機(jī)械系統(tǒng)虛擬樣機(jī)技術(shù)

前言

　　面對21世紀(jì)高新技術(shù)應(yīng)用、信息化和全球經(jīng)濟(jì)一體化所帶來的異常激烈的競爭，面對有限的資源和日益增長的環(huán)保壓力的挑戰(zhàn)，人類對上至太空、下至海洋、大到巨型系統(tǒng)、小到微觀領(lǐng)域進(jìn)行著不懈的探索，而機(jī)械系統(tǒng)在其中發(fā)揮著不可或缺的作用。為滿足高技術(shù)應(yīng)用的要求，機(jī)械系統(tǒng)在其復(fù)雜性、精度、可靠性以及使用壽命等方面呈現(xiàn)出越來越高的發(fā)展趨勢?！　?fù)雜機(jī)械系統(tǒng)是指功能復(fù)雜、系統(tǒng)組成復(fù)雜、產(chǎn)品技術(shù)復(fù)雜、制造過程復(fù)雜和項(xiàng)目管理復(fù)雜的一類機(jī)械產(chǎn)品。復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)由多個(gè)子系統(tǒng)組成，各個(gè)子系統(tǒng)之間存在著錯(cuò)綜復(fù)雜的非線性相互作用。復(fù)雜機(jī)械產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計(jì)過程已經(jīng)從傳統(tǒng)的面向零部件、單一工藝、單一學(xué)科的局部優(yōu)化發(fā)展到面向整體的多學(xué)科全面優(yōu)化，傳統(tǒng)的機(jī)械系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)已難以滿足這種要求。作為一門新技術(shù)，虛擬樣機(jī)技術(shù)（Virtual Prototype Technology）為復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了一種動態(tài)仿真分析工具。　　虛擬樣機(jī)技術(shù)以多體系統(tǒng)動力學(xué)（Dynamics of Multi body System）為核心，將分散零部件的幾何設(shè)計(jì)和多種分析技術(shù)，如有限元分析（Finite Element Analysis）、多領(lǐng)域（Multi-Domain）仿真技術(shù)等有機(jī)結(jié)合在一起，在計(jì)算機(jī)上建造機(jī)械產(chǎn)品的整體模型，并針對多種可能的工況和不同的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行分析，評估機(jī)械系統(tǒng)性能，進(jìn)行機(jī)械系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，為物理樣機(jī)的設(shè)計(jì)和制造提供依據(jù)。　　20世紀(jì)80年代，國際上已系統(tǒng)地提出機(jī)械系統(tǒng)動態(tài)仿真技術(shù)或虛擬樣機(jī)技術(shù)。經(jīng)過數(shù)十年的研究和發(fā)展，虛擬樣機(jī)技術(shù)理論漸趨成熟，并有相當(dāng)數(shù)量的軟件完成了商業(yè)化開發(fā)。我國進(jìn)行虛擬樣機(jī)技術(shù)的研究稍晚于國外，但也取得了斐然的成就?！　〗陙恚摂M樣機(jī)技術(shù)在機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)和開發(fā)中獲得了廣泛應(yīng)用。針對這種情況，為了解虛擬樣機(jī)技術(shù)的理論基礎(chǔ)和技術(shù)，掌握虛擬樣機(jī)軟件的使用方法，為我國培養(yǎng)機(jī)械系統(tǒng)仿真和分析的高級專業(yè)人才，在高等院校機(jī)械工程相關(guān)專業(yè)開設(shè)虛擬樣機(jī)技術(shù)的課程已勢在必行?！　√摂M樣機(jī)技術(shù)具有學(xué)科綜合的特點(diǎn)，它涉及多體系統(tǒng)動力學(xué)、控制理論、有限元分析、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和數(shù)值計(jì)算等多種知識，是集機(jī)械、液壓、控制及有限元等技術(shù)于一體的多學(xué)科交叉的邊緣學(xué)科和技術(shù)，和傳統(tǒng)獨(dú)立的CAD和FEA等技術(shù)相比，涉及專業(yè)面寬、覆蓋領(lǐng)域廣。使用者不僅要具有一般的多體系統(tǒng)動力學(xué)、控制論等專業(yè)基礎(chǔ)理論知識，同時(shí)還要具有一定的工程專業(yè)背景。只有具備這兩者才能真正理解和使用這門技術(shù)以解決工程問題。只有在了解虛擬樣機(jī)技術(shù)理論知識的基礎(chǔ)上，才有可能深入了解并熟練應(yīng)用虛擬樣機(jī)軟件。　　虛擬樣機(jī)技術(shù)作為一門新技術(shù)，目前與之相關(guān)的教材或?qū)Ｖ€為數(shù)不多。在已有教材中，多數(shù)著重于軟件本身的操作，僅簡單列舉了相關(guān)的機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)方程，這種情況不利于虛擬樣機(jī)技術(shù)的推廣與深入應(yīng)用。對虛擬樣機(jī)技術(shù)的理論基礎(chǔ)，特別是多體系統(tǒng)動力學(xué)具有初步認(rèn)識，并能較深入地掌握某種軟件的應(yīng)用，顯然會為以后進(jìn)一步深入學(xué)習(xí)和掌握這門技術(shù)奠定良好的基礎(chǔ)。

