机械多体系统虚拟样机技术.ppt

虚拟样机与机械多体系统的基本理虚拟样机与机械多体系统的基本理论与应用论与应用南京航空航天大学吴洪涛2010.2.28一、中国企业现状一、中国企业现状l经过二十多年发展经过二十多年发展，政府和企业的积极努力，目前，我国的政府和企业的积极努力，目前，我国的制造企业大都采用了各种制造企业大都采用了各种CAD 软件进行产品设计，基本上实软件进行产品设计，基本上实现了现了“甩图板甩图板”，还有不少企业采用了三维，还有不少企业采用了三维CAD 软件完成更高软件完成更高级的设计工作，使产品的开发能力获得明显的增强。通过级的设计工作，使产品的开发能力获得明显的增强。通过CAD，设计师可以利用强大的图形绘制和三维造型功能，生，设计师可以利用强大的图形绘制和三维造型功能，生成数字化的图形数据，其图面的清晰、准确、易于修改确实成数字化的图形数据，其图面的清晰、准确、易于修改确实使产品开发水平提高了一大步。使产品开发水平提高了一大步。l但关键的产品质量和性能问题，在但关键的产品质量和性能问题，在CAD 中却无法中却无法涉及。涉及。现代产品正朝着高效、高速、高精度、低成本、节现代产品正朝着高效、高速、高精度、低成本、节省资源、高性能等方面发展，传统的计算分析方法远远无法省资源、高性能等方面发展，传统的计算分析方法远远无法满足要求。伴随着计算机技术的发展，出现了计算机辅助工满足要求。伴随着计算机技术的发展，出现了计算机辅助工程分析（程分析（Computer Aided Engineering，CAE）这一新兴）这一新兴技术。技术。二、当前的问题和进步的动力二、当前的问题和进步的动力l以产品强度安全为例，迄今为止，产品的力学强度分析与计算一直沿用材料以产品强度安全为例，迄今为止，产品的力学强度分析与计算一直沿用材料力学、理论力学和弹性力学所提供的公式来进行，由于有许多的简化条件，力学、理论力学和弹性力学所提供的公式来进行，由于有许多的简化条件，因而计算精度很低；还有不少企业领导和产品开发人员认为自己的产品大都因而计算精度很低；还有不少企业领导和产品开发人员认为自己的产品大都是在原有产品基础上的改型，其尺寸、应力等没是在原有产品基础上的改型，其尺寸、应力等没 必要再做复杂的计算。在必要再做复杂的计算。在这种情况下，设这种情况下，设 计人员常采用简单的加大安全系数的方法来保证产品的强计人员常采用简单的加大安全系数的方法来保证产品的强度和质量，结果使结构尺寸加大，浪费材料，有时还会造成结构性能的降低。度和质量，结果使结构尺寸加大，浪费材料，有时还会造成结构性能的降低。l从产品的整个投入上来看，采用从产品的整个投入上来看，采用CAE 使得前期的设计投入的确有所增大，使得前期的设计投入的确有所增大，但往往能够很大程度上节省试制环节的投入，并能极大的减少产品投产的时但往往能够很大程度上节省试制环节的投入，并能极大的减少产品投产的时间。因为间。因为“心中有数心中有数”，所以在，所以在T，Q，C，S方面皆带来了好处。方面皆带来了好处。众所周知，新产品的开发是众所周知，新产品的开发是一个复杂的系统工程，其影一个复杂的系统工程，其影响因素众多，参数选择具有响因素众多，参数选择具有复杂的制约关系，只有采取复杂的制约关系，只有采取科学的方法和经验积累相结科学的方法和经验积累相结合，方才可能做到合，方才可能做到“又快又又快又好好”。三、三、CAE概述概述lCAE 能在产品设计阶段分析产品的静、动态特性，模拟产品在未来工作环境的工能在产品设计阶段分析产品的静、动态特性，模拟产品在未来工作环境的工作状态和运行行为，在设计阶段发现设计中的缺陷、并对其修改，并证实未来工作状态和运行行为，在设计阶段发现设计中的缺陷、并对其修改，并证实未来工程、产品性能的可行性和可靠性。一般情况下，程、产品性能的可行性和可靠性。一般情况下，CAE 主要完成工作包括：发现设主要完成工作包括：发现设计缺陷、减少重量、增加强度、优化零部件尺寸、优化性能、选择恰当材料、检计缺陷、减少重量、增加强度、优化零部件尺寸、优化性能、选择恰当材料、检查安全要素等。查安全要素等。l日益激烈的市场竞争已使工业产品的设计与生产厂家越来越清楚地意识到：能比日益激烈的市场竞争已使工业产品的设计与生产厂家越来越清楚地意识到：能比别人更快地推出优秀的新产品，就能占领更多的市场。别人更快地推出优秀的新产品，就能占领更多的市场。