多体动力学仿真软件UM.pdf
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多体动力学仿真软件UM.pdf
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UniversalMechanismSimulationofMBSDynamicsI目录前言.I1UM系统简介.11.1软件架构.11.2模块组成.22UM动力学建模与仿真技术.32.1建模技术.32.1.1几何建模.32.1.2铰和约束.52.1.3力元.82.1.4参数化建模技术.122.1.5子系统建模技术.132.2生成和编译运动方程.142.3求解技术.152.4后处理工具.163UM解决方案.173.1轨道车辆动力学仿真.173.2轮轨磨耗仿真.213.3列车动力学仿真.223.4列车-桥梁耦合振动仿真.253.5轮式车辆动力学仿真.283.6履带车辆动力学仿真.293.7散体动力学仿真.303.8自动三维接触仿真.313.9刚柔耦合及疲劳分析.323.10机械-控制系统协同仿真.343.11多变量优化与大规模运算.364UM文献资料.37UniversalMechanismSimulationofMBSDynamicsI前前言言UniversalMechanism(UM)程序适用于多体系统动力学仿真分析。
通过运动副和力元将若干个物体联接而成的系统一般称作多体系统(MBS)。
如:
轮式车辆、轨道车辆、履带车辆、机器人、挖掘机工作装置和医疗设备等各种机构。
UM广泛应用于二维平面和三维空间系统的动力学仿真分析。
任何一个经过适当简化和约束限制的多体系统,都可以用UM来建模求解。
工程分析师利用UM可以成功求解正向和逆向运动学、动力学及控制问题。
对于每个模型所包含物体的数目,UM并没有限制。
对于复杂的多自由度系统,且不说求解运动方程的困难,模型结构的描述和运动方程的建立也非易事。
UM让这一过程变得简单容易。
UM的架构旨在实现程序自动化,即简化建模和仿真过程,提高工程分析效率。
例如,一个由数十个物体组成的多体系统,其惯量参数和运动学参数的输入通常十分耗时。
UM提供的子系统方法能显著简化建模过程,提高效率,特别适用于含有若干相似子结构的系统。
再如,一列列车由一节机车和20节相似的车辆组成。
您只需要分别输入一节机车和一节车辆的模型参数,其余19节车辆利用子系统技术可以快速得到。
一个机车或车辆模型,亦由若干个次级子系统组成,这些子系统往往具有相同或相似的动力学特性。
子系统的重复和嵌套使用为您节省宝贵的时间,减少错误发生。
随着计算机图形技术的快速发展,UM也会在第一时间更新程序以增强多体系统的图形显示效果。
UM的仿真动画不仅在于结果后处理,而且可以在仿真过程中实时显示和操控。
遵循一定的规则,您就可以用UM来描述一个多体系统,而运动方程的生成和求解则由程序自动完成,运动方程通常以符号形式描述和存储。
一个六自由度的机器人系统,如要写出其完整的运动方程,通常要用掉数页白纸。
运动方程的自动化处理大大简化分析过程,提高效率,无论系统复杂与简单。
UM软件基于现代计算机辅助工程技术,融合了许多优秀的算法和程序,从各个方面增强软件的实用性。
主要算法如下:
?
适用于闭环系统的优化分析算法?
通用的运动学约束建模?
最精简的运动方程符号编码技术?
适用于大规模系统的子系统建模技术和求解算法?
直接求解非刚性微分代数方程(DAE)的ABM和BDF算法?
直接求解刚性微分代数方程的Park和ParkParallel算法?
