机械系统虚拟样机技术的研究与开发

机械系统虚拟样机技术的研究与开发 中国农业大学学报/990222中国农业大学学报JOURNAL OF CHINA AGRICULTURAL UNIVERSITY 1999年 第2期 No.2 1999机械系统虚拟样机技术的 研究与开发?张 旭? 毛恩荣摘 要 回顾了机械系统虚拟样机技术的发展历史 简述了它对缩短机械系统产品 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 开发的周期、降低成本、提高质量等方面的作 用。对比 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 了其理论基础--求解机械系统运动学和动力学的各种常用方法及其特 点。阐述了国内外机械系统虚拟样机技术的研究现状以及目前国内研究存在的问 题。最后提出并分析进一步研究与开发的任务 和对策。关键词 机械系统虚拟 样机技术动力学 分类号 Mechanical System Virtual PrototypingZhang Xu Mao Enrong College of Vehicle EngineringCAUAbstract The development of mechanical system virtual prototyping is in troduced. The effects of mechanical system virtual prototyping on the time -saving cost-cutting and quality-improving etc. in the products designing a re put forward briefly. The theoretical bases including many specialized techniques and analystical methods of dynamics and ki nematics are compared. The present situation and problems of the research on mec hanical system virtual prototyping are discussed. The tasks of further research are given. Key words mechanical system virtual prototyping dynamics 机 械系统虚拟样机技术是指在机械系统的设计开发过程中综合应用相关的先进技 术手段在计算机上建造出机械产品的模型并对该机械系统整体在投入运行后的 工作情况进行分析研究的一种高新技术手段。 1 产生背景 随着近代科学技术 的发展工程设计的理论、方法和手段都发生了很大变化。特别是近30年来工程 设计手段的先进与否、数字化程度以CAD技术和FEA技术为典范的高低在很大程 度上决定了产品设计开发的周期、质量和成本。CAD技术是计 file:///E/qk/zgnydxxb/zgny99/zgny第 页-3-23 16:18:19万方数据中国农业大学学报/990222算机应用于工程设计中最早和最成功的 典范。它的出现和广泛使用从根本上改变了传统的以经验为主的设计方法。它将 设计人员从费时、重复、繁琐的手工绘图方式中解放出来不但提高了工程图纸的 质量和绘制速度而且能在设计完成前由计算机预先显示产品最终的外形结构以供 估价更重要的是为设计人员将更多的时间和精力用于创造性的工作提供了条件 并为社会带来了巨大的效益。FEA技术在工程设计过程中的应用再次极大地改进 了产品的设计手段。它可以帮助设计人员分析机械系统零部件的结构强度、刚度 以及热特性和动态特性不但进一步推动了CAD技术在各行业的应用而且解决 了许多以前难以处理的工程问题。 但是随着科学技术的发展人们逐渐认识 到这样一个事实即使机械系统中的每个零部件都是经过优化的也不能保证整个 系统的性能是良好的即系统级的优化绝不是系统中各部件优化的简单叠加。机械 系统虚拟样机技术作为又一种应用于机械系统设计过程中的高新技术手段是现阶 段解决这类问题的最有效的技术 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 。 