系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真1緒論1課件

系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)與仿真肖涵coolxiaohan@163.comQQ:104381241第一章緒論1.1、系統(tǒng)的定義：

系統(tǒng)是由相互聯(lián)系、相互制約、相互依存的若干部分結(jié)合在一起而形成的具有特定功能和運(yùn)動(dòng)規(guī)律的有機(jī)整體。(主傳動(dòng)系統(tǒng)、施工圖、教學(xué)大綱、培養(yǎng)方案、系統(tǒng)框圖）系統(tǒng)的特點(diǎn)：第一，系統(tǒng)的整體性；第二，系統(tǒng)的相關(guān)性；第三，系統(tǒng)具有等級(jí)結(jié)構(gòu)性；一、系統(tǒng)仿真基礎(chǔ)知識(shí)21.2、系統(tǒng)-定義系統(tǒng)實(shí)例-加熱爐溫度控制系統(tǒng)一、系統(tǒng)仿真基礎(chǔ)知識(shí)31.3、系統(tǒng)-特點(diǎn)系統(tǒng)是實(shí)體的集合組成系統(tǒng)的實(shí)體具有一定的屬性。屬性指組成系統(tǒng)的每一個(gè)實(shí)體所具有的全部有效特征（如狀態(tài)和參數(shù)等）。系統(tǒng)處于活動(dòng)之中?；顒?dòng)是指實(shí)體隨時(shí)間推移而發(fā)生的屬性變化。

第一章概述－(仿真知識(shí))一、系統(tǒng)仿真基礎(chǔ)知識(shí)51.3、系統(tǒng)-三要素

第一章概述－(仿真知識(shí))性能狀態(tài)

系統(tǒng)狀態(tài)

研究系統(tǒng)，就是研究系統(tǒng)狀態(tài)的變化，即研究系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性和運(yùn)動(dòng)規(guī)律.

一、系統(tǒng)仿真基礎(chǔ)知識(shí)61.4、系統(tǒng)-分類

第一章概述－(仿真知識(shí))描述特性

物理結(jié)構(gòu)和數(shù)學(xué)性質(zhì)

可以用有限個(gè)變量描述的系統(tǒng)，稱為集中參數(shù)系統(tǒng)(用質(zhì)心描述物體的運(yùn)動(dòng))

需考慮剛體內(nèi)部運(yùn)動(dòng)時(shí)(物體的扭轉(zhuǎn)，場)一、系統(tǒng)仿真基礎(chǔ)知識(shí)72.1、模型

建?？偸呛头抡嬉黄鹛岢鰜?，他通常是仿真的第一步

第一章概述－(仿真知識(shí))實(shí)際系統(tǒng)模型計(jì)算機(jī)建模仿真一、系統(tǒng)仿真基礎(chǔ)知識(shí)92.2模型的概念模型：是對(duì)系統(tǒng)的簡化和抽象。

模型可以描述系統(tǒng)的本質(zhì)和內(nèi)在聯(lián)系，通過對(duì)模型進(jìn)行分析和研究，以達(dá)到了解原系統(tǒng)的目的；物理模型根據(jù)相似性理論制造的按一定比例縮小或放大的實(shí)物；數(shù)學(xué)模型

是系統(tǒng)的本質(zhì)特征的數(shù)學(xué)表達(dá)式，即用數(shù)學(xué)公式來描述所研究的系統(tǒng)的某一方面的規(guī)律

一、系統(tǒng)仿真基礎(chǔ)知識(shí)10靜態(tài)模型:一般形式是代數(shù)方程、邏輯表達(dá)關(guān)系式。動(dòng)態(tài)模型:動(dòng)態(tài)模型連續(xù)系統(tǒng)離散系統(tǒng)

確定性模型隨機(jī)模型時(shí)間離散采樣控制系統(tǒng)：差分、離散狀態(tài)方程、脈沖傳遞函數(shù)離散事件概率型描述（輸出不完全由輸入作用產(chǎn)生）集中參數(shù):常微分、狀態(tài)方程分布參數(shù):偏微分方程

工程動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)熱傳導(dǎo)計(jì)算機(jī)采樣系統(tǒng)交通系統(tǒng)、市場系統(tǒng)、電話系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)分時(shí)系統(tǒng)113.1、仿真

直觀上：仿真就是模仿真實(shí)的物理世界

---簡單的三維重現(xiàn)(靜態(tài))：Pro/ESolidEdgeSolidWorkUG3DMax

---加入動(dòng)畫元素(動(dòng)態(tài))：MayaADAMS

一、系統(tǒng)仿真基礎(chǔ)知識(shí)133.1、仿真

加入各種物理量進(jìn)行分析（對(duì)機(jī)械系統(tǒng)而言）

---運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)分析：ADAMS(位移、速度、加速度分析)MATLAB-SIMULINK