lCAE 技术可以帮助用户在产品设计定型或生产之前预测、仿真和提高产品的性能技术可以帮助用户在产品设计定型或生产之前预测、仿真和提高产品的性能质量，降低设计成本，节约资金，缩短产品投放市场的时间，提高竞争能力。质量，降低设计成本，节约资金，缩短产品投放市场的时间，提高竞争能力。l目前，目前，CAE 产品在整个产品在整个PLM 市场中所占的比重达到了约市场中所占的比重达到了约25，并且还有明显的，并且还有明显的继续增大的趋势。继续增大的趋势。l中国的中国的 CAE 产品市场，国外产品一统天下，品牌集中度较高，主要集中在有限的产品市场，国外产品一统天下，品牌集中度较高，主要集中在有限的MSC、ANSYS、COSMOS 等几个产品上。等几个产品上。l中国中国 CAE 应用的普及任重而道远，应用的普及任重而道远，CAE 外包是企业可以考虑的应用方式之一。外包是企业可以考虑的应用方式之一。四、四、CAE 在产品生命周期各阶段创造的在产品生命周期各阶段创造的效益具体表现在：效益具体表现在：l1.概念设计阶段概念设计阶段：概念设计阶段，需要根据市场需求、产品功能、及商业考虑等进行产品规划、方案设计，CAE 可以为设计人员用来完成基础设计的验证、不同方案的比较，满足功能、性能方面的要求，并为企业领导层进行产品决策提供参考，回答是否能够在预定时间、预定成本等约束条件下开发出满足要求的产品的问题。l2.详细设计阶段详细设计阶段：在这个阶段，所有的设计将全部展开，从系统设计、装配部件、子装配、零件设计、直到图纸、材料、制造工艺等。CAE在这个阶段的作用，就是验证各种零部件是否满足预期的性能、制造上是否可行，而且从系统到单个零件都可以进行仿真。这些工作主要由设计工程师和制造工艺师参与完成。l3.试验阶段试验阶段：试验阶段是设计完成后的关键阶段。大多数企业都是先制造物理样机，投入试验，如果某些地方试验失败，则重新设计、重新制造、重新试验，如此反复，直到定型通过。显然，这样反复多次的“设计、试验、修改”过程，既耗费时间，又极为昂贵。为此就要采取所谓的虚拟样机技术。l4.制造阶段：制造阶段：这个阶段是产品实际制造的阶段。CAE 技术可以优化制造的工艺流程、减少废料、简化工艺步骤。通过找出、并消除那些可能导致产品缺陷的设计要素，CAE技术在提高产品“可生产性”的同时也可以大大减少售后服务成本。l5.市场市场/销售阶段：销售阶段：当产品上市销售时，CAE 可以在推广阶段向客户展示其产品在客户使用环境下的表现，同时CAE 的结果也可以用到广告中辅佐厂家对产品的介绍。由于CAE 带来了更好的设计、当然也带来了更好的产品，所以销售也必将增加。l6.支持服务阶段：支持服务阶段：售出的产品都需要技术支持、保养维护、检查、修理。CAE 技术可以指导现场的维修及备件更换，确保问题的解决，使产品保持原设计的功能。l7.报废阶段：报废阶段：产品的使用寿命到期之后，就必须报废或回收。CAE 在这个阶段的作用是，选择合适的工艺、材料、以及便宜、可行的回收方式。多数情况下，厂家都会制造大量备用的“接触件”，CAE 也可以保证这些备用件被合理回收利用。五、五、CAE 背景知识背景知识lCAE 主要指用计算机对工程和产品的功能、性能与安全可靠性进行计算和优化设计，对未来的工作状态和运行行为进行模拟真，以便及早发现设计缺陷，改进和优化设计方案，或证实未来工程/产品的可用性与可靠性。lCAE 主要是以有限元法、有限差分法、有限体积以及无网格法为数学基础发展起来的。传统的CAE 是指工程设计中的分析计算与分析仿真，具体包括工程数值分析、结构与过程优化设计、强度与寿命评估、运动动力学仿真。工程数值分析用来分析确定产品的性能；结构与过程优化设计用来保证产品功能、工艺过程的基础上，使产品、工艺过程的性能最优；l结构强度与寿命评估用来评估产品的精度设计是否可行，可靠性如何以及使用寿命为多少；运动动力学仿真用来对CAD建模完成的虚拟样机进行运动学仿真和动力学仿真。l从过程化、实用化技术发展的角度看，传统的传统的CAE 的核心技术为有限元的核心技术为有限元技术与虚拟样机的运动动力学仿真技术。技术与虚拟样机的运动动力学仿真技术。