機(jī)械系統(tǒng)虛擬樣機(jī)平臺建模技術(shù)與動力學(xué)求解研究.pdf

1、機(jī)械系統(tǒng)虛擬樣機(jī)技術(shù)是計(jì)算機(jī)輔助分析的重要分支之一，對縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期，降低產(chǎn)品開發(fā)成本，提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量均有著顯著意義。借助這項(xiàng)技術(shù)，可通過建立機(jī)械系統(tǒng)數(shù)字模型，模擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境下機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)特性。本文從虛擬樣機(jī)建模和動力學(xué)數(shù)值求解等方面對機(jī)械系統(tǒng)虛擬樣機(jī)技術(shù)進(jìn)行了深入系統(tǒng)的研究。 首先闡述了機(jī)械系統(tǒng)虛擬樣機(jī)技術(shù)的基本概念和體系結(jié)構(gòu)，提出一個支持模型數(shù)據(jù)共享和求解器兼容的軟件平臺框架。通過對模型元素表達(dá)和管理進(jìn)行研究，

2、歸納了模型元素關(guān)聯(lián)關(guān)系和模型操作傳播方式，并據(jù)此提出了模型元素更新機(jī)制，以實(shí)現(xiàn)模型編輯時的內(nèi)部關(guān)系一致性維護(hù)與管理。 機(jī)械系統(tǒng)虛擬樣機(jī)建模是樣機(jī)動力學(xué)分析的基礎(chǔ)。為了便于模型修改、融合領(lǐng)域工程設(shè)計(jì)知識并支持功能優(yōu)化分析，提出了適用于機(jī)械系統(tǒng)建模的參數(shù)化技術(shù)。通過分析機(jī)械系統(tǒng)模型參數(shù)類型、參數(shù)特性和工程約束種類，結(jié)合元素關(guān)聯(lián)關(guān)系，建立有向二分圖表達(dá)的模型參數(shù)完整約束網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)約束網(wǎng)絡(luò)描述的參數(shù)偏序關(guān)系，給出了模型參數(shù)推理求解序列生成

3、方法，并結(jié)合模型元素更新機(jī)制，實(shí)現(xiàn)樣機(jī)模型參數(shù)化驅(qū)動。 針對機(jī)械系統(tǒng)虛擬樣機(jī)建模效率低、模型重用困難等問題，提出了面向復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)建模的子系統(tǒng)技術(shù)?；跈C(jī)械系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，引入虛部件定義子系統(tǒng)外部拓?fù)溥B接關(guān)系，通過主控參數(shù)封裝模型設(shè)計(jì)知識和內(nèi)部參數(shù)信息，使用子系統(tǒng)坐標(biāo)系解耦空間位姿關(guān)系，從而建立自頂向下的層次化子系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)；根據(jù)層次結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和主控參數(shù)關(guān)聯(lián)關(guān)系，提出了子系統(tǒng)裝配算法和參數(shù)化求解算法，并在此基礎(chǔ)上討論了模型重用和

4、子系統(tǒng)建模流程。 機(jī)械系統(tǒng)虛擬樣機(jī)技術(shù)的主要功能是實(shí)現(xiàn)樣機(jī)模型的運(yùn)動特性仿真分析。為提高運(yùn)動方程組裝效率，在綜合全局建模法和拓?fù)浣７▋?yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出了運(yùn)動方程混合建模方法。通過分析相鄰構(gòu)件的位姿關(guān)系，推導(dǎo)了系統(tǒng)運(yùn)動方程遞歸關(guān)系式和約束雅可比矩陣；然后根據(jù)約束對運(yùn)動方程求解效率的影響，建立了模型拓?fù)鋷?quán)圖，并研究了閉環(huán)系統(tǒng)最大求解效率派生樹生成算法和無根開環(huán)系統(tǒng)基點(diǎn)選取算法?；谀Ｐ屯?fù)浣Y(jié)構(gòu)和遞歸關(guān)系式，推導(dǎo)了笛卡爾坐標(biāo)空間到鉸

5、坐標(biāo)空間的轉(zhuǎn)換關(guān)系式，實(shí)現(xiàn)了遞歸組裝運(yùn)動方程的混合建模算法。 分析了機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)數(shù)值求解存在的主要問題。提出切空間擾動法甄別系統(tǒng)冗余與矛盾約束。通過擴(kuò)展懲罰因子法，處理構(gòu)形奇異和變拓?fù)淝闆r的動力學(xué)數(shù)值求解，并伴隨廣義參數(shù)投影校正，避免約束違約。對于存在剛性特性的機(jī)械系統(tǒng)，為了提高數(shù)值II算法穩(wěn)定性，直接采用隱式積分格式離散運(yùn)動方程，并推導(dǎo)了近似雅可比矩陣和方程殘量計(jì)算公式，提高算法效率。考慮到整體求解算法效率低，求解并行差的問