機械系統(tǒng)虛擬樣機平臺建模技術(shù)與動力學求解研究.pdf

1、機械系統(tǒng)虛擬樣機技術(shù)是計算機輔助分析的重要分支之一，對縮短產(chǎn)品設計周期，降低產(chǎn)品開發(fā)成本，提高產(chǎn)品設計質(zhì)量均有著顯著意義。借助這項技術(shù)，可通過建立機械系統(tǒng)數(shù)字模型，模擬現(xiàn)實環(huán)境下機械系統(tǒng)的運動學和動力學特性。本文從虛擬樣機建模和動力學數(shù)值求解等方面對機械系統(tǒng)虛擬樣機技術(shù)進行了深入系統(tǒng)的研究。 首先闡述了機械系統(tǒng)虛擬樣機技術(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和管理進行研究，

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制，以實現(xiàn)模型編輯時的內(nèi)部關(guān)系一致性維護與管理。 機械系統(tǒng)虛擬樣機建模是樣機動力學分析的基礎。為了便于模型修改、融合領域工程設計知識并支持功能優(yōu)化分析，提出了適用于機械系統(tǒng)建模的參數(shù)化技術(shù)。通過分析機械系統(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的模型參數(shù)完整約束網(wǎng)絡。根據(jù)約束網(wǎng)絡描述的參數(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)合模型元素更新機制，實現(xiàn)樣機模型參數(shù)化驅(qū)動。 針對機械系統(tǒng)虛擬樣機建模效率低、模型重用困難等問題，提出了面向復雜機械系統(tǒng)建模的子系統(tǒng)技術(shù)?；跈C械系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)特點，引入虛部件定義子系統(tǒng)外部拓撲連接關(guān)系，通過主控參數(shù)封裝模型設計知識和內(nèi)部參數(shù)信息，使用子系統(tǒng)坐標系解耦空間位姿關(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，并在此基礎上討論了模型重用和

4、子系統(tǒng)建模流程。 機械系統(tǒng)虛擬樣機技術(shù)的主要功能是實現(xiàn)樣機模型的運動特性仿真分析。為提高運動方程組裝效率，在綜合全局建模法和拓撲建模法優(yōu)點的基礎上，提出了運動方程混合建模方法。通過分析相鄰構(gòu)件的位姿關(guān)系，推導了系統(tǒng)運動方程遞歸關(guān)系式和約束雅可比矩陣；然后根據(jù)約束對運動方程求解效率的影響，建立了模型拓撲帶權(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)基點選取算法?；谀Ｐ屯負浣Y(jié)構(gòu)和遞歸關(guān)系式，推導了笛卡爾坐標空間到鉸

5、坐標空間的轉(zhuǎn)換關(guān)系式，實現(xiàn)了遞歸組裝運動方程的混合建模算法。 分析了機械系統(tǒng)動力學數(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。通過擴展懲罰因子法，處理構(gòu)形奇異和變拓撲情況的動力學數(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動方程，并推導了近似雅可比矩陣和方程殘量計算公式，提高算法效率?？紤]到整體求解算法效率低，求解并行差的問