計算多體系統動力學理論及應用-基於MBDyn軟件 9787030743381 魏承 張越 谷海宇 譚春林 趙陽

內容簡介
《計算多體系統動力學理論及應用——基於MBDyn 軟體》較全面地介紹計算多體動力學理論，以及MBDyn的使用方法和應用場景。《計算多體系統動力學理論及應用——基於MBDyn 軟體》共9章。第1章概述，第2章介紹多剛體系統動力學建模，第3、4章介紹小變形和大變形柔性體動力學建模，第5章介紹接觸碰撞動力學，第6章介紹多體系統動力學的數值求解，第7、8章介紹MBDyn的使用方法，第9章介紹MBDyn的場景應用。

目錄

目錄
前言
第1章 多體系統動力學概述 1
1 1 概述 1
1 2 對技術和產業發展的分析 2
1 3 國內外發展現狀與存在問題 2
1 3 1 多剛體動力學研究現狀 2
1 3 2 柔性體動力學研究現狀 4
1 3 3 接觸碰撞動力學研究現狀 5
1 3 4 數值求解研究現狀 6
1 3 5 多體動力學軟體研製現狀 7
1 4 本書章節劃分 11
第2章 多剛體系統動力學建模 13
2 1 單剛體動力學 13
2 1 1 坐標系定義 13
2 1 2 單剛體運動學 14
2 1 3 單剛體動力學方程 18
2 1 4 四元數歸一化約束 24
2 2 多剛體動力學 25
2 2 1 MARKER 點 26
2 2 2 彈性連接 27
2 2 3 約束與驅動 28
2 3 多剛體系統動力學方程 37
第3章 小變形柔性體動力學建模 39
3 1 柔性體的動能與質量矩陣 39
3 2 彈性力與廣義力 44
3 3 柔性多體系統約束描述 45
3 4 柔性多體系統動力學方程 45
3 5 微分-代數混合方程組的解法 48
第4章 大變形柔性體動力學建模 49
4 1 ANCF 方法 49
4 2 索梁單元動力學建模 49
4 2 1 三維全參數梁單元模型 49
4 2 2 梯度預設的索梁單元模型 53
4 2 3 可變長度柔性索梁單元模型 57
4 2 4 考慮熱應力的 ANCF 梁單元模型 61
4 3 薄膜/板殼單元動力學建模 62
4 3 1 ANCF 薄膜/板殼單元模型 62
4 3 2 Reissner 薄膜/板殼單元模型 68
4 4 實體單元動力學建模 72
4 4 1 四面體單元模型 72
4 4 2 六面體單元模型 75
4 5 流體單元動力學建模 81
4 5 1 連續介質力學基礎 81
4 5 2 RANCF 公式 88
4 5 3 ANCF 流體單元模型 95
4 5 4 RANCF 形函數 96
4 5 5 流體單元系統動力學模型 97
第5章 接觸碰撞動力學 103
5 1 碰撞檢測 103
5 1 1 複雜機械構型的精細幾何描述 103
5 1 2 大規模幾何片元碰撞檢測 104
5 1 3 碰撞檢測演算法框架 104
5 2 法向碰撞力模型 107
5 2 1 恢復係數法 107
5 2 2 非線性彈簧模型 108
5 2 3 非線性彈簧阻尼模型 108
5 2 4 有限元接觸方法 109
5 3 摩擦力模型 109
5 3 1 庫侖模型 110
5 3 2 庫侖 + 黏滯模型 110
5 3 3 靜摩擦 + 庫侖 + 黏滯模型 111
5 3 4 Stribeck 模型 112
5 3 5 Dahl 模型 112
5 3 6 Lugre 模型 113
5 3 7 基於切向嵌入量的非線性摩擦模型 114
5 3 8 非線性庫侖摩擦模型 115
第6章 多體系統動力學數值求解 116
6 1 約束多體系統動力學方程 116
6 1 1 拉格朗日力學原理 116
6 1 2 Hamilton 力學原理 119
6 2 多體系統約束方程 121
6 2 1 約束力 121
6 2 2 多柔體 DAE 微分指標 122
6 3 二階微分系統的數值阻尼積分方法 123
6 3 1 隱式歐拉法 123
