系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真1緒論

系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)與仿真肖涵coolxiaohan@163.QQ:104381241系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真1緒論共36頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第1頁(yè)!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)：，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)2系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真1緒論共36頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第2頁(yè)!1.2、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)3系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真1緒論共36頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第3頁(yè)!1.3、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。

章概述－(仿真知識(shí))一、系統(tǒng)仿真基礎(chǔ)知識(shí)4系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真1緒論共36頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第4頁(yè)!1.4、系統(tǒng)-分類

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(chǎng))一、系統(tǒng)仿真基礎(chǔ)知識(shí)5系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真1緒論共36頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第5頁(yè)!2.1、模型

建?？偸呛头抡嬉黄鹛岢鰜?lái)，他通常是仿真的步

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)6系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真1緒論共36頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第6頁(yè)!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(chǎng)系統(tǒng)、電話系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)分時(shí)系統(tǒng)7系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真1緒論共36頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第7頁(yè)!3.1、仿真

直觀上：仿真就是模仿真實(shí)的物理世界

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

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

一、系統(tǒng)仿真基礎(chǔ)知識(shí)8系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真1緒論共36頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第8頁(yè)!3.1、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(chǎng)仿真：ANSoft

章概述－(仿真知識(shí))一、

系統(tǒng)仿真基礎(chǔ)知識(shí)9系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真1緒論共36頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第9頁(yè)!3.3、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)10系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真1緒論共36頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第10頁(yè)!3.5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)11系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真1緒論共36頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第11頁(yè)!二、傳統(tǒng)的產(chǎn)品開(kāi)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(cè)試產(chǎn)品定型生產(chǎn)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，修改設(shè)計(jì)并重新制造樣機(jī)傳統(tǒng)的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)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(guò)程傳統(tǒng)的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程，是一個(gè)周而復(fù)始的設(shè)計(jì)－實(shí)驗(yàn)－設(shè)計(jì)過(guò)程，對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的系統(tǒng)，這一過(guò)程是冗長(zhǎng)的，需要耗費(fèi)大量的時(shí)間和資金；

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

12系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真1緒論共36頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第12頁(yè)!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(guò)程沒(méi)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)13系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真1緒論共36頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第13頁(yè)!它使用交互式的圖形環(huán)境和零件庫(kù)、約束庫(kù)、力庫(kù)，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(huà)仿真可用于預(yù)測(cè)機(jī)械系統(tǒng)的性能、運(yùn)動(dòng)范圍、碰撞檢測(cè)、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(kāi)發(fā)與分析軟件14系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真1緒論共36頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第14頁(yè)!五、虛擬樣機(jī)技術(shù)應(yīng)用軟件ADAMS的核心基礎(chǔ)理論計(jì)算多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)：采用程式化的方法，利用計(jì)算機(jī)來(lái)解決復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)的自動(dòng)建模與數(shù)值分析。1.1687年，牛頓建立了牛頓方程，解決了質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)問(wèn)題2.歐拉于1725年提出剛體的概念，采用反作用力的概念隔離剛體以描述鉸鏈等約束15系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真1緒論共36頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第15頁(yè)!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。16系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真1緒論共36頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第16頁(yè)!4.1788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

17系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真1緒論共36頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第17頁(yè)!示例：如圖所示的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，已知各桿的長(zhǎng)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)18系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真1緒論共36頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第18頁(yè)!教材E.J.Haug著，劉興祥，李吉蓉，林梅等譯，莊細(xì)榮校訂.ComputerAidedKinematicsandDynamicsofMechanicalSystems,Vol.I：BasicMethods(機(jī)械系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)輔助運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)，卷基本方法).北京：高等教育出版社，1996復(fù)印Haug書(shū)的P.13-80頁(yè)普通高等教育十一五國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材，郭衛(wèi)東.虛擬樣機(jī)技術(shù)與ADAMS應(yīng)用實(shí)例教程[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,200819系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真1緒論共36頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第19頁(yè)!1.2、系統(tǒng)-舉例

章概述－(仿真知識(shí))系統(tǒng)實(shí)例-人作為閉環(huán)系統(tǒng)系統(tǒng)實(shí)例-工廠經(jīng)濟(jì)管理系統(tǒng)1.2系統(tǒng)仿真基礎(chǔ)知識(shí)20系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真1緒論共36頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第20頁(yè)!1.3、系統(tǒng)-三要素

