计算机辅助工程与分析
课程读书报告
课程名称：
计算机辅助工程与分析
报告题目： 多体系统动力学及ADAMS软件 学 院： 机电工程学院 专 业： 姓 名： 学 号：
2014机械工程
任课老师： 王立华 提交日期：
2015年6月29 日
目录
1.多体动力学理论 ............................................... - 3 -
1.1多体动力学研究对象....................................... - 3 - 1.2多体动力学研究现状....................................... - 3 - 1.3多刚体系统动力学建模..................................... - 3 -
1.3.1多体系统动力学基本概念 ............................. - 4 - 1.3.2计算多体系统动力学建模与求解一般过程 ............... - 4 -
[3]
1.3.3多刚体系统运动学.................................. - 4 - 1.3.4多刚体系统动力学 ................................... - 5 -
[4]
1.4 多柔体系统动力学建模................................... - 5 -
1.4.1多柔体系统坐标系 ................................... - 5 - 1.4.2多柔体系统动力学方程的建立 ......................... - 5 - 1.4.3多柔体动力学方程 ................................... - 6 - 1.5多体系统动力学方程的求解................................. - 6 - 1.6多体系统动力学中的刚性（Stiff）问题...................... - 7 -
1.6.1微分方程刚性（Stiff）问题 .......................... - 7 - 1.6.2多体系统动力学中Stiff问题 ......................... - 7 - 1.7多体系统仿真模型......................................... - 7 - 2.ADAMS软件简述 ................................................ - 8 -
2.1 ADAMS软件............................................... - 8 - 2.2 主要内容 ................................................ - 8 - 3. 总结 ........................................................ - 8 - 4.四自由度机械手的总体方案 ..................................... - 8 -
4.1机械手自由度的选择....................................... - 8 - 4.2 三 维 造 型 ............................................. - 9 -
4.2.1三维设计软件proe简介 .............................. - 9 - 4.2.2机械手关键零部件设计 ............................... - 9 - 4.2.3机械手其它零部件设计 .............................. - 10 - 4.3 Adams 仿真模型 ......................................... - 11 - 5.学习心得 .................................................... - 13 - 6.学习笔记 .................................................... - 13 -