一、虚拟样机技术：应用实例一、虚拟样机技术：应用实例l三个典型的应用实例三个典型的应用实例l起源及发展起源及发展l技术组成技术组成l应用与前景应用与前景l几种代表性的软件：几种代表性的软件：l对中国制造业的启发对中国制造业的启发一、虚拟样机技术：一、虚拟样机技术：波音公司波音公司1990l1990年年10月月29日，美国波音公司正式启动波音日，美国波音公司正式启动波音777飞机研制计划，采用一种全新的设计与制造方式，飞机研制计划，采用一种全新的设计与制造方式，4年半之后，于年半之后，于1994年年6月月12日直接进行了第日直接进行了第1架波音架波音777的首次试飞。波音的首次试飞。波音777飞机的研制采用了全数字飞机的研制采用了全数字化的无纸设计技术，整机外型、结构件和整机飞机系统化的无纸设计技术，整机外型、结构件和整机飞机系统100%采用三维数字化定义，采用三维数字化定义，100%应用数字化应用数字化预装配，整个设计制造过程无需模型和样机，一次成功，首次实现了整机数字化设计、数字化制造和数预装配，整个设计制造过程无需模型和样机，一次成功，首次实现了整机数字化设计、数字化制造和数字化协调。对比以往的飞机研制，波音字化协调。对比以往的飞机研制，波音777成本降低了成本降低了25%，出错返工率减少了，出错返工率减少了75%，制造周期缩短了，制造周期缩短了50%。波音。波音777的研制成为现代产品开发新技术应用的里程碑，其采用的开发过程现在称之为虚拟产品的研制成为现代产品开发新技术应用的里程碑，其采用的开发过程现在称之为虚拟产品开发（开发（Virtual Product Development-VPD），应用的开发技术称之为虚拟样机技术（），应用的开发技术称之为虚拟样机技术（Virtual Prototyping-VP）。）。l虚拟产品开发和虚拟样机技术的出现是市场激烈竞争的拉动和技术迅速发展的推动共同作用的结果。随虚拟产品开发和虚拟样机技术的出现是市场激烈竞争的拉动和技术迅速发展的推动共同作用的结果。随着世界经济的一体化发展，市场竞争日趋激烈，多品种小批量生产和大批量定制生产逐渐成为主导的生着世界经济的一体化发展，市场竞争日趋激烈，多品种小批量生产和大批量定制生产逐渐成为主导的生产形式。在这种情况下，企业要求得生存与发展，就必须调整其产品开发和生产组织模式，解决产形式。在这种情况下，企业要求得生存与发展，就必须调整其产品开发和生产组织模式，解决T（最（最快的上市时间）、快的上市时间）、Q（最好的产品质量）、（最好的产品质量）、C（最低的产品成本）、（最低的产品成本）、S（良好的产品服务）和（良好的产品服务）和E（尽少的（尽少的环境污染）难题。另一方面，世界已经进入全球化的知识经济时代，现代信息技术特别是计算机技术得环境污染）难题。另一方面，世界已经进入全球化的知识经济时代，现代信息技术特别是计算机技术得到飞速发展与广泛应用，这为到飞速发展与广泛应用，这为TQCSE难题的解决提供了机遇。在这样的背景条件下，虚拟产品开发和难题的解决提供了机遇。在这样的背景条件下，虚拟产品开发和虚拟样机技术应运而生。虚拟样机技术应运而生。一、虚拟样机技术：应用实例一、虚拟样机技术：应用实例l1997年年7月月4日，美国航空航天局日，美国航空航天局(NASA)的喷气推进实验室的喷气推进实验室(JPL)成功地实现了火星探测器成功地实现了火星探测器探路号探路号在火星上的软着在火星上的软着陆，成为轰动一时的新闻。但人们并不知道，如果不是采用陆，成为轰动一时的新闻。但人们并不知道，如果不是采用了一项新技术，这个计划可能要失败。在探测器发射以前，了一项新技术，这个计划可能要失败。在探测器发射以前，JPL的工程师们运用这项技术预测到由于制动火箭与火星风的工程师们运用这项技术预测到由于制动火箭与火星风的相互作用，探测器很可能在着陆时滚翻并最后六轮朝上。的相互作用，探测器很可能在着陆时滚翻并最后六轮朝上。工程师们针对这个问题修改了技术方案，保证了火星登陆计工程师们针对这个问题修改了技术方案，保证了火星登陆计划的成功。划的成功。l福特汽车公司在一个新车型的开发中也采用了这项技术，其福特汽车公司在一个新车型的开发中也采用了这项技术，其设计周期缩短了设计周期缩短了70天。全公司范围内，由于采用了这项技术，天。全公司范围内，由于采用了这项技术，设计费用减少了设计费用减少了4千万美元，制造费用节省了千万美元，制造费用节省了10亿美元。由亿美元。由于设计制造周期的缩短，新车上市早，额外赢利达到其成本于设计制造周期的缩短，新车上市早，额外赢利达到其成本的数倍。的数倍。