系统）分析文件*，基于d3mechssw与SolidWorksCAD之间的交互界面，预处理后生成虚拟样机的MBS模型文件。D3mechslib将模型文件分析为Env，生成多体动力学的记忆拓扑模型。D3mechssw无缝集成CAD，实现多体动力学的可视化仿真和虚拟CAD原型的后处理。图4多体动力学映射模型在图4中，d3mechssw根据CAD模型中的多体动力学拓扑生成一个内存映射模型。内存映射模型经历了实例化和序列化的过程。该过程包括：记忆映射模型、多体动力学描述模型、多体系统描述模型文件.CAD和环境之间的.mapping；CAD组件的序列化接口完成了CAD模型与多体描述模型文件的集成，记忆映射模型统一为G_Glmech和多体动力学模型G_Mech，以完成CAD模型和多体动力学模型之间的语义映射。d3mechs中的技术分析模型EAM将是g_GLMech，g_Mech的Cad、Env和Cad模型的虚拟样机模型将被分离，以充分提高系统的灵活性和可扩展性。它便于外部预处理工具、分析工具、约束求解器和求解工具处理模型文件。2.3面向CAD设计模型的机械多体系统建模根据CAD模型提取完成多体动力学计算的物理属性和多体动力学关节约束模型的参数化定义是利用CAD映射多体动力学分析模型的研究难点。通过比较三维CAD（CAXA、SolidWorks）方案。本文提出了一种虚拟CAD原型多体系统建模的实现方案。笛卡尔多体动力学约束模型库的定义包括：定义约束模型坐标系；定义受约束模型中的方向向量。（1）通过CAXA扩展数据对象（EDO）、内部和扩展目录、API接口和参数定义手段，提出了在CAXA三维环境中实现笛卡尔动态约束模型的方案。（2）图5中的“多体动力学模型”面板提供了一个交互定义多体动力学模型的用户界面。实现CAD元素的记录、检测和信息提取，用多体动力学定义旋转铰链的极限模型，实现外力、扭矩、rsda、tsda、线弹簧、螺旋弹簧等元素的定义。它通过XML转换为XSLT再转换为EAM。经过深入研究，利用SolidWorks装配约束模型可以自动提取多体动力学约束模型的定义。自动提取过程实现了根据装配条件装配零件的多体约束模型。通过约束检查和交互定义，可以完整、正确地定义多体约束模型。图5CAD模型的分析模型交互定义（1）实体模型的装配。SolidWorks中零件之间的连接和安装显示了许多匹配特性，例如匹配、同心等。活动铰链是由两个部件直接接触形成的活动连接。在实际的实体装配中，两个零件之间的匹配特性必须反映活动铰链的类型。常见的运动铰链：旋转铰链、滑动铰链、圆柱铰链和球铰链的定义如下。旋转铰链（圆柱形同心，端面组件），圆柱形铰链（轴重合），滑动铰链，球形铰链（球形同心）。在装配环境中，装配模型不能直接用于多体动力学分析。必须提取安装模型的拟合特性（即拟合类型和拟合组件），并将其转换为多体动力学分析所需的拓扑信息。（2）装配信息的提取。从有关assdociFeatureiMatienty组件的部件信息中获取适当的信息。编写CMATFeature类以存储两个配对零件的名称以及与部件中每个配对单元关联的配对类型。此外，还定义了集合类cflist，并导出了关联的特征链表类cmateinfolist。链表项是指向cmatefeature类对象的指针。（3）协调信息转化为机构拓扑信息。通过部件的所有配件元素后，将生成部件的相应特征信息链（mateinflst）。从部件中的固定零部件中提取信息。执行Mechanical部件中的所有零件，然后以零件名称为索引浏览链接的mateinflst列表，将其转换为多体动力学分析所需的拓扑信息。2.4机械多体动力学物理属性的抽取在建立多体动力学模型时，根据多体机械系统动力学的性能分析，有必要：提取物理属性。（1）刚体的质量；连接基座上刚体惯性张量的坐标矩阵；（2）参考基座上刚体质心初始位置的坐标矩阵；（3）刚体相对于基准面的初始位置（连接基准相对于基准面的方向正弦）；（4）刚体相对于基准的初始角速度矢量的坐标矩阵；（5）对于图中定义的铰链约束模型，相邻刚体连接基座上铰链点的坐标矩阵；（6）相邻刚体连接基座上铰链方向矢量（运动矢量或旋转矢量）的坐标矩阵；（7）在矢量元和力矢量坐标系的作用下。从与CAD设计环境和模型属性相关的以下几个方面总结了CAD设计环境中物理属性提取的要求，并深入研究了CAXA中相应的实现方案：（1）刚体的固有属性，根据坐标基作为质量和惯性张量矩阵（刚体连接基上的惯性张量矩阵）；（2）刚体质心位置和刚体姿态（正弦方向）；（3）在计算机辅助设计中，矢量的定义；多体动力学建模中坐标系的定义和坐标系变换矩阵的计算。图6CAD模型与计算多体动力学模型物理属性的映射如图6所示，SolidWorks引入并实现了用于提取CAD组件模型物理属性的模式。对于复杂的装配，CAD模型和动态多体零部件模型（对应于零部件的对象实例）之间的关系不是一对一的对应关系，而是一种多对一的分组或装配关系（例如，装配零部件、铰链连接关系等）。D3mechs创建一个组件类cglcomp，每个cglcomp实例都是iconcomponent2*。分组技术（例如，标记完整属性名的技术）将iconomp2（）指针注册到cglcomp实例中的完整属性名标记。因此，可以通过IConComponent2*、API和多体模型条件从GUI（图形用户界面）获取一组部件的质量属性、惯性张量、初始位置和其他属性。通过对CAXA中惯性张量属性参数提取的研究。SolidWorks假设局部坐标是多体动力学的连接基础的方向。因此，惯性张量输出与基于重心的局部坐标系对齐。使用igetxform提取CAD组件模型的方向正弦。CAD模型链接到一组CAD模型组件指针IConComponent2*和一组cglcomp实例。序列化方案（配置、第三方存储、交换、定义属性）允许集成多个实体的物理属性参数和CAD模型一体化。3面向CAD的机械多体虚拟可视化系统D3mechs集成了CAD建模、多体动力学建模和三维可视化后处理。同时介绍了可视化虚拟构件，实现了CAD-opengl虚拟构件的可视化算法。多体模型的定义附于CAD模型，虚拟组件和CAD模型的可视化附于OpenGL图形室。因此，多体模型虚拟构件的参数最终应转换为OpenGL图形空间。虚拟构件系统包括：（1）虚拟构件可视化系统的面向对象建模。（2）Cadopengl坐标库转换和数学模型。（3）可视化组件生成算法。（4）正向虚拟组件映射和反向序列化映射。虚拟组件的面向对象CADopengl建模图如图7所示。典型的虚拟组件，例如约束组件cglconstrain，参考cglmarker标记来可视化虚拟组件。Cglmarker继承了可视化虚拟实体cglbody，后者负责缓存和可视化OpenGL转换矩阵。图7可视化虚拟组件建模图4结语多体手册的标准示例表明，虚拟多体样机d3mechs的集成建模、动态仿真和实现方案是可行的。提出了基于虚拟CAD原型的多体动力学系统的面向对象软件框架，开发了三维多体动力学软件d3mechs。基于多刚体系统动力学理论，您可以完全分解CAD模型的几何和物理属性，并封装CAD原型的可用数据。从多体系统模型属性获取的虚拟样机、多体系统的物理模型转换、多体系统运动学和动力学解的可视化建模和数学模型建立，得到了一个直接产生的全过程。它