6.1 pro/e与adams之间的转化................................ - 13 - 6.2 力与驱动的关系 ......................................... - 14 - 3.Marker点与Pointer点区别................................. - 14 - 7.课程反馈意见 ................................................ - 14 - 参考文献 ...................................................... - 14 -
- 2 -
多体系统动力学及ADMS软件
摘要：本文通过对机械多体动力学基本理论的综合和总结，简述ADAMS软件，并结合实际工程问题：四自由度机械手总体设计，运用adms软件对其进行系统动力学分析，然后谈谈自己学习本课程的学习心得,并列举3个困扰自己的三个问题，最后对本课程提出意见。 关键字：多体系统动力学，ADMS软件，学习心得
1.多体动力学理论
多体系统动力学的基本理论，核心问题是建模和求解问题，包括多刚体系统动力学建模、多柔体系统动力学建模、多体系统动力学方程求解及多体系统动力学中的刚性（Stiff）问题。多体动力学是基于经典力学理论的，多体系统最简单的情况--自由质点和一般简单的情况--少数多个刚体。通过对此的学习可以对多体系统动力学的基本理论有较深入的了解，为具体软件adams的学习打下良好的理论基础。 1.1多体动力学研究对象
多体系统动力学是研究由多个柔性体和（或）刚性体所构成的系统的运动规律的学科。它主要研究系统的动力学建模、分析、求解和控制等问题。随着科技的发展，在航空、航天、机器人、车辆等工程领域，对一些较为复杂的多体系统的设计和分析提出来更高的要求。例如：如何较准确地预测系统在一定输入条件下的动态响应以及如何使系统满足人们预先给定的运动要求等，尤其是当采用了更轻更柔的材料，并且所要求的运转速度和运动精度更高时，研究系统的动态特性愈加困难。多体系统动力学的产生为解决这种多维、时变、高度非线性
[1]
的复杂动力学问题提供了一种新的理论分析方法。
[1]
1.2多体动力学研究现状
经过30多年的努力，现在有许多大型通用多体动力学软件可以对汽车进行分析和计算。在各大汽车厂家及研究机构中，多体软件的使用呈直线上升趋势。其中，美国MDI（Mechanical Dynamics Inc.）公司（现已经并入美国MSC公司）开发的机械系统动力学仿真分析软件Adams（Automatic Dynamic Analysis of Mechanical System），目前在全球市场占有率最高。该软件在汽车技术领域的应用比例为43%。目前，多体系统动力学分析软件已成为工业发达国家汽车界CAE（计算机辅助工程）系统中不可缺少的组成部分。在汽车设计开发中发挥了重要的作用。多体系统动力学软件分析的范围包括：运动分析、静态分析、准静态（瞬时动态）分析、动力学分析等。一些软件还可以与有限元分析、模态分析、优化分析等模块化程序进行相互调用，完成对整车及各零部件的性能分析和结构设计。
目前，多体系统动力学方程的推导一般采用拉格朗日、牛顿-欧拉或appell方程。在appell方程中引入了加速度函数，使其方程的形式非常简单。虽然其求加速度函数的过程比拉格朗日方程中求动能的过程复杂得多，但对解非完整约束问题是很有效的，所以可用该方程解汽车轮胎与地面的非完整约束问题。柔体与刚体的最大区别是参照系的选择不同，柔体应用所谓浮动参照系。在描述浮动参照系的运动时可采用惯性坐标或相对坐标。采用相对坐标或混合坐标更方便，更适用于汽车专用程序的编制。对于多体系统动力学问题的刚性方程的求解，重点是数值计算的稳定性问题。
[1]
1.3多刚体系统动力学建模
计算多体系统动力学分析，首先在于提供一个友好方便的界面以利于建立多体系统的力学模型，并在系统内部由多体系统力学模型得到动力学数学模型；再者需要有一个优良的求解器对数学模型进行求解，求解器要求效率高、稳定性好，并具有广泛的适应性；最后还需要对求解结果提供丰富的显示查询手段。这其中的关键技术就是自动建模技术和求解器设计，所谓自动建模就是由多体系统力学模型自动生成其动力学数学模型，求解器的设计则必
- 3 -
须结合系统的建模，以特定的动力学算法对模型进行求解。 1.3.1多体系统动力学基本概念
包括物理模型,拓扑构型，物体：刚体定义为质点间距离保持不变的质点系，柔体定义为考虑质点间距离变化的质点系，约束，铰，力元，外力（偶），数学模型机构，运动学，动力学，静平衡，逆向动力学，连体坐标系，广义坐标，自由度，约束方程。