l世界上最大的工程机械制造商卡特皮勒公司的工程师们在经世界上最大的工程机械制造商卡特皮勒公司的工程师们在经过几天培训后，采用这项技术进行装载机和挖掘机的工作装过几天培训后，采用这项技术进行装载机和挖掘机的工作装置优化设计及分析，在一天时间内，他们对工作装置进行了置优化设计及分析，在一天时间内，他们对工作装置进行了上万个工位的运动及受力分析，很容易地实现了理想的设计。上万个工位的运动及受力分析，很容易地实现了理想的设计。十几年前在国内南方一个工程机械厂里，当时的工具只有计十几年前在国内南方一个工程机械厂里，当时的工具只有计算器，工程师每天能算三个工位已算很尽力了。算器，工程师每天能算三个工位已算很尽力了。一、虚拟样机技术：起源及发展一、虚拟样机技术：起源及发展 l虚拟样机技术是一项新生的工程技术。借助于这项技虚拟样机技术是一项新生的工程技术。借助于这项技术，工程师们可以在计算机上建立机械多体系统的模术，工程师们可以在计算机上建立机械多体系统的模型，伴之以三维可视化处理，模拟在现实环境下系统型，伴之以三维可视化处理，模拟在现实环境下系统的运动和动力特性，并根据仿真结果精化和优化系统的运动和动力特性，并根据仿真结果精化和优化系统的设计与过程。的设计与过程。l l任何一项技术的产生及广泛应用都有其原因，其中最任何一项技术的产生及广泛应用都有其原因，其中最重要的是市场的需求和技术本身的成熟程度。虚拟样重要的是市场的需求和技术本身的成熟程度。虚拟样机技术的起源有其经济背景。机技术的起源有其经济背景。l l随着经济贸易的全球化，要想在竞争日趋激烈的市场随着经济贸易的全球化，要想在竞争日趋激烈的市场上取胜，缩短开发周期，提高产品质量，降低成以及上取胜，缩短开发周期，提高产品质量，降低成以及对市场的灵活反应成为竞争者们所追求的目标。谁早对市场的灵活反应成为竞争者们所追求的目标。谁早推出产品，谁就占有市场。然而，传统的设计与制造推出产品，谁就占有市场。然而，传统的设计与制造方式无法满足这些要求。方式无法满足这些要求。一、虚拟样机技术：起源及发展一、虚拟样机技术：起源及发展 l在传统的设计与制造过程中，首先是概念设计和方案在传统的设计与制造过程中，首先是概念设计和方案论证，然后进行产品设计。论证，然后进行产品设计。l在设计完成后，为了验证设计，通常要制造样机进行在设计完成后，为了验证设计，通常要制造样机进行实验，有时这些实验甚至是破坏性的。实验，有时这些实验甚至是破坏性的。l当通过实验发现缺陷时，又要回头修改设计并再用样当通过实验发现缺陷时，又要回头修改设计并再用样机验证。只有通过周而复始的设计机验证。只有通过周而复始的设计-实验实验-设计过程，设计过程，产品才能达到要求的性能。产品才能达到要求的性能。l这一过程是冗长的，尤其对于结构复杂的系统。设计这一过程是冗长的，尤其对于结构复杂的系统。设计周期无法缩短，更不用谈对市场的灵活反应了。样机周期无法缩短，更不用谈对市场的灵活反应了。样机的单机手工制造增加了成本。在大多数情况下，工程的单机手工制造增加了成本。在大多数情况下，工程师为了保证产品按时投放市场而中断这一过程，使产师为了保证产品按时投放市场而中断这一过程，使产品在上市时便有先天不足的毛病。在竞争的市场的背品在上市时便有先天不足的毛病。在竞争的市场的背景下，基于实际样机上的设计验证过程严重地制约了景下，基于实际样机上的设计验证过程严重地制约了产品的质量的提高，成本的降低和对市场的占有。产品的质量的提高，成本的降低和对市场的占有。一、虚拟样机技术：起源及发展一、虚拟样机技术：起源及发展 l如果基于实际样机上的设计验证能象小孩子搭集木一如果基于实际样机上的设计验证能象小孩子搭集木一样简单，这个问题便迎刃而解。但复杂的机械系统不样简单，这个问题便迎刃而解。但复杂的机械系统不可能用集木搭出来。那么让计算机来替我们作。机械可能用集木搭出来。那么让计算机来替我们作。机械系统的运动必须受制于物理规律，我们只要掌握了这系统的运动必须受制于物理规律，我们只要掌握了这些规律并定义了描述机械系统的方法，计算机不仅会些规律并定义了描述机械系统的方法，计算机不仅会象搭集木一样把机械系统组装起来，形成虚拟模型，象搭集木一样把机械系统组装起来，形成虚拟模型，而且会告诉我们它是怎样运动的。通过计算机的仿真而且会告诉我们它是怎样运动的。通过计算机的仿真结果，工程师和设计师们便可以评价机械系统的设计结果，工程师和设计师们便可以评价机械系统的设计质量。质量。l l虚拟模型技术的应用贯串在整个设计过程当中。它可虚拟模型技术的应用贯串在整个设计过程当中。