通常多数公司都采用常规的设计方法 即首先进行不同的方案设计并绘制出工程图纸然后在经过较长时间的基于经 验的方案论证后选出较合适的方案并试制出物理样机此后进行试验设计并对 物理样机在多种工况下进行测试当发现结构或性能方面有缺陷时就修改设计方 案及工程图纸然后再次制造物理样机并对其进行测试。不难看出这种传统的物理 样机制造试验方法大大增加了新产品开发的周期和成本而且很难选用真正的优化 方案而机械系统虚拟样机技术则可直接利用CAD软件所提供的各零部件的物理 信息如质量、质心位置、对于任意参考坐标系的惯量等及其几何信息在计算机上对机械系统进行虚拟装配定义零部件间的联接关系及其作用力、运动激励等从而获得虚拟样机并对其进行仿真分析。这可使设计人员在各种虚拟环境中真实地模拟机械系统的工作情况快速分析多种设计方案可以帮助设计人员完成无数次物理样机无法进行的仿真试验直至获得系统级的优化设计方案。此外它还是分析对于物理样机来说是极其危险的工况的最佳手段如越野车辆的抗翻倾试验、飞机乘员的安全性试验等。机械系统虚拟样机技术不但可用于系统方案的论证及评估而且可用于产品的概念设计阶段、设计细化阶段、试验规划阶段以及工作状态再现等的全过程。机械系统虚拟样机技术作为进行样机设计、仿真研究复杂机械系统动力学问题的有效手段不但可以帮助产品制造商摆脱对于物理样机的过度依赖而且可以缩短产品的设计开发周期降低成本提高质量进而突破制约产品设计水平提 高的“瓶颈”。 2 多刚体系统动力学方法 机械系统虚拟样机技术是建立在多刚体系统动力学理论基础上的。多刚体系统动力学是近30年来在经典力学基础上发展起来的专门解决复杂机械系统的运动学和动力学问题的新的学科分支。 分析由多个刚体组成的机械系统原则上可采用传统的经典力学方法即以牛顿欧 拉方程为代表的矢量力学方法但随着组成机械系统的刚体数目的增多刚体之间的联系状况和约束方式就会变得极其复杂当对于作为隔离体的单个刚体列写牛顿欧拉方程时 铰约束力的出现会使未知变量的数目显著增加因此该方法也必须加以发展以便于计算机能自动识别刚体的联系状况并根据不同的约束形式自动形成约束方程。以拉格朗日方程为代表的分析力学方法也已广泛应用于多刚体系统动力学中。采用该方法可以避免出现不作功的铰的理想约束反力使未知变量的数目减少到最低程度但随着刚体数和自由度的增多动能和势能函数的项数会急剧扩张求导数的计算工作量庞 大推导过程繁琐枯燥且容易出错尤其是若采用传统的独立的第 页 -3-23 16:18:19万方数据中国农业大学学报/990222拉格朗日广义坐标在建立系统的动力学方程时会变得非常困难。1966年罗伯森Roberson和维滕堡Wittenburg创造性地将图论引入多刚体系统动力学使这个学科分支跨入新阶段。他们利用图论的一些基本概念和数学工具成功地描述了机械系统内各刚体之间的结构特征。借助图论工具可使各种不同结构的系统能用统一的数学模型来描述选用铰链相对运动变量作为系统的广义坐标可导出多刚体系统的一般形式的动力学方程。罗伯森维滕堡R W方法以十分优美的风格处理 了树结构多刚体系统对于非树系统则必须利用铰切割或刚体分割方法转变成树系统处理 。 变分方法作为经典力学的重要组成部分同样可用于求解多刚体系统动力学问题。变分的力学原理并不是直接描述机械系统运动的客观规律而是把真实发生的运动和可能发生的运动加以比较在相同条件下从所发生的很多的可能运动中指出真实运动所应满足的条件因此该方法无需建立机械系统的动力学方程而是以加速度作为变量根据被称为拘束的泛函的极值条件直接利用系统在每个时刻的坐标和速度值解出真实加速度从而确定系统的运动规律。凯恩Kane方法是在1965年前后发展起来的一种用于分析复杂机械系统的新方法。该方法最先用于分析复杂航天器以后发展成为使用范围更广泛的普遍方法。该方法的特点是以伪速度作为独立变量来描述系统的运动既适用于完整约束又适用于非完整约束此外在用该方法建立系统 的动力学方程时既不会出现理想约束反力也不必计算动能等动力学函数及其导数而且推导计算十分规格化所得结果是1阶微分方程组因而兼有矢量力学和分析力学的特点。但它只是一种普遍的方法必须对每个具体的多刚体系统作具体处理而不像R W法那样可得到一个普遍的公式。作为凯恩方法的具体应用修斯顿Huston等人发展了一种几何与计算相统一的方法。 