內(nèi)容概要

　　《機(jī)械系統(tǒng)虛擬樣機(jī)技術(shù)》為普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材?！稒C(jī)械系統(tǒng)虛擬樣機(jī)技術(shù)》介紹機(jī)械系統(tǒng)虛擬樣機(jī)軟件的理論基礎(chǔ)和實(shí)現(xiàn)原理，主要內(nèi)容包括機(jī)械系統(tǒng)仿真分析的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)、基于多體系統(tǒng)理論的串聯(lián)機(jī)構(gòu)和并聯(lián)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)建模與仿真、多學(xué)科聯(lián)合建模與仿真技術(shù)及數(shù)值算法等。　　《機(jī)械系統(tǒng)虛擬樣機(jī)技術(shù)》適合于作為機(jī)械工程及相關(guān)領(lǐng)域的高年級本科生和研究生教材，也可供相關(guān)領(lǐng)域研究人員閱讀和參考。

書籍目錄

第1章 虛擬樣機(jī)技術(shù)概論1.1 虛擬樣機(jī)技術(shù)1.2 基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的機(jī)械產(chǎn)品開發(fā)1.3 虛擬樣機(jī)軟件及工程應(yīng)用1.3.1 汽車行業(yè)的應(yīng)用1.3.2 航空航天中的應(yīng)用1.3.3 工程機(jī)械的應(yīng)用1.3.4 其他應(yīng)用1.4 多體系統(tǒng)動力學(xué)概述第2章 數(shù)學(xué)基礎(chǔ)2.1 矢量2.1.1 位置矢量2.1.2 矢量運(yùn)算2.1.3 矢量微分和積分2.2 矩陣基礎(chǔ)2.2.1 線性空間簡介2.2.2 矩陣2.2.3 矩陣運(yùn)算2.2.4 矩陣特征值和特征矢量2.2.5 矩陣分解2.3 矢量變換2.3.1 旋轉(zhuǎn)矩陣2.3.2 歐拉角2.3.3 方向余弦2.3.4 四元數(shù)2.3.5 齊次變換2.4 剛體運(yùn)動學(xué)分析基礎(chǔ)2.4.1 速度和加速度2.4.2 虛位移第3章 機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動學(xué)建模與仿真3.1 約束與自由度3.1.1 約束3.1.2 自由度3.2 約束方程3.3 系統(tǒng)運(yùn)動學(xué)分析3.4 開鏈機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)分析3.4.1 串聯(lián)機(jī)構(gòu)位姿正解3.4.2 串聯(lián)機(jī)構(gòu)位姿逆解3.4.3 串聯(lián)機(jī)構(gòu)速度和加速度分析3.4.4 Jacobi矩陣與奇異構(gòu)型3.4.5 串聯(lián)機(jī)構(gòu)工作空間3.5 并聯(lián)機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)分析3.5.1 概述3.5.2 結(jié)構(gòu)及分類3.5.3 位置逆解3.5.4 位置正解3.5.5 速度分析、Jacobi矩陣及奇異構(gòu)型3.5.6 工作空間3.6 運(yùn)動學(xué)分析的計(jì)算機(jī)建模3.6.1 基本約束3.6.2 運(yùn)動副約束3.6.3 驅(qū)動約束3.6.4 運(yùn)動學(xué)分析第4章 機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)建模與仿真4.1 動力學(xué)基本參量4.1.1 線動量4.1.2 質(zhì)心4.1.3 角動量4.1.4 轉(zhuǎn)動慣量4.2 剛體動力學(xué)基本原理4.2.1 作用在剛體上的力和力矩4.2.2 Newton-Euler方程4.2.3 虛功原理4.2.4 D'Alembert原理4.2.5 Lagrange方程4.2.6 Kane方程4.3 串聯(lián)機(jī)構(gòu)動力學(xué)分析4.3.1 開環(huán)機(jī)構(gòu)靜平衡4.3.2 動力學(xué)逆解4.3.3 動力學(xué)正解4.4 并聯(lián)機(jī)構(gòu)動力學(xué)分析4.4.1 閉鏈機(jī)構(gòu)動力學(xué)分析4.4.2 并聯(lián)機(jī)構(gòu)靜力學(xué)4.4.3 并聯(lián)機(jī)構(gòu)動力學(xué)正解4.4.4 并聯(lián)機(jī)構(gòu)動力學(xué)逆解4.5 動力學(xué)分析計(jì)算機(jī)建模4.5.1 機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)方程4.5.2 力元4.5.3 運(yùn)動副約束反力第5章 多學(xué)科聯(lián)合建模與仿真技術(shù)5.1 多領(lǐng)域仿真技術(shù)概述5.2 功率鍵合圖5.2.1 功率變量5.2.2 元件5.2.3 鍵合圖繪制5.2.4 因果關(guān)系5.2.5 系統(tǒng)建模5.2.6 多體系統(tǒng)鍵合圖建模簡介5.2.7 鍵合圖建模綜述5.3 線性圖建模5.3.1 線性圖基礎(chǔ)5.3.2 物理系統(tǒng)線性圖建模5.3.3 線性圖建模實(shí)例5.4 多領(lǐng)域仿真的計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)5.5 多領(lǐng)域仿真技術(shù)的未來第6章 數(shù)值算法6.1 非線性方程和方程組的數(shù)值解法6.1.1 迭代法一般概念6.1.2 非線性方程數(shù)值解法6.1.3 非線性方程組的不動點(diǎn)迭代法6.2 線性方程組數(shù)值解法6.2.1 線性方程組的直接解法6.2.2 線性方程組的迭代法6.3 常微分方程數(shù)值方法6.3.1 Taylor級數(shù)6.3.2 有限差分方法6.3.3 一階Euler方法6.3.4 數(shù)值算法的穩(wěn)定和收斂6.3.5 Runge-Kutta方法6.3.6 線性多步法6.3.7 高階常微分方程的數(shù)值解法6.3.8 一階常微分方程組的數(shù)值解法6.3.9 常微分方程數(shù)值計(jì)算中的剛性6.4 微分代數(shù)方程數(shù)值方法6.4.1 DAE方程及其指標(biāo)6.4.2 DAE指標(biāo)縮降方法6.4.3 DAE方程穩(wěn)定化技術(shù)6.4.4 DAE直接離散方法第7章 虛擬樣機(jī)軟件簡介7.1 德國INTEC公司SIMPACK7.1.1 SIMPACK仿真技術(shù)特點(diǎn)與應(yīng)用7.1.2 SIMPACK模塊及其應(yīng)用7.1.3 系統(tǒng)建模與仿真7.2 美國MSC公司ADAMS7.2.1 幾何建模7.2.2 約束7.2.3 載荷7.2.4 仿真7.2.5 后處理7.2.6 其他功能參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