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)21系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真1緒論共36頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第21頁(yè)!1.5、機(jī)械系統(tǒng)的組成及特點(diǎn)定義：是能夠完成機(jī)械功或轉(zhuǎn)化機(jī)械能的機(jī)構(gòu)或機(jī)構(gòu)的組合

特點(diǎn)：機(jī)械系統(tǒng)的構(gòu)件間存在著相對(duì)運(yùn)動(dòng)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的形式由聯(lián)接各構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)副決定

機(jī)構(gòu)：是一種用來(lái)傳遞運(yùn)動(dòng)和力或改變運(yùn)動(dòng)形式的機(jī)械裝置。任一機(jī)構(gòu)都是由兩個(gè)以上的構(gòu)件組合而成的一、系統(tǒng)仿真基礎(chǔ)知識(shí)22系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真1緒論共36頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第22頁(yè)!2.2模型的概念模型：是對(duì)系統(tǒng)的簡(jiǎn)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(guò)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(lái)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)23系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真1緒論共36頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第23頁(yè)!2.3、模型-建模建模的三個(gè)層次：

1)復(fù)制有效：建模者將實(shí)際系統(tǒng)看成一個(gè)黑箱,僅從輸入輸出行為水平上認(rèn)識(shí)系統(tǒng)。

2)預(yù)測(cè)有效：建模者對(duì)實(shí)際系統(tǒng)的內(nèi)部運(yùn)行情況了解清楚,可預(yù)測(cè)系統(tǒng)將來(lái)的狀態(tài)和行為變化,但對(duì)內(nèi)部分解結(jié)構(gòu)尚不明了。

3)結(jié)構(gòu)有效：建模者了解系統(tǒng)內(nèi)部運(yùn)行情況，也了解分解結(jié)構(gòu)。章概述－(仿真知識(shí))一、系統(tǒng)仿真基礎(chǔ)知識(shí)24系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真1緒論共36頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第24頁(yè)!3.1、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)25系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真1緒論共36頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第25頁(yè)!3.2、仿真

系統(tǒng)仿真的結(jié)構(gòu)組成規(guī)律的有機(jī)整體。

一、系統(tǒng)仿真基礎(chǔ)知識(shí)26系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真1緒論共36頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第26頁(yè)!3.4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(lái)模仿實(shí)際系統(tǒng)，代替實(shí)際系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和研究的一門綜合性技術(shù)。27系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真1緒論共36頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第27頁(yè)!2、最新發(fā)展（1）仿真實(shí)驗(yàn)任務(wù)的擴(kuò)展（2）仿真技術(shù)的發(fā)展動(dòng)向向廣闊時(shí)空發(fā)展向快速、高效與海量信息通道發(fā)展向規(guī)?；Ｐ托：?，驗(yàn)證、確認(rèn)技術(shù)發(fā)展向虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)發(fā)展向高水平的一體化，智能化仿真環(huán)境發(fā)展向廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)展與其它學(xué)科融合虛擬樣機(jī)應(yīng)用，動(dòng)態(tài)聯(lián)盟的建立一、系統(tǒng)仿真基礎(chǔ)知識(shí)28系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真1緒論共36頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第28頁(yè)!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(chǎng)，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(cè)試29系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真1緒論共36頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第29頁(yè)!四、虛擬樣機(jī)的開(kāi)發(fā)與分析軟件90年代，在Chace的ADAMS計(jì)算程序的基礎(chǔ)上，美國(guó)MDI(MechanicalDynamicsInc.)公司開(kāi)發(fā)了機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)仿真軟件ADAMS(AutomaticDynamicAnalysisofMechanicalSystems)

在Haug的DADS計(jì)算程序的基礎(chǔ)上，比利時(shí)LMS公司開(kāi)發(fā)了機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)仿真軟件DADS(DynamicAnalysisandDesignSystem)

30系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真1緒論共36頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第30頁(yè)!其開(kāi)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(kāi)發(fā)平臺(tái)例如，在ADAMS核心模塊基礎(chǔ)上開(kāi)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(kāi)發(fā)平臺(tái)：四、虛擬樣機(jī)的開(kāi)發(fā)與分析軟件31系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真1緒論共36頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第31頁(yè)!3.1743年，達(dá)朗貝爾研究了約束剛體系統(tǒng)，區(qū)分了作用力和反作用力，提出達(dá)朗貝爾原理和虛位移原理。這兩個(gè)基本定律構(gòu)成了理論力學(xué)中分析動(dòng)力學(xué)問(wèn)題的基本方法。在理想約束的條件下，即不考慮摩擦或摩擦力不做功，根據(jù)虛功原理，有：上述