---有限元分析：ANSYSALGORMSC.Nastran，F(xiàn)atigueSAP

一、

系統(tǒng)仿真基礎(chǔ)知識(shí)143.1、仿真

其它形式的仿真

---物流系統(tǒng)仿真：ArenaFlexsim

---控制系統(tǒng)仿真：MATLAB

---三維電磁場仿真：ANSoft

第一章概述－(仿真知識(shí))一、

系統(tǒng)仿真基礎(chǔ)知識(shí)153.3、仿真-作用實(shí)際系統(tǒng)未建立前，對(duì)方案進(jìn)行論證和修改。（有限元，波音777）2)實(shí)際系統(tǒng)建立后，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，尋求最佳參數(shù)。（有限元）3)在系統(tǒng)理論中，可檢驗(yàn)理論推導(dǎo)。（最優(yōu)控制、大系統(tǒng)分解）4)人員訓(xùn)練（飛行員，潛艇，核電站）一、系統(tǒng)仿真基礎(chǔ)知識(shí)173.4系統(tǒng)仿真三要素:活動(dòng)規(guī)則:一、系統(tǒng)仿真基礎(chǔ)知識(shí)系統(tǒng)實(shí)物模型或數(shù)學(xué)模型計(jì)算機(jī)抽象仿真實(shí)驗(yàn)指以計(jì)算機(jī)為工具，用模型來模仿實(shí)際系統(tǒng)，代替實(shí)際系統(tǒng)來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和研究的一門綜合性技術(shù)。183.5系統(tǒng)仿真的分類

（1）根據(jù)系統(tǒng)的特征連續(xù)系統(tǒng)仿真：狀態(tài)是隨時(shí)間連續(xù)變化

離散事件系統(tǒng)仿真：系統(tǒng)狀態(tài)是在一些時(shí)間點(diǎn)上由于某種隨機(jī)事件的驅(qū)動(dòng)而發(fā)生變化的系統(tǒng)進(jìn)行仿真。（2）按仿真實(shí)驗(yàn)中所取的時(shí)間標(biāo)尺τ（模型時(shí)間）與自然標(biāo)尺T之間的比例τ/T=1,實(shí)時(shí)仿真τ/T≠1,非實(shí)時(shí)仿真（3）按參與仿真的模型的種類物理仿真數(shù)學(xué)仿真半實(shí)物仿真一、系統(tǒng)仿真基礎(chǔ)知識(shí)19二、傳統(tǒng)的產(chǎn)品開發(fā)流程概念設(shè)計(jì)詳細(xì)設(shè)計(jì)制造物理樣機(jī)物理樣機(jī)測試產(chǎn)品定型生產(chǎn)發(fā)現(xiàn)問題，修改設(shè)計(jì)并重新制造樣機(jī)傳統(tǒng)的產(chǎn)品開發(fā)過程實(shí)際上是基于實(shí)物或半實(shí)物模型(樣機(jī))的仿真實(shí)驗(yàn)過程傳統(tǒng)的產(chǎn)品開發(fā)過程，是一個(gè)周而復(fù)始的設(shè)計(jì)－實(shí)驗(yàn)－設(shè)計(jì)過程，對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的系統(tǒng)，這一過程是冗長的，需要耗費(fèi)大量的時(shí)間和資金；

縮短開發(fā)周期、提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低成本并對(duì)市場做出靈活反應(yīng)成為生產(chǎn)商所追求的目標(biāo)；

21三、虛擬樣機(jī)技術(shù)(VirtualPrototype)利用CAD中的三維幾何造型技術(shù)，在計(jì)算機(jī)中建立產(chǎn)品的幾何模型采用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在幾何模型之上附加其它的功能特性，使之成為產(chǎn)品的數(shù)字樣機(jī)（虛擬樣機(jī)）再利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建虛擬實(shí)驗(yàn)場，用虛擬模型代替實(shí)物模型進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)計(jì)的驗(yàn)證

虛擬樣機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了數(shù)字樣機(jī)與試驗(yàn)環(huán)境的集成，是計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的深化和擴(kuò)展。概念設(shè)計(jì)詳細(xì)設(shè)計(jì)產(chǎn)品定型生產(chǎn)虛擬樣機(jī)測試22波音777飛機(jī)的研制采用了全數(shù)字化的虛擬樣機(jī)技術(shù)整機(jī)外形、結(jié)構(gòu)件和各飛行系統(tǒng)100%采用三維數(shù)字化定義，100%應(yīng)用數(shù)字化預(yù)裝配整個(gè)設(shè)計(jì)制造過程沒有完整的模型樣機(jī)，一次定型生產(chǎn)成功波音777成本降低了25%，出錯(cuò)返工率減少了75％，制造周期縮短了50%