6 3 2 Newmark 法 126
6 3 3 HHT-α 法 127
6 3 4 BDF 積分方法 128
6 3 5 隱式龍格-庫塔法 129
6 4 一階微分系統幾何積分法 130
6 4 1 基本歐拉法 130
6 4 2 辛歐拉法 131
6 4 3 辛 St rmer-Verlet 法 133
6 5 投影幾何積分方法 133
6 5 1 位置約束投影 134
6 5 2 動量約束投影 135
第7章 MBDyn 說明 136
7 1 MBDyn 概述 136
7 1 1 MBDyn 描述 136
7 1 2 MBDyn 結構 136
7 2 MBDyn 使用方式 138
7 2 1 MBDyn 打開方式 139
7 2 2 MBDyn 代碼格式 139
7 3 MBDyn 配置方案 142
7 3 1 剛體 142
7 3 2 幾何體 146
7 3 3 標記點 147
7 3 4 材料 148
7 3 5 約束 149
7 3 6 柔性節點 154
7 3 7 截面 154
7 3 8 柔性體單元 156
7 3 9 相機（CAMERA） 158
7 3 10 輸入（INPUT） 159
7 3 11 輸出（OUTPUT） 160
7 3 12 求解器設置（SOLVER） 160
7 3 13 其他設置 163
7 4 MBDyn 使用實例 167
7 4 1 剛體動力學 167
7 4 2 柔性索梁動力學 171
7 4 3 柔性薄膜/板殼動力學 178
7 4 4 接觸摩擦動力學 184
7 4 5 接觸碰撞動力學 187
第8章 MBDyn 的前後處理及聯合模擬 194
8 1 基於 SolidWorks 的前處理可視化建模 194
8 1 1 URDF 文件概述 194
8 1 2 從 SolidWorks 中導出 URDF 文件 195
8 1 3 基於 URDF 的 MBDyn 動力學建模 200
8 2 基於 GMSH 的 CAD 模型網格劃分前處理 201
8 3 基於 Paraview 的三維可視化后處理 206
8 3 1 動畫輸出 208
8 3 2 在動畫中顯示柔性體的應力應變 211
8 3 3 包絡網格與系統中心坐標系顯示 212
8 4 基於 MATLAB/Simulink 的控制系統聯合模擬 213
8 4 1 MBDyn 的聯合模擬參數定義 214
8 4 2 Simulink 中的聯合模擬設置 214
8 4 3 MBDyn 與 Simulink 模擬后處理 220
8 5 基於 Python 的機器學習訓練 222
8 5 1 倒立擺模型搭建 222
8 5 2 強化學習訓練 223
8 6 相機視角場景模擬和圖片輸出 227
第9章 MBDyn 場景應用 229
9 1 空間機械臂動力學模擬 229
9 1 1 動力學模型的建立 230
9 1 2 力矩輸入模式 231
9 1 3 速度輸入模式 232
9 1 4 位置輸入模式 234
9 2 四足機器人動力學模擬 235
9 2 1 姿態控制模擬 237
9 2 2 步態模擬 240
9 2 3 四足機器人在不同地面環境上運動模擬 242
9 3 人體動力學模擬 243
9 3 1 人體動力學模型搭建 243
9 3 2 人體運動控制模擬 245
9 4 空間充氣展開繩網動力學模擬 248
9 4 1 空間充氣展開繩網捕獲系統概述 248
9 4 2 收口動力學建模與分析 249
9 4 3 非合作目標捕獲分析 250
9 5 繩系衛星動力學模擬 260
9 5 1 繫繩衛星重力梯度被動展開 260
9 5 2 繫繩衛星重力梯度穩定模擬 262
參考文獻 265

精彩書摘
第1章 多體系統動力學概述
1 1 概述
