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2.1.2 多体动力学仿真的基本概念

建立研究对象的计算模型是利用RecurDyn进行仿真优化分析的基础。RecurDyn中的计算模型的建模是建立在多体动力学计算理论基础之上的,所以,有必要对利用多体动力学一些必要基本概念进行简单的介绍。

● 物理模型:又称为力学模型,由物体、铰、力元和外力等要素组成并具有一定拓扑结构型的系统。

● 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。系统中任意两个物体之间的通路唯一,不存在回路的称为树系统;系统中存在回路的称为非树系统。

● 物体:多体系统中的构件定义为物体。在计算多体系统动力学中,物体区分为刚性体(刚体)和柔性体(柔体)。刚体和柔体是对机构零件的模型化,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: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。约束分为运动学约束和驱动约束,运动学约束一般是系统中运动副约束的代数形式,而驱动约束则是施加于构件上或构件之间的附加驱动运动条件。

● 铰:又称为运动副,在多体系统中,将物体间的运动学约束定义为铰。铰约束是运动学约束的一种物理形式。

● 力元:在多体系统中,物体间的相互作用定义为力元,又称为内力。力元是对系统中弹簧、阻尼器、致动器的抽象,理想的力元可抽象为统一形式的移动弹簧—阻尼器—致动器(TSDA)或扭转弹簧—阻尼器—致动器(RSDA)。

● 外力(偶):多体系统外的物体对系统中物体的作用定义为外力(偶)。

● 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,是指在相应条件下对系统物理模型(力学模型)的数学描述。

● 机构:装配在一起并允许作相对运动的若干个刚体组合。

● 运动学:研究组成机构相互连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。

● 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。动力学问题是已知系统构型、外力和初始条件求运动,又称为动力学正问题。动力学数学模型是微分方程或者微分方程和代数方程的混合。

● 静平衡:在与时间无关的力作用下系统的平衡,称为静平衡。静平衡分析一种特殊的动力学分析,在于确定系统的静平衡位置。

● 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,是寻求在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,又称为动力学逆问题。

● 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。刚体上每一个质点的位置都可由其在连体坐标系中的不变矢量来确定。

● 广义坐标:唯一地确定机构所有构件位置和方位,即机构构成的任意一组变量。广义坐标可以是独立的(即自由任意地变化)或不独立的(即需要满足约束方程)。对于运动系统来说,广义坐标是时变量。

● 自由度:确定一个物体或系统的位置所需要的最少广义坐标数,称为该物体或系统的自由度。

● 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。约束方程是约束的代数等价形式,是约束的数学模型。

用户应该知道,利用RecurDyn进行多体动力学分析的实质是利用软件构造起研究对象的多体动力学计算方程,并利用软件本身提供的求解器完成对方程的求解,最后,软件以图表、数据的形式将计算结果表现出来。 Dx/WmX0JbpB6x9cLlqF/o5fQvAk3UJ8fM9oAfMzdcDGPYTXseqD6doxKlVeLa++n

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