快速计算刚性方程雅可比矩阵的算法UniversalMechanismSimulationofMBSDynamicsII这些算法的应用显著提高了UM在建模、数据输入、预分析、生成运动方程和数值积分求解等方面的执行效率。
UM有两个核心理念。
其一是通用性,其二是层次优化。
UM的通用性使其广泛应用于多个领域,从轨道车辆到公路车辆,从简单的平面机构到包含数百个物体的空间桁架结构,从质量弹簧系统的振动到工业机械手的操控等。
UM使用简单方便。
用户图形界面友好,设计非常人性化,将多体系统的数学模型都隐藏在程序内核,便于用户操作。
同时,UM也是一个开放的系统,具有一套自己的程序风格和标准语言,用户根据相关语法就能做进一步的开发。
我们编写了一套完善的用户手册,语言浅显易懂,帮助用户了解UM的功能和学习使用。
诚然,正如其他软件一样,UM也可能会出现一些无法预料的程序错误,如果您在使用中发现了错误,请及时向我们反馈,最好告知出现错误前的具体操作和相关文件,我们会非常感谢。
UM程序将会不断的更新,请联系我们获取最新版本。
我们很乐意与您分享工程仿真经验,并帮助您解决实际问题。
Prof.DmitryPogorelovLaboratoryofComputationalMechanicsBryanskStateTechnicalUniversitybulv.50-letOktyabrya7Bryansk,241035,RussiaPhone,Fax:
+74832568637E-mail:
umumlab.ruWebsite:
www.umlab.ruUniversalMechanismSimulationofMBSDynamics11UM系统简介系统简介UniversalMechanism软件由俄罗斯BryanskStateTechnicalUniversity著名数学家、计算力学专家DmitryPogorelov教授带领的计算力学实验室开发,简称UM。
二十多年来,UM实验室始终致力于多体系统运动学和动力学的自动仿真和优化设计,并及时将最新力学理论、计算方法和计算机图形技术应用于UM软件。
UM具有优秀的软件架构,模块式的功能结构,人性化的用户界面,已广泛应用于铁道工程、轨道车辆、轮式车辆、履带车辆、航空航天、机器人等领域。
UM从建模到仿真和后处理有一套行之有效的算法来提高效率和仿真精度。
特别对于闭环系统、接触问题、刚性问题的求解具有明显优势。
其良好的开放性和兼容性,便于与其他软件联合使用。
1.1软件架构UM的内核是UMInput和UMSimulation两个主程序,其他专业模块(如UMAutomotive、UMCaterpillar、UMLoco、UMTrain、UMVBI等)和接口模块(如UMCADInterfaces、UMFEM、UMControl等)都嵌入其中。
用户可以根据实际需要选择不同的模块配置。
UMInput程序程序UMInput是前处理程序,用于完成多体系统的建模、系统运动方程的自动生成和编译过程。
它是多任务建模环境,可以同时打开多个模型,并支持模型间的对象信息拷贝。
UMSimulation程序程序UMSimulation是求解和后处理程序,用于仿真参数设置、系统运动方程的求解和仿真结果后处理,兼有时域和频域分析功能。
其中时域分析具有单任务和多任务两种模式,都具有实时仿真功能。
运行平台:
UM软件可以在WindowsServer/2000/XP/Vista/7下运行。
UniversalMechanismSimulationofMBSDynamics1.2模块组成UM模块列表主模块主模块子模块/附加工具功能简介核心软件包,基本前处理建模、仿真和后处理功能ControlPannel交互式仿真控制工具01UMBaseTraniningground虚拟试验场工具,用于履带车辆和机器人仿真02UMSubsystems子系统建模03UMAutomotive轮式车辆建模与仿真04UMTrackedVehicle履带车辆建模与仿真05UMLoco轨道车辆建模与仿真06UMExperiments大批量仿真与多变量多目标优化07UMCluster分布式并行计算工具有限元分析,用于刚柔耦合仿真08UMFEMVehicle-Bridgeinteraction铁路车桥耦合功能拓展控制系统建模与仿真User-DefinedRoutines导入用户编写的控制程序在UM里进行仿真MatlabImport导入Matlab控制系统在UM里进行仿真09UMControlCoSimulation导出UM模型在Matlab里进行仿真10UMCADInterfacesCAD软件接口:
Kompas-3D、Solidworks、Pro/E、UG、Inventor、3DStudio、STEP、IGES、X-T11UMTrain列车纵向动力学建模与仿真12UMTrain3D列车三维动力学建模与仿真13UMBallast平面散体动力学建模与仿真14UMRailWheelWear轮轨磨耗预测分析结构疲劳预测分析Durability/Loco机车专用15UMDurabilityDurability/Carriage货车专用16UM3DContact自动三维接触仿真17UMCOMServer用于支持在外部程序中仿真UM动力学模型2UniversalMechanismSimulationofMBSDynamics2UM动力学建模与仿真技术动力学建模与仿真技术2.1建模技术2.1.1几何建模几何建模UM的几何建模有两种方法。
其一是在UMInput中直接建模,这种方法直观、高效、便于参数化设计;其二是通过外部程序导入,这样能得到精确的几何模型以及质量和转动惯量参数。
UMInput程序界面?