国内对于多刚体系统动力学的研究总体上比较落后基本上处于追踪国外发展动向的阶段。如上海交通大学刘延柱教授等人的工作都是牛顿欧拉方程的几种其他表达形式他 们采用矩阵记法并与图论相结合列写旋量形式的牛顿欧拉方程可使任意结构的 多刚体系统的动力学方程具有简练的表达形式。又如中国农业大学周一鸣教授主持开发了广义机构计算机辅助设计系统GMCADS Generalized Mechanisms Computer 该系统用迭代方法计算机械系统的自由度在静力学分析中用势能极小原理求解系统的静平衡位置在动力学分析中采用了哈密尔Hamilton正则方程。但是国内的软件由于许多技术上和非技术上的原因都只停留在实验室中离软件商品化还有很大距离。 3 目前国内研究面临的主要问题 目前国际上对虚拟样机技术的研究已趋成熟商品化的软件系统正逐渐在工程设计实践中得以推广利用它正在由分析专家的专用研究工具逐渐向普通工程设计人员易于掌握的工程设计的工具转变但这项技术在国内仍面临着许多问题主要表现在以下几个方面。 1 目前国内的研究范围较窄仅停留在多体系统动力学的领域内且仅停留在实验室阶段尚难以在工程实践中应用。对于由少量刚体组成的简单系统用任何一种方法甚至手工推导都可进行动力学分析但是对于由大量刚体组成的复杂系统若不借助于计算机人们是无法进行仿真分析研究的。从这个角度上讲如果没有工程设计人员易于掌握的机械系统仿真分析软件多体系统动力学的理论再精妙、再完美也只能停留在纸上而无法解决现实中的工程问题。国内在虚拟样机方面的研究工作中对这方面的重视程度还很不够有待进一步加强。 2 对相关技术的研究不足。1966年罗伯森和维滕堡创造性地将图论引入多刚体系 第 页-3-23 16:18:19万方数据中国农业大学学报/990222统动力学使这个学科分支一度呈现出崭新的形态。在此之后国外有些学者较深入地研究了图论在多刚体系统动力学领域的应用取得了一定的成果如修斯顿等人提出了“低序体阵列”的概念并在此基础上发展了一套独具特色的多体系统动力学的建模方法--“有限段建模法”。与国外的研究及其成果相比国内学者在这方面投入的精力不多。受“面向对象技术”在计算机及其相关领域内的快速发展和成功应用的影响目前国外已有学者开始研究如何将面向对象技术应用到虚拟样机技术中来。事实上国外学者在这方面的研究已引起业界有关方面的重视而国内在这方面的研究却是一片空白。机械系统虚拟样机技术涉及到大量描述机械系统及其力学特性的数据。这些数据如何存储并使所存数据有足够的灵活性以适应实际机械系统结构及组成的多样性和复杂性还必须考虑所存数据的一致性如何对各种相关信息进行添加、修改、删除、查找等操作如何 使数据与面向对象技术的要求和谐一致等都要由数据结构来解决而国内学者很少进行这方面的研究。 3 对机械系统虚拟样机技术软件系统的开发和商品化的重要性及迫切性认识不足。虚拟样机技术在工程中应用的前提条件是软件只是商品化的软件为机械系统设计师所使用其巨大的社会效益和经济 效益才会体现出来。国内学者对于机械系统虚拟样机技术软件系统的开发和商品化工作的重要性及迫切性认识不足至今尚无进行商品化软件开发的迹象而国外 先进的、商品化的虚拟样?/B>技术软件都具有良好的图形用户界面具有直观、自然、友好、方便等优点。国内学者在这方面的工作远远不够这是国内同类软件只能停留在实验室中一般人员难以使用的根本原因之一。 4 进一步研究与开发的主要任务 1 以具有几何与计算相统一的优点的修斯顿方法为进行力学分析计算的理论依据建立基于特定描述形式的机械系统动力学仿真分析的算法。多刚体系统动力学从理论上讲已日趋完善现在人们又开始考虑组成机械系统的个别部件的变形及其与机械系统整体在大空间运动的相互作用及影响但是我们应看到虽然多刚体系统动力学的各种方法风格迥然不同是否考虑弹性体也会使系统的方程差异根大但要使虚拟样机技术真正应用于工程实践中必须寻求建立一种高度程式化、适宜编制计算程序的动力学方程的方法做尽可能少的准备工作就能处理一般结构的机械系统。在众多的多刚体系统动力学方法中凯恩法兼有矢量力学和分析力学的特点而作为凯恩法的一种具体应用的修斯顿法具有几何与计算相统一的优点因此更适宜编制计算程序。值得注意的是机械系统的多刚体动力学公式的具体形式是与机械系统的描述方式密切相关的因此须结合特定的机械系统的描述方式推导相应的动力学仿真计算公式。 