它可以用在概念设计和方案论证中，设计师可以把自己的以用在概念设计和方案论证中，设计师可以把自己的经验与想象结合在计算机里的虚拟模型里，让想象力经验与想象结合在计算机里的虚拟模型里，让想象力和创造力充分发挥。当虚拟模型用来代替实际模型验和创造力充分发挥。当虚拟模型用来代替实际模型验证设计时，开发周期缩短，设计质量和效率得到了提证设计时，开发周期缩短，设计质量和效率得到了提高。高。一、虚拟样机技术：技术组成一、虚拟样机技术：技术组成 l虚拟模型技术是许多技术的综合。它的核心部分是多体系统虚拟模型技术是许多技术的综合。它的核心部分是多体系统运动学与动力学建模理论及其技术实现。作为应用数学的一运动学与动力学建模理论及其技术实现。作为应用数学的一个分支的数值算法及时地提供了求解这种问题的有效的快速个分支的数值算法及时地提供了求解这种问题的有效的快速算法。近年来的计算机可视化技术及动画技术的发展为这项算法。近年来的计算机可视化技术及动画技术的发展为这项技术提供了友好的用户界面。技术提供了友好的用户界面。CAD/FEA等技术的发展为虚等技术的发展为虚拟模型技术的应用提供了技术支持环境。拟模型技术的应用提供了技术支持环境。l许多人会认为虚拟模型技术是单纯的运动学和动力学分析软许多人会认为虚拟模型技术是单纯的运动学和动力学分析软件的别称，这是不够确切的。尽管虚拟模型技术的核心是机件的别称，这是不够确切的。尽管虚拟模型技术的核心是机械系统运动学，动力学和控制理论，但没有成熟的三维计算械系统运动学，动力学和控制理论，但没有成熟的三维计算机图形技术和基于图形的用户界面技术，虚拟模型技术也不机图形技术和基于图形的用户界面技术，虚拟模型技术也不会成熟。所以虚拟模型技术不单纯是外加以层包装的机械系会成熟。所以虚拟模型技术不单纯是外加以层包装的机械系统运动学及动力学分析研究成果。统运动学及动力学分析研究成果。一、虚拟样机技术：技术组成一、虚拟样机技术：技术组成l虚拟模型技术在技术与市场两个方面的成熟也与计算机辅助虚拟模型技术在技术与市场两个方面的成熟也与计算机辅助设计设计(CAD)技术的成熟及大规模推广应用分不开的。首先，技术的成熟及大规模推广应用分不开的。首先，CAD中的三维几何造型技术能够使设计师们的精力集中在创中的三维几何造型技术能够使设计师们的精力集中在创造性设计上，把绘图等烦燥的工作交给计算机去做。这样设造性设计上，把绘图等烦燥的工作交给计算机去做。这样设计师就有额外的精力关注设计的正确和优化问题。其次，三计师就有额外的精力关注设计的正确和优化问题。其次，三维造型技术使虚拟模型技术中的机械系统描述问题变得简单。维造型技术使虚拟模型技术中的机械系统描述问题变得简单。第三，由于第三，由于CAD强大的三维几何编辑修改技术，是机械系统强大的三维几何编辑修改技术，是机械系统设计的快速修改变为可能，在这基础上，在计算机上的设计设计的快速修改变为可能，在这基础上，在计算机上的设计实验实验 设计的反复过程才有时间上的意义。设计的反复过程才有时间上的意义。l虚拟模型技术的发展也直接受其构成技术的制约。一个明显虚拟模型技术的发展也直接受其构成技术的制约。一个明显的例子是它对于计算机硬件的依赖。这种依赖在处理复杂系的例子是它对于计算机硬件的依赖。这种依赖在处理复杂系统时尤其明显。例如火星探测器的动力学及控制系统模拟是统时尤其明显。例如火星探测器的动力学及控制系统模拟是在惠普在惠普700工作站上进行的，工作站上进行的，CPU时间用了时间用了750小时。另一小时。另一个例子是在数值方法上的进步发展都会对基于虚拟模型的仿个例子是在数值方法上的进步发展都会对基于虚拟模型的仿真的速度及精度有积极的影响。真的速度及精度有积极的影响。一、虚拟样机技术：应用与前景一、虚拟样机技术：应用与前景 l虚拟模型技术，作为一项产业技术，已有虚拟模型技术，作为一项产业技术，已有20年的历史了。年的历史了。20年前，复杂机械系统运动学和动力学的理论框架已就已搭起，年前，复杂机械系统运动学和动力学的理论框架已就已搭起，相应的数学方法业已提出。数位学者走出了象牙塔，力图把相应的数学方法业已提出。数位学者走出了象牙塔，力图把研究成果商品，使其能为工业界接受。但他们没有想到他们研究成果商品，使其能为工业界接受。但他们没有想到他们的理论成果不仅被接受，而且变成了一项相对独立的产业技的理论成果不仅被接受，而且变成了一项相对独立的产业技术，改变了传统的设计思想，对制造业产生了深远的影响。术，改变了传统的设计思想，对制造业产生了深远的影响。