虛擬樣機(jī)技術(shù)的成功應(yīng)用范例：波音777飛機(jī)的研制：三、虛擬樣機(jī)技術(shù)(VirtualPrototype)23它使用交互式的圖形環(huán)境和零件庫、約束庫、力庫，創(chuàng)建完全參數(shù)化的機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型可對(duì)虛擬機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析后處理程序可輸出各構(gòu)件的位移、速度、加速度和反作用力曲線及動(dòng)畫仿真可用于預(yù)測機(jī)械系統(tǒng)的性能、運(yùn)動(dòng)范圍、碰撞檢測、峰值載荷；計(jì)算構(gòu)件的約束反力作為有限元分析的輸入載荷等ADAMS軟件首先是一個(gè)虛擬樣機(jī)仿真分析軟件：四、虛擬樣機(jī)的開發(fā)與分析軟件25其開放性的程序結(jié)構(gòu)和多種接口，可以成為不同專業(yè)領(lǐng)域用戶進(jìn)行特定專業(yè)類型虛擬樣機(jī)分析的二次開發(fā)平臺(tái)例如，在ADAMS核心模塊基礎(chǔ)上開發(fā)的專業(yè)轎車模塊ADAMS/car，就是一個(gè)專業(yè)的虛擬樣機(jī)生成工具使用ADAMS/car，工程師可以建立整車的虛擬樣機(jī)，修改各種參數(shù)并快速觀察車輛的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)、動(dòng)態(tài)顯示仿真數(shù)據(jù)結(jié)果用戶只要在模板中輸入必要的數(shù)據(jù)，ADAMS/car就可以自動(dòng)建立子系統(tǒng)和整車裝配模型ADAMS軟件也是一個(gè)虛擬樣機(jī)的開發(fā)平臺(tái)：四、虛擬樣機(jī)的開發(fā)與分析軟件26上圖的雙輪滾動(dòng)系統(tǒng)，兩個(gè)均質(zhì)輪子的半徑皆為r，中心用連桿相連，在傾角為α的斜面上作純滾動(dòng)。設(shè)輪子的重量皆為P，對(duì)輪心的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量皆為I，連桿重為Q，求連桿運(yùn)動(dòng)的加速度a。29

304.1788年，拉格朗日發(fā)表了《分析力學(xué)》，系統(tǒng)地考慮了約束，提出了廣義坐標(biāo)的概念，利用變分原理考慮系統(tǒng)的動(dòng)能和勢(shì)能，得出了拉格朗日方程為質(zhì)點(diǎn)系的動(dòng)能質(zhì)點(diǎn)系由n個(gè)質(zhì)點(diǎn)組成，系統(tǒng)具有s個(gè)完整約束，并且都是理想約束，因此它是具有(3n-s)個(gè)自由度的系統(tǒng)表示系統(tǒng)的廣義坐標(biāo)，設(shè)系統(tǒng)中第i個(gè)質(zhì)點(diǎn)的質(zhì)量為mi

315.隨著計(jì)算機(jī)數(shù)值計(jì)算方法的出現(xiàn)和不斷發(fā)展完善，使得利用計(jì)算機(jī)自動(dòng)建立復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型，并自動(dòng)求解稱為可能1984年Chace和Haug選取每個(gè)剛體質(zhì)心在慣性系中的三個(gè)直角坐標(biāo)和確定剛體方位的三個(gè)歐拉坐標(biāo)作為笛卡兒廣義坐標(biāo)。得到了由剛性微分－代數(shù)方程組表示的多剛體動(dòng)力學(xué)模型。該模型非常適合與計(jì)算機(jī)自動(dòng)建模。1989年，Chace進(jìn)一步應(yīng)用Gear的剛性積分算法并且采用稀疏矩陣技術(shù)提高了計(jì)算效率，編制了計(jì)算機(jī)程序ADAMS，Haug編制了計(jì)算機(jī)程序DADS。32示例：如圖所示的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，已知各桿的長度為l1=120mm，l2=250mm，l3=260mm，l4=300mm，曲柄1均速轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度為ω1=1rad/s。試分析搖桿3的運(yùn)動(dòng)33七、本課程的主要內(nèi)容多剛體運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)分析矢量數(shù)學(xué)基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)輔助平面機(jī)械系統(tǒng)笛卡爾運(yùn)動(dòng)學(xué)建模與分析機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真軟件ADAMS的基本操作與使用

平面系統(tǒng)：由平面運(yùn)動(dòng)副構(gòu)成的機(jī)械系統(tǒng)。平面運(yùn)動(dòng)副：構(gòu)成運(yùn)動(dòng)副的兩構(gòu)件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)為平面運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)副。34教材E.J.Haug著，劉興祥，李吉蓉，林梅等譯，莊細(xì)榮校訂.ComputerAidedKinematicsandDynamicsofMechanicalSys