2 将面向对象语言、面向对象程序设计方法学、面向对象的计算机体系结构应用于机械系统分析技术中。面向对象技术是近年来快速发展起来的一项新技术起源于面向对象的计算机语言但目前已超越计算机程序设计和软件开发。由于其概念和方法与人类在认识和理解客观现实世界的过程中普遍的方法极为相似更符合人们的思难习惯因此尤其适合解决复杂的问题。该技术在计算机软硬件开发方面呈现出了巨大的优越性人们已普遍将其视为在目前情况下解决软件危机的最有希望的突破口。机械系统虚拟样机技术是否能在工程实践中得到应用和认同关键在于是否有一套方便、实用的计算机软件。这种软件的设计开发是一项非常复杂和艰巨的工作这恰好为面向对象技术的应用创造了条件。研究在机械系统虚拟样机技术中如何利用面向对象技术可直接利用90年代的软件技术势必将减轻软件开发的难度并提高软件的可维护性。 file:///E/qk/zgnydxxb/zgny99/zgny9902/9902第 页-3-23 16:18:19万方数据中国农业大学学报/990222 3 以图作为基础数据结构将物理空间中的机械系统映射到计算机中确定用于描述机械系统的数据结构。图论是一门很有实用价值的数学分支学科在计算机科学、物理学、生物学、电力工程、运筹学以及社会科学等领域都有广泛的用途。图论在机械系统虚拟样机技术中的应用目前 还处于比较初级的阶段但却有良好的应用前景有可能用来求解复杂机械系统真实自由度等问题。当前的紧要任务是研究将物理空间中的机械系统如何映射到计算机中建立相应的数据结构为软件的实现奠定基础并为深入研究图论在机械系统虚拟样机技术中的应用创造基础条件。 4 建立基于图形的前后处理界面以发挥计算机图形用户界面直观、自然、友好、方便等优点。机械系统虚拟样机软件系统本身都涉及到较深的力学及数学专业知识而其用户则是具有一般机械知识的机械设计与制造业的工程技术人员因此软件用户界面的友好程度在很大程度上决定了工程技术人员对软件系统的认可程度。这种技术所具有的计算机图形用户界面直观、自然、友好、方便等优点为更多非计算机专业用户将计算机技 术更好地应用于其专业领域提供了方便。 5 综合应用上述建模原理及算法设计开发软件原型系统。机械系统虚拟样机技术要能在工程实践中发挥应有的作用必须借助于优秀的软件系统。在这一点上它与FEA技术非常相似有限元方法作为求解微分方程的一种数值方法由来已久但其在数字电子计算机发明前却难以有所作为然而由于商品化的FEA软件如和MARC等的发展及其在工程实践中的应用才会有今天工程技术人员对FEA技术的信赖而FEA技术也才能在工程实践中发挥巨大作用取得巨大成绩。但是实现机械系统虚拟样机技术的软件系统非常复杂需要做长期大量复杂艰巨的工作才有可能达到比较理想的水平。国际上较成功的软件系统都是在专门的公司里经过20多年的不断发展才达到目前水平的。当前我们的任务是综合上述各方面的研究设计开发机械系统虚拟样机技术软件系统的原型系统探索并尽可能发现问题为深入研究机械系统虚拟样机技术及其软件系统奠定基础。 ?高校博士点基金资助项目 ?张 旭北京清华东路17号 中国农业大学东校区213信箱作者单位中国农业大学车辆工程学院参考文献 1 路甬祥.工程设计的发展趋势和未来.机械工程学报 2 Haug E J. Computer Aided Kinematics and Dynamics of Mechanical Systems. Vol 1 Basic Methods. Needham Heights: Allyn and 3 袁士杰吕哲勤.多刚体系统动力学.北京北京理工大学出版社 4 贾 书 关于书的成语关于读书的排比句社区图书漂流公约怎么写关于读书的小报汉书pdf 惠.刚体动力学.北京高等教育出版社 5 凯恩列文松著.动力学理论与应用.贾书惠薛克宗译.北京清华大学出版社 第 页-3-23 16:18:19万方数据中国农业大学学报/990222 6 休斯敦刘又午.多体系统动力学 上册 三年级上册必备古诗语文八年级上册教案下载人教社三年级上册数学 pdf四年级上册口算下载三年级数学教材上册pdf .天津天津大学出版社 7 Koh A S Park J P. Object oriented dynamics simulator. Computation 8 休斯敦刘又午.多体系统动力学下册.天津天津大学出版社 收稿日期 -09-第 页 -3-23 16:18:19万方数据