UM图形建模图形建模UMInput内置了许多常用的平面和空间几何图形,用户只需修改几个特征参数就能完成建模,也支持三维CAD程序中广泛使用的拉伸、旋转、扫掠、放样等高级建模操作,还能通过函数表达式进行建模。
给定材料密度,可以自动计算物体的质量、转动惯量和质心坐标。
UM创建的几何模型3UniversalMechanismSimulationofMBSDynamics?
外部外部CAD导入导入UMInput提供了UG、Pro/E、KOMPAS-3D、Solidworks、Inventor、3DStudio等三维CAD软件的直接接口,可以方便地导入图形,保持质量和转动惯量参数。
对于其他CAD软件,可以借助第三方程序CADLook,以STEP、IGES、X-T(Parasolid)等中间格式导入。
通过外部CAD程序导入的几何模型?
外部外部FEM导入导入UMInput可以进行刚柔耦合建模与分析,其中柔性体由外部FEM程序导入,支持ANSYS和MSC.NASTRAN。
通过外部FEM程序导入的几何模型?
ADAMS-UM接口接口UMInput提供了一个ADAMS图形转换接口,可以方便地将ADAMSView的几何模型导入UMInput中。
通过ADAMS导入的几何模型4UniversalMechanismSimulationofMBSDynamics2.1.2铰和约束铰和约束多体系统动力学一般用铰(Joint)来描述系统中物体与物体间的运动学约束。
UM建模时,每个模型都有一个Base0物体(总体坐标系),每个物体固连一个坐标系(局部坐标系),物体与物体,物体与总体坐标系之间的约束和姿态主要通过铰来定义。
多体系统分为树系统和非树系统(有回路)。
多体系统建模必须满足连续性条件,即每个物体至少通过一个铰与其他物体或者Base0相连,每个物体和Base0之间存在至少一条通路。
UM会自动检查模型是否满足这一基本条件,如有错误,会自动提示。
UM提供了多种类型的铰来描述运动学约束,简要介绍如下:
?
TranslationalJoint滑移铰,用于描述一个物体相对另一个物体沿一个方向的平动自由度。
滑移铰?
RotationalJoint转动铰,用于描述一个物体相对另一个物体绕一根轴的转动自由度。
转动铰5UniversalMechanismSimulationofMBSDynamics?
6d.o.f.Joint六自由度铰,用于描述一个物体相对另一个物体的三个平动自由度和三个转动自由度,可以锁定部分或全部自由度,因此可以实现0-6个自由度的约束定义。
(a)球铰(b)万向节六自由度铰的应用?
GeneralizedJoint通用铰,通过以下六种基本变换的组合来实现更普遍更复杂的运动学约束。
tc沿某一方向平动一定距离(常量)tv沿某一方向的平动自由度(未知变量)tt沿某一方向的平动为时间的函数(已知变量)rc绕某一方向转动一定角度(常量)rv绕某一方向的转动自由度(未知变量)rt绕某一方向的转动为时间的函数(已知变量)通用铰的应用6UniversalMechanismSimulationofMBSDynamics?
QuaternionJoint四元素铰,其功能与六自由度铰类似,但是避免了奇异矩阵的出现,更适合模拟自由体和球铰。
其数学模型如下:
222201231qqqq+=?
InternalBodyJoint物体内部铰,用于描述具有六自由度的虚拟物体,当模型与外部真实物体相连接时,虚拟物体的内部铰自动被切断并去除。
?
ConvelJoint等速铰,用于描述一对具有相等角速度值的转动轴。
等速铰?
Weightlessrodconstraint无质量的杆约束,用于实现两个物体的刚性或柔性连接,杆的长度(两物体间的距离)可以是常量也可以是用时间函数表示的变量。
?
Mates配合,是一组运动学约束,描述点、线、面等几何元素间的匹配关系(如重合、同轴、平行、距离、角度等),仅用于兼容从三维CAD程序中导入的装配体模型。
7UniversalMechanismSimulationofMBSDynamics82.1.3力元力元在UM中,系统外力(矩)和内力(矩)统称为力元。
按力学特性分为Gravity、Jointforces(JointTorques)、Bipolarforces(ScalarTorques),Linearforces、Contactforces、T-forces和Specialforces等几组力元,每组力元各有多种数学模型。
其中Jointforces(JointTorques)和Bipolarforces(ScalarTorques)所属的力元模型基本相同,区别在于前者限制了物体的自由度。
?