　　物體在空間中的任何運(yùn)動都可以看做移動（17ranslation）和轉(zhuǎn)動（Rotation）的疊加。在剛體動力學(xué)中，使用隨剛體運(yùn)動的連體系（Body-Fixed Coordinate System）在參考坐標(biāo)系或慣性系中的位置和方向來描述剛體的位姿。剛體的運(yùn)動學(xué)參量如位置、方向、速度、加速度、角速度和角加速度等以及動力學(xué)特性如力、力矩、慣性張量和機(jī)械能等完全使用剛體的位姿來描述。結(jié)構(gòu)動力學(xué)是剛體動力學(xué)在變形體上的離散化應(yīng)用，盡管在處理柔性體時(shí)會采用一些適合于柔性體特點(diǎn)的專門方法和技術(shù)，如使用浮動坐標(biāo)系（Floating Coordinate System）描述柔性體的變形，但其數(shù)學(xué)建模的理論基礎(chǔ)仍然采用剛體位姿描述方法。　　描述連體系相對參考系的位姿及其變化需要借助矢量、矩陣及Euler角等數(shù)學(xué)工具。矢量是描述連體系空間位置最直接的方法。相對來說，描述連體系的方向更加復(fù)雜，所使用的方法包括旋轉(zhuǎn)矩陣、Euler角、Rodrigus參數(shù)以及四元數(shù)等?！　”菊潞喴榻B在多體系統(tǒng)運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)分析中經(jīng)常使用的數(shù)學(xué)工具，包括矢量代數(shù)、旋轉(zhuǎn)矩陣、Euler角、Rodrigus參數(shù)和四元數(shù)等。坐標(biāo)系方向的描述在運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)分析中較為復(fù)雜，因此坐標(biāo)系方向描述是本章的重點(diǎn)內(nèi)容。 　　……

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