l虚拟模型技术应当属于计算机辅助工程虚拟模型技术应当属于计算机辅助工程(CAE)的一个分支。的一个分支。隶属于隶属于CAE的其它分支有有限元技术等。虚拟模型技术区别的其它分支有有限元技术等。虚拟模型技术区别于其它分支之外在于它是从系统的层面来分析系统，而与有于其它分支之外在于它是从系统的层面来分析系统，而与有限元有关的技术分支所进行的是部件的分析。正由于此，虚限元有关的技术分支所进行的是部件的分析。正由于此，虚拟模型技术对设计方法和过程的影响要比有限元技术所带来拟模型技术对设计方法和过程的影响要比有限元技术所带来的影响要大。虚拟模型技术不仅帮助企业缩短周期，降低成的影响要大。虚拟模型技术不仅帮助企业缩短周期，降低成本和提高质量，而且改变了产品设计的过程顺序。本和提高质量，而且改变了产品设计的过程顺序。一、虚拟样机技术：应用与前景一、虚拟样机技术：应用与前景 l过去的设计方式是由下到上：从部件设计到整机设计。这种过去的设计方式是由下到上：从部件设计到整机设计。这种方式的弊端是设计师往往把注意力集中在细节而忽略了整体方式的弊端是设计师往往把注意力集中在细节而忽略了整体性能，正象老话讲的性能，正象老话讲的“拣了芝麻丢了西瓜拣了芝麻丢了西瓜”。这种事情在我。这种事情在我国常发生，尤其在对国外引进样机的消化上，在整机性能还国常发生，尤其在对国外引进样机的消化上，在整机性能还没吃透的情况下就开始照抄零件。借助于虚拟模型技术，传没吃透的情况下就开始照抄零件。借助于虚拟模型技术，传统设计过程被逆转了。设计过程先从整机开始，按照统设计过程被逆转了。设计过程先从整机开始，按照“由上由上至下至下”的顺序进行。这样可以避免代价昂贵的在系统设计方的顺序进行。这样可以避免代价昂贵的在系统设计方面的失误。例如，当设计挖掘机时，可以根据用户要求，利面的失误。例如，当设计挖掘机时，可以根据用户要求，利用虚拟模型技术确定工作装置的参数，优化设计在早期设计用虚拟模型技术确定工作装置的参数，优化设计在早期设计阶段完成。对于早期阶段的虚拟模型的仿真结果可以作为零阶段完成。对于早期阶段的虚拟模型的仿真结果可以作为零件设计的参考。例如，动力学或静力学分析的结果可以用来件设计的参考。例如，动力学或静力学分析的结果可以用来指导零件的强度设计。指导零件的强度设计。一、虚拟样机技术：应用与前景一、虚拟样机技术：应用与前景 l虚拟模型技术已经广泛地应用在各个领域里：汽车制造业、虚拟模型技术已经广泛地应用在各个领域里：汽车制造业、工程机械、航天航空业、国防工业及通用机械制造业。所涉工程机械、航天航空业、国防工业及通用机械制造业。所涉及到的产品从庞大的卡车到照相机的快门，天上的火箭到轮及到的产品从庞大的卡车到照相机的快门，天上的火箭到轮船的锚机。在各个领域里，针对各种产品，虚拟模型技术都船的锚机。在各个领域里，针对各种产品，虚拟模型技术都为用户节省了开支，时间并提供了满意的设计方案。为用户节省了开支，时间并提供了满意的设计方案。l其他成功应用：其他成功应用：l约翰约翰迪尔迪尔(John Deere)公司：解决工程机械在高速行驶时的蛇行现象及公司：解决工程机械在高速行驶时的蛇行现象及在重载下的自激振动在重载下的自激振动l保龄球的形状几何形状及指孔分布的动力学仿真保龄球的形状几何形状及指孔分布的动力学仿真l一家卡车制造公司在研制新型柴油机时，发现点火控制系统的链条在转一家卡车制造公司在研制新型柴油机时，发现点火控制系统的链条在转速达到每分钟速达到每分钟6000转运动失稳并发生振动。采用虚拟样机技术，发现了转运动失稳并发生振动。采用虚拟样机技术，发现了不稳定因素，改进了控制系统，使系统的稳定范围达到每分钟不稳定因素，改进了控制系统，使系统的稳定范围达到每分钟10,000转转以上。以上。l福特公司专门雇佣一家谘询公司用虚拟模型技术为它进行车辆事故仿真，福特公司专门雇佣一家谘询公司用虚拟模型技术为它进行车辆事故仿真，在法庭上用其仿真结果为自己辩护。在法庭上用其仿真结果为自己辩护。l。以后同学们可以继续提供以后同学们可以继续提供一、虚拟样机技术：应用与前景一、虚拟样机技术：应用与前景 l虚拟模型技术是一门新兴的技术，它有着广阔的发展前景及虚拟模型技术是一门新兴的技术，它有着广阔的发展前景及市场。只要想一下，通用汽车公司每年用于实际模型的建造市场。