Gravity重力,重力加速度g=9.81m/s2,方向默认向下(-Z),用户可以定义有无重力,自由定义方向。
?
Jointforces(JointTorques)铰力元(矩),适用于Translational、Rotational和Generalized铰,引入自由度的同时定义相应力元,铰点即为连接点。
?
Bipolarforces(ScalarTorques)双极力元(矩),两个物体间的作用力或力矩,连接点为两个点。
1)Linear线性力元,用于描述一个方向的线性弹簧、线性阻尼器、谐振激励及其组合。
2)Frictional摩擦力元,用于描述摩擦减振器。
3)Elastic-Frictional弹性-摩擦力元,经典的干摩擦与线弹簧串联模型。
4)Elastic-Frictional2弹性-摩擦力元,经典的干摩擦与线弹簧并联模型,用于模拟板弹簧、橡胶内部摩擦力。
5)Viscous-elastic粘弹性力元,线弹簧与阻尼器并联再串联一个线弹簧的模型。
6)Nonlinearviscous-elastic非线性粘弹性力元,非线性弹簧和非线性阻尼器的串联模型。
UniversalMechanismSimulationofMBSDynamics97)Point(numeric)点绘式力元(数值-常量),通过一系列数值点描绘的力元模型,横坐标可以是位移(x)、速度(v)或时间(t)。
8)Point(symbolic)点绘式力元(符号-变量),通过一系列符号点描绘的力元模型,横坐标可以是位移(x)、速度(v)或时间(t),更改符号值即可自动更新力元模型,便于实现参数化建模。
9)Expression函数表达式力元,可以表示为位移(x)、速度(v)或时间(t)的初等函数形式。
10)Listofcharacteristics特性力元,常用于描述电机扭矩特性等。
11)Hysteresis磁滞力元,多用于描述缓冲装置力学特性。
12)Fancherleafspring板簧力元,简化的无质量的钢板弹簧力元模型。
13)Impact碰撞力元,用于模拟限位装置。
14)Ratchet棘轮力元,用于模拟棘轮机构,其力和力矩只能往一个方向传递。
15)Draftgear钩缓力元,机车车辆专用力元。
16)Listofforces力元组,用于实现多个力元的并联。
17)External外部函数力元,需在控制文件中编写相应子程序。
18)Library(DLL)外部动态链接库力元,用户自己编写并编译的力元模型。
UniversalMechanismSimulationofMBSDynamics?
Linearforces空间线性力元1)Viscous-Elastic粘弹性力元,空间弹簧模型2)Dissipative耗散力元,空间阻尼器模型?
Contactforces接触力元,基于经典的刚体接触理论,法向接触力取决于一个接触元素(点、圆、球等)穿过另一物体表面(平面、Z-曲面、球面等)的深度。
摩擦力模型考虑到摩擦系数与滑动速度的关系,既可以模拟单侧接触,也可以模拟双侧接触。
1)Point-Curve“点-曲线”接触力元2)Points-Plane“点-平面”接触力元3)Point-Z-Surface“点-Z-曲面”接触力元4)Circle-Plane“圆-平面接触力元5)Circle-Z-Surface“圆-Z-曲面”接触力元6)Circle-Cylinder“圆-柱面”接触力元7)Sphere-Plane“球-平面”接触力元8)Sphere-Z-Surface“球-Z-曲面”接触力元10UniversalMechanismSimulationofMBSDynamics119)Sphere-Sphere“球-球”接触力元?
T-forces控制力元,用于在物体上施加外力,外力的值可以是常数,也可以是随时间变化的函数,复杂的函数可通过在控制文件中编写子程序实现。
?