[3]
1.3.2计算多体系统动力学建模与求解一般过程
一个机械系统，从初始的几何模型，到动力学模型的建立，经过对模型的数值求解，最后得到分析结果，其流程如图1.1所示。
计算多体系统动力学分析的整个流程，主要包括建模和求解两个阶段。建模分为物理建模和数学建模，物理建模是指由几何模型建立物理模型，数学建模是指从物理模型生成数学模型。几何模型可以由动力学分析系统几何造型模块所建造，或者从通用几何造型软件导入。对几何模型施加运动学约束、驱动约束、力元和外力或外力矩等物理模型要素，形成表达系统力学特性的物理模型。物理建模过程中，有时候需要根据运动学约束和初始位置条件对几何模型进行装配。由物理模型，采用笛卡尔坐标或拉格朗日坐标建模方法，应用自动建模技术，组装系统运动方程中的各系数矩阵，得到系统数学模型。对系统数学模型，根据情况应用求解器中的运动学、动力学、静平衡或逆向动力学分析算法，迭代求解，得到所需的分析结果。联系设计目标，对求解结果再进行分析，从而反馈到物理建模过程，或者几何模型的选择，如此反复，直到得到最优的设计结果。
在多体系统建模与求解过程，求解器是核心，这其中涉及的所有运算和求解，如初始条件计算、方程自动组装、各种类型的数值求解等等都由求解器所支持，它提供了所需的全部算法。实际上，结果分析是需要有专门的数值后处理器来支持的，以提供曲线和动画显示以及其它各种辅助分析手段。但相比于多体系统建模与求解，数值后处理器相对简单，不存
[2]
在什么理论上的重要问题。
建 模 物理建模 几何模型 物理模型 初始条件计算 方程自动组集 求 解 数学建模 数学模型 分析迭代 数值求解 分析结果 求 解 器 图1.1 计算多体系统动力学建模与求解一般过程
[3]
1.3.3多刚体系统运动学
对于多体系统的运动学分析，传统的理论力学是以刚体位置、速度和加速度的微分关系以及矢量合成原理为基础进行分析的，而计算多体系统动力学中的运动学分析则是以系统中连接物体与物体的运动副为出发点，所进行的位置、速度和加速度分析都是基于与运动副对应的约束方程来进行的。
- 4 -
基于约束的多体系统运动学，首先寻求与系统中运动副等价的位置约束代数方程，再由位置约束方程的导数得到速度、加速度的约束代数方程，对这些约束方程进行数值求解，可得到广义位置坐标及相应的速度和加速度坐标，最后根据坐标变换就可以由系统广义坐标及相应导数得到系统中任何一点的位置、速度和加速度。
由于机械系统在二维空间运动时，广义坐标、约束方程、问题规模以及问题求解都相对简单，故本节先讨论二维多体系统运动学以解释多体系统运动学基本理论，在此基础上再给出三维多体系统的运动学方程。 1.3.4多刚体系统动力学 对于受约束的多体系统，其动力学方程是先根据牛顿定理，给出自由物体的变分运动方程，再运用拉格朗日乘子定理，导出基于约束的多体系统动力学方程。与运动学分析类似，先考虑二维多体系统，再讨论三维多体系统，并对动力学三种类型的分析：正向动力学、逆向动力学和静平衡分析
[4]
1.4 多柔体系统动力学建模 1.4.1多柔体系统坐标系
柔性体系统中的坐标系如图所示，包括惯性坐标系（e）和动坐标系（e）。前者不随时间而变化，后者是建立在柔性体上，用于描述柔性体的运动。动坐标系可以相对惯性坐标系进行有限的移动和转动。动坐标系在惯性坐标系中的坐标（移动、转动）称为参考坐标。与刚体不同，柔性体是变形体，体内各点的相对位置时时刻刻都在变化，只靠动坐标系不能准确描述该柔性体在惯性坐标系中的位置，因此，引入弹性坐标来描述柔性体上各点相对动坐标系统的变形。这样柔性体上任一点的运动就是动坐标系的“刚性”运动与弹性变形的合成运动。由于柔体上各点之间有相对运动，所以动坐标系的选择不是采用连体坐标系，而需要采用随着柔性体形变而变化的坐标系，即“浮动坐标系”。在研究多柔体系统时，合适的坐标系是非常重要的。在确定浮动坐标系时有两点准则：1、便于方程建立求解；2、柔性体刚体运动与变形运动的耦合尽量小。目前常见的浮动坐标系大致有如下5种，局部附着框架、中心惯性主轴框架、蒂斯拉德框架、巴克凯恩斯框架以及刚体模态框架。采用何种需因实际情况而定。
bBiPuiPsiPriPCirisiP0eberG
(e)BbsPPuPP?rB(er)图1.3 柔性体变形模型
图1.2 柔性体上节点P的位置
1.4.2多柔体系统动力学方程的建立
1．外加载荷在ADAMS软件中，外加载荷包括单点力与扭矩、分布式载荷以及残余载荷三部分。2．多柔体系统的能量:（1）动能和质量矩阵（2）势能和刚度矩阵（3）能量损失
- 5 -