只要想一下，通用汽车公司每年用于实际模型的建造及实验的费用有十忆美元，福特汽车公司开发一辆中型轿车及实验的费用有十忆美元，福特汽车公司开发一辆中型轿车的费用与波音公司开发的费用与波音公司开发747客机的费用相当，对虚拟模型技客机的费用相当，对虚拟模型技术的未来不能不乐观。术的未来不能不乐观。l l几种代表性的软件：几种代表性的软件：l国外虚拟模型技术的商品化过程早已完成。目前有二十多家国外虚拟模型技术的商品化过程早已完成。目前有二十多家公司在这个日益增长的市场上竞争。比较有影响的产品包括公司在这个日益增长的市场上竞争。比较有影响的产品包括机械动力学公司机械动力学公司(Mechanical Dynamics Inc.)的的ADAMS，CADSI的的DADS，以及德国航天局的，以及德国航天局的SIMPACK，韩国，韩国Function Bay 公司的公司的RecurDyn。等等。等等一、虚拟样机技术：对中国的作一、虚拟样机技术：对中国的作用用l每一项新技术的出现都为传统的工业的进步提供了一个契机，每一项新技术的出现都为传统的工业的进步提供了一个契机，同时也为落后者提供了追赶的捷径。虽然我国的制造业水平同时也为落后者提供了追赶的捷径。虽然我国的制造业水平较发达国家的水平相比尚有差距，但虚拟模型技术及其他仿较发达国家的水平相比尚有差距，但虚拟模型技术及其他仿真技术的应用将会加速追赶的速度。比如，国外产品的高设真技术的应用将会加速追赶的速度。比如，国外产品的高设计质量部分源于多年的设计经验，借助于在虚拟模型上的模计质量部分源于多年的设计经验，借助于在虚拟模型上的模拟，国内的设计师和分析师们会很快取得这些经验，即时用拟，国内的设计师和分析师们会很快取得这些经验，即时用到新产品的设计及老产品的升级换代。在信息化改造传统企到新产品的设计及老产品的升级换代。在信息化改造传统企业要求的今天，相信虚拟模拟技术完全可以在中国的工业界业要求的今天，相信虚拟模拟技术完全可以在中国的工业界生根开花、结果。生根开花、结果。l国内已经完全有能力开发成熟的虚拟样机技术。虚拟样机技国内已经完全有能力开发成熟的虚拟样机技术。虚拟样机技术的构成技术在国内已经成熟。只要找对市场的切入点，政术的构成技术在国内已经成熟。只要找对市场的切入点，政策对头，组织得当并加强与国外的交流，完全可以开发出具策对头，组织得当并加强与国外的交流，完全可以开发出具有特色的基于中国工业现状的虚拟模型技术。有特色的基于中国工业现状的虚拟模型技术。l当然，象所有的技术一样，虚拟模型技术毕竟只是一种工具，当然，象所有的技术一样，虚拟模型技术毕竟只是一种工具，能为使用者提供用以决策的信息，但其本身不会提供问题的能为使用者提供用以决策的信息，但其本身不会提供问题的方案和答案。这项技术应用的效益，决定于它的使用者。在方案和答案。这项技术应用的效益，决定于它的使用者。在人与技术的关系上，人永远是主动的：人是技术的创造者和人与技术的关系上，人永远是主动的：人是技术的创造者和使用者。使用者。一、虚拟样机技术：中国制造业一、虚拟样机技术：中国制造业l结合我国的特殊情况，这项技术应该优先应用于下列领域：结合我国的特殊情况，这项技术应该优先应用于下列领域：l 重点机械投资项目：这种项目投资额大，任何系统设计方重点机械投资项目：这种项目投资额大，任何系统设计方面的失误都会带来巨大面的失误都会带来巨大 的经济损失。运用虚拟模型技术不仅的经济损失。运用虚拟模型技术不仅可以避免损失，而且会找到满意的经过优化方案。与庞大的可以避免损失，而且会找到满意的经过优化方案。与庞大的投资相比，建立虚拟模型及模拟的费用微乎其微。投资相比，建立虚拟模型及模拟的费用微乎其微。l 样机引进项目：自开放以来，我国从发达国家引进了各种样机引进项目：自开放以来，我国从发达国家引进了各种机械设备的样机予以仿制，以期提高国内产品的水平。但效机械设备的样机予以仿制，以期提高国内产品的水平。但效果总是差强人意。一个很重要的原因是仿制停留在零件照抄果总是差强人意。一个很重要的原因是仿制停留在零件照抄的低水平上，对于样机缺乏系统水平上的理解。设计人员对的低水平上，对于样机缺乏系统水平上的理解。设计人员对样机只知其然而不知所以然。如果采用虚拟模型技术，技术样机只知其然而不知所以然。如果采用虚拟模型技术，技术人员便可以对引进样机进行深入的研究。他们可以追踪样机人员便可以对引进样机进行深入的研究。他们可以追踪样机的设计思想，可以进行子系统的模拟来指导其设计。更重要的设计思想，可以进行子系统的模拟来指导其设计。