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1、第2章 机械系统组成及分析理论基础,2.1 机械系统的组成 2.2 机械系统的自由度 2.3 机械系统坐标系 2.4 机械系统分析理论基础,2.1 机械系统的组成,1.实际机械系统组成 2.ADAMS中机械系统组成,1.实际机械系统组成,(1)物体 多体系统中的构件定义为物体。 (2)铰 在多体系统中将物体间的运动约束定义为铰。 (3)外力(偶) 多体系统外的物体对系统中的物体的作用力定义为外力(偶)。 (4)力元 在多体系统中物体间的相互作用定义为力元。,2.ADAMS中机械系统组成,(1)构件 构件是指任何刚体或集总(中)质量或柔性体(不包括梁和衬套)等，在ADAMS中刚性梁是一个构件，而
2、柔性梁是多个构件的集合，ADAMS为每一个构件列出6个一阶动力学方程(将力和加速度相联系)和6个一阶运动学方程(将位置与速度相联系)。 (2)约束 约束是系统对一个或多个构件的运动限制。 (3)作用力 作用力包括体积力(重力、电磁力等)和接触力(体积力以外的各种外力)。 (4)自定义的代数微分方程 对于一些特殊要求，ADAMS允许用户直接加入所需的代数微分方程。,2.2 机械系统的自由度,1)当F0，且=0时，机械系统蜕变为刚性系统，构件之间没有相对运动。 2)当F0，且0时，表示在一个刚性机械系统中设置有原动机，此时原动机将无法运动，或者机械系统将在薄弱处遭到破坏。 3)当F0，且0时，机械
3、系统具有确定的运动。 4)当F0时，机械系统没有确定的相对运动，此时机械系统在阻力约束条件下，按牛顿定律，向阻力最小的方向运动。,2.3 机械系统坐标系,1.参考系 2.坐标系 3.设置不同坐标系位置和方向的方法,1.参考系,计算一个系统及其构件的速度和加速度时，需要指定参考系。在机械系统的运动分析过程中，有两种类型的参考系：地面参考系和构件参考系。地面参考系是一个单独的牛顿惯性参考系，它固定在一个“绝对静止”的空间中。通过地面参考系建立机械系统的“绝对静止”参考系，则属于地面上的任何一点的速度和加速度均为零。对于大多数问题，可以将地球视为牛顿惯性参考系。每一个刚性体都有一个参考系，该参考系称
4、为构件参考系，刚性体上的各点相对于该构件的参考系是静止的。,2.坐标系,(1)地面坐标系(Ground Coordinate System) 固定于地面(Ground Part)，即系统的绝对坐标系。 (2)局部参考坐标系(Local Part Reference Frame，LPRF) 每个构件有一个局部参考坐标系LPRF，其位置和方位相对于地面坐标系定义，随部件一起运动。 (3)标记(Marker) 标记是各构件拥有的各自内部的坐标系统，分两类：固定标记(Fixed Marker)和浮动标记(Floating Marker)。,3.设置不同坐标系位置和方向的方法,(1)欧拉法 定位坐标系的
5、原点在基础坐标系中的笛卡儿坐标值，以确定定位坐标系原点的位置或定位坐标系相对于基础坐标系的旋转轴、旋转角度和旋转顺序，以此确定定位坐标系的方向。 (2)3点法 不在同一直线上的3点A、B、C在定位坐标系的笛卡儿坐标值或A、B、C 3点在基础坐标系的笛卡儿坐标值。 (3)X-Z点法 X-Z点法又称为方向余弦。,2.4 机械系统分析理论基础,1.ADAMS多刚体动力学方程 2.ADAMS数值计算,1.ADAMS多刚体动力学方程,ADAMS中机械系统分析理论的核心是多体系统动力学。多体系统动力学是由多刚体系统动力学与多柔体系统动力学组成的。多刚体系统动力学的研究对象是由任意有限个刚体组成的系统，刚体
6、之间以某种形式约束连接，这些约束可以是理想完整约束、非完整约束、定常约束或非定常约束。研究这些系统的动力学需要建立非线性运动方程、能量表达式、运动学表达式以及其他一些相关量的公式。多柔体系统动力学的研究对象是由大量刚体和柔体组成的系统。,ADAMS采用了修正的Newton-Raphson迭代算法，可迅速准确地求解运动学、静力学等一系列的非线性代数方程。对动力学微分方程，根据机械系统特性，可选择不同的积分法：对刚性系统，采用变系数的B D F (Backwards Differentiation Formulation)刚性积分程序，它是自动变阶、变步长的预估校正法(Predict-Evaluate-Correct-Evaluate，PECE)，在积分的每一步采用了修正的Newton- Raphson迭代算法；对高频系统(High-Frequencies)，采用坐标分配法(Coordinate-Partitioned Equation)和Adams- Bashforth -Adams-Moulton方法。,2.ADAMS数值计算,2.ADAMS数值计算,1)ODE求解器(求解微分方程)，采用刚性积分法。 2)非线性求解器(求解代数方程)，采用了Newton-Raphson迭代算法。 3)线性求解器(求解线性方程)，采用稀疏矩阵技术以提高效率。,