多體系統是指多個剛體或變形體通過運動副相互連接構成的複雜系統。多體系統動力學主要研究系統的位移、速度、加速度，以及作用力之間的關係。它是近40 年來在**力學基礎上發展起來的一個新的科學分支，與航天器、機器人、車輛、武器系統、生物力學、複雜機械系統等領域密切相關且起著重要的作用。它集成了剛體力學、分析力學、計算力學、材料力學、生物力學等學科，結合現代計算機技術，面向工業裝備需求逐步發展起來。由於多體系統動力學的巨大應用價值，在國際上被認為是應用力學方面*活躍的一個領域。多體系統動力學建模和數值計算是多體系統動力學分析的核心內容。
多體動力學軟體屬於計算機輔助工程 (computer aided engineering， CAE) 軟體的一個重要分支，主要利用計算機建立機械系統的虛擬樣機，解決系統的運動學、動力學和逆動力學等問題，實現多體系統的虛擬模擬，達到節約設計成本、縮短設計周期、提高設計質量的目的。多體動力學軟體已成為當代機械產品設計不可或缺的工具。
多體動力學軟體的應用領域非常廣泛。航空航天領域包括航天器姿態動力學與控制、空間機器人動力學與控制、行星探測器動力學與控制、航天器對接機構動力學與控制等。軍事領域應用包括兵器行業中坦克、火炮、多管火箭、槍、導彈等武器研製、試驗、演習、作戰的模擬模擬。民用領域包括機器人、汽車、發動機、機車、機床工具、工程機械、礦山機械等。多體動力學軟體主要模擬機械系統的動態過程，為設計者提供數據、*線、軌跡、動畫等信息。有些高端的多體動力學軟體還可實現機-電-控-液等多學科的聯合模擬，並可基於參數化的系統模型進行優化設計。
目前，世界上主流的多體動力學軟體主要由國外商業公司開發研製，如ADAMS、RecurDyn 等，國內多體動力學軟體的研製仍處於發展階段。使用國外軟體進行科學研究時，研究流程難以自主可控，研究能力難以得到訓練和提升。特別是，在國家重大科研項目的研究中，使用國外軟體存在較大的安全風險。因此，研製和開發一款具有自主知識產權的多體動力學軟體都尤為重要。
1 2 對技術和產業發展的分析
多體動力學軟體作為 CAE 軟體的一個分支，是以科學計算技術為基礎的軟體。從各種多體動力學軟體的發展歷程中可以概括出以下規律。
1 多體動力學軟體的大柔性體計算功能越來越強
多體系統軟體已經逐步發展為可以融合有限元法的支持大變形柔索、薄膜，甚至流體的通用動力學軟體包。隨著一些建模方法、解算方法 (如時間常數分解演算法) 的出現，大柔性體計算中的許多瓶頸被克服，多體系統中的變形分析變得越來越可靠。
2 多體動力學軟體已經成為集成的多學科模擬平台
多體系統是機械系統的抽象描述，隨著技術的進步，現實中*立的純機械系統已經越來越少。機械系統多與控制、電子、電磁、流體、熱等系統相互關聯，要求多體動力學軟體不能僅依靠多體動力學這個單一學科，而要與其他學科進行交叉。當前的商用多體動力學軟體在這方面做得都很好，多體動力學工作者也在多學科融合領域做了大量的工作。
3 多體動力學軟體建立了許多細分的專業化模塊
為了提高自身的競爭力，多體動力學軟體在細分專業領域下足了功夫，許多標準化程度高的機械子系統都可以在多體動力學軟體平台進行全參數化建模，如齒輪、帶輪、鏈輪、彈簧、履帶、輪胎等。近年來，這種趨勢向著更細緻的大系統前進，如發動機、起落架、印表機、高速機車、風電設備、飛機操縱系統等複雜系統在多體動力學平台也出現專業工具包。
4 多體動力學軟體與 CAD 產品的結合越來越緊密
可視化幾何建模功能是多體動力學軟體產品的「門面」，商業化多體動力學軟體的幾何建模功能雖然很強，但與主流 CAD 產品相比還是差一些。許多多體動力學軟體都對 CAD 產品預留了介面，通過這些介面，可以使數據在多體動力學軟體和 CAD 軟體之間相互傳遞。
1 3 國內外發展現狀與存在問題
1 3 1 多剛體動力學研究現狀
多剛體系統廣泛存在於航天、航空、機械製造、仿生醫療器械等領域。對於多剛體系統，目前已發展出一系列成熟的分析方法。這裏介紹幾個常用且經過廣泛實踐的多剛體動力學方法[1–3]。
1 牛頓