更重要的是可以发现样机的缺陷以便索赔或改建。的是可以发现样机的缺陷以便索赔或改建。l 国民经济的骨干行业：象汽车工业，工程机械工业及军国民经济的骨干行业：象汽车工业，工程机械工业及军事工业等。这些行业对国民经济的影响巨大，虚拟模型技术事工业等。这些行业对国民经济的影响巨大，虚拟模型技术在这些行业的应用会带来可观的经济效益。在国外，虚拟模在这些行业的应用会带来可观的经济效益。在国外，虚拟模型技术在这些行业力应用的最广泛和最成熟，国内的技术人型技术在这些行业力应用的最广泛和最成熟，国内的技术人员也有经验借鉴。员也有经验借鉴。二、多体系统基本理论概述二、多体系统基本理论概述l什么是多体系统？什么是多体系统？l多体系统的抽象模型多体系统的抽象模型l多体系统的基本概念多体系统的基本概念l l多体系统动力学以及相多体系统动力学以及相多体系统动力学以及相多体系统动力学以及相关学科关学科关学科关学科l多体系统动力学的研究多体系统动力学的研究方法方法什么是多体系统？什么是多体系统？什么是多体系统？什么是多体系统？以一定的联接方式互相关联起来的多个物体构成的系统以一定的联接方式互相关联起来的多个物体构成的系统称称为为多体系统多体系统。体与体间一般有相对运动（体与体间一般有相对运动（刚体运动刚体运动）如果多体系统中所有的体均为刚体如果多体系统中所有的体均为刚体，则称该系统为则称该系统为多刚体多刚体系统系统；反之反之则称为则称为柔性多体系统柔性多体系统。多体系统的抽象模型多体系统的抽象模型多体系统可以抽象为以下四个要素的组合：多体系统可以抽象为以下四个要素的组合：1.1.体体(Body)：多体系统中的构件：多体系统中的构件机座和滑块是否一定定义为体？机座和滑块是否一定定义为体？2.2.铰铰(Hinge、Joint)：体间的运动约束，无质量：体间的运动约束，无质量连杆连杆ABAB是否可以作为约束？是否可以作为约束？3.3.外力外力(External force)：系统外的：系统外的物体所施加的力或力矩物体所施加的力或力矩机座或滑块不作为体时的外力？机座或滑块不作为体时的外力？4.4.力元力元(Force element)：体间的相互作用力：体间的相互作用力体间的作用关系既可以通过运动约体间的作用关系既可以通过运动约束来限制，也可以通过力来限制束来限制，也可以通过力来限制约束与力的等价约束与力的等价l拓扑构型拓扑构型：多体系统中各物体的联系方式称为系统的拓扑构型，简称拓扑。根据系统拓扑中是否存在回路，可将多体系统分为树系统与非树系统。l约束约束：对系统中某构件的运动或构件之间的相对运动所施加的限制称为约束。l数学模型数学模型：分为静力学数学模型、运动学数学模型和动力学数学模型。l机构机构：装配在一起并允许作相对运动的若干个刚体的组合。l运动学运动学：研究组成机构的相互联接的构件系统的位置、速度和加速度，其与产生运动的力无关。运动学数学模型是非线性和线性的代数方程。l动力学动力学：研究外力（偶）作用下机构的动力学响应，包括构件系统的加速度、速度和位置，以及运动过程中的约束反力。l逆向动力学逆向动力学：逆向动力学分析是运动学分析与动力学分析的混合，是寻求运动学上确定系统的反力问题，与动力学正问题相对应，逆向动力学问题是已知系统构型和运动求反力，也称为动力学逆问题。l连体坐标系连体坐标系：固定在刚体上并随其运动的坐标系，用以确定刚体的运动。l广义坐标广义坐标：唯一地确定机构所有构件位置和方位即机构构形的任意一组变量。l约束方程约束方程：对系统中某构件的运动或构件之间的相对运动所施加的约束用广义坐标表示的代数方程形式，称为约束方程。多体系统的基本概念多体系统的基本概念多体系统动力学以及相关学科多体系统动力学以及相关学科多体系统动力学多体系统动力学是是一般力学一般力学学科的一个重要分支学科的一个重要分支。描述相对运动：描述相对运动：刚体动力学刚体动力学约束系统：约束系统：分析力学分析力学描述弹性振动：描述弹性振动：有限元理论有限元理论和和连续介质力学连续介质力学动力学方程的求解：动力学方程的求解：计算力学计算力学运动的控制：运动的控制：控制理论控制理论多体系统运动学、动力学的研究方法多体系统运动学、动力学的研究方法刚体转动的描述：刚体转动的描述：欧拉角欧拉角四元数四元数所使用的力学原理：所使用的力学原理：牛顿力学牛顿力学分析力学分析力学约束的处理：约束的处理：广义坐标广义坐标Kane方程方程广义坐标广义坐标+乘子乘子较有影响的方