Specialforces提供齿轮、链轮、凸轮、轮胎和弹簧等特殊力元。
1)Gearing齿轮力元,可以模拟平面齿轮的内啮合和外啮合以及锥齿轮传动2)Chaingear链轮力元,用来模拟自行车和摩托车的链条-齿轮传动3)Cam凸轮力元,模拟凸轮传动,从动件可以是尖底、滚子、平板等形式。
4)Spring弹簧力元,弹簧的刚度既可以根据经典公式计算得到,也可以分别输入试验测得的线性或非线性数据。
5)Rack齿轮-齿条力元,模拟齿轮-齿条传动。
6)Bushing衬套力元,各方向的刚度和阻尼都可以是线性或非线性的。
7)Combinedfriction复合摩擦力元,是“点-平面”接触力元和弹簧力元的组合8)Tyre轮胎力元,汽车轮胎-地面作用模型。
UniversalMechanismSimulationofMBSDynamics122.1.4参数化建模技术参数化建模技术在动力学建模时,需要各种数据来描述多体系统,如物体的几何形状,位置,质量和转动惯量参数以及各种力元参数等。
UM提供两种方法进行数据输入,其一是数值法,即直接输入数值常量;其二是符号法,符号既可表示常量也可表示变量。
符号数据的应用,可以实现全/半参数化建模,是优化分析的基础。
使用参数化建模的主要优势在于,用户在仿真时可以通过简单的修改符号值来更新模型,而不必回到建模程序,从而提高仿真效率。
UM中符号数据主要分为以下几类:
?
标准标识符标准标识符标准标识符是指用一个或多个拉丁字母表示的标准常量,如圆周率pi=3.1415926536、自然对数的底e=2.718281828等。
?
自定义标识符自定义标识符用户自定义的标识符是由拉丁字母、数字和下划线组成的一个符号,一般对应一个数值(在建模时输入一个初始值,仿真阶段可以随时修改)。
?
标准函数符号标准函数符号包括三角函数、反三角函数、指数函数、对数函数、幂函数等初等函数以及Sign、Heavi、If、Step、Max、Min等特殊函数。
?
时间函数符号时间函数符号用符号t表示仿真进行的时刻?
速度函数符号速度函数符号用符号v表示物体在某一时刻的速度?
位移函数符号位移函数符号用符号x表示物体在某一时刻的坐标?
几何符号几何符号用符号p1和p2来描述特殊几何形状,如空间曲线和曲面。
?
函数表达式函数表达式函数表达式是以上几种符号(标识符)通过四则运算组成的表达式。
UniversalMechanismSimulationofMBSDynamics2.1.5子系统建模技术子系统建模技术复杂的多体系统通常由成百上千个物体组成,往往具有大量的运动微分方程,因此对于模型的描述和编译都很耗时。
UM强大的子系统建模技术能显著简化建模过程,同时也能大幅减少编译工作。
将一个模型分解成若干子系统,每个子系统也可以分解成若干个次级子系统,即子系统的多层嵌套。
特别对于具有相似动力学特性的机构,采用子系统建模最为有效。
对于轨道车俩、履带车辆分别有标准的轮对和履带子系统。
散体和柔性体也是通过专门的子系统导入。
子系统和物体、子系统和子系统之间通过铰或者力元连接。
对于一般子系统,UM通过内部和外部两种方法引入。
?
ExternalSubsystem外部子系统,子系统是预先创建好的一个模型,将其引用到复合模型中,保持相关性,即在原模型中修改参数,复合模型中子系统参数随之改变。
适合于当一个模型中含有多个相同参数的子系统时,只需进行一次生成和编译子系统运动方程工作,能显著提高仿真效率。
?
IncludedSubsystem内部子系统,子系统是预先创建好的一个模型,将其复制到复合模型中,可以在复合模型中修改参数,与原模型不关联。
对于一个模型中有多个相似子系统,可以快速修改部分参数得到。
UM对于一个模型中的子系统数目和嵌套层数没有限制。
此外,子系统技术还可以用于多个相似模型的实时仿真对比,此时各子系统间相对独立,无需创建连接。
子系统建模13UniversalMechanismSimulationofMBSDynamics2.2生成和编译运动方程UM提供两种方法来生成系统运动方程,一种是常规的Numeric-Iterative数值迭代法,一种是UM特有的Symbolic符号法。
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Numeric-Iterative数值迭代法,在UMInput中完成建模后不需要生成和编译运动方程,在UMSimulation仿真的每一个积分步直接生成运动方程。
?
Symbolic符号法,借助C+、Pascal等外部编译器,在UMInput中完成建模后生成符号形式的运动方程,并将其编译成动态链接库,在UMSimulation仿真时调用。
对于多自由度模型,节省仿真时间。
UM根据以下动力学基本方程来生成符号形式的运动方程:
(,)(,)(,)(),(,)0TMqtqkqqtQqqtGqhqp+=+=?
其中q是系统的基本坐标矩阵,p是系统的辅助坐标矩阵(
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