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内容简介

　　 《机械系统虚拟样机技术》为普通高等教育“十一五”国家级规划教材。《机械系统虚拟样机技术》介绍机械系统虚拟样机软件的理论基础和实现原理，主要内容包括机械系统仿真分析的数学基础、基于多体系统理论的串联机构和并联机构的运动学和动力学建模与仿真、多学科联合建模与仿真技术及数值算法等。
《机械系统虚拟样机技术》适合于作为机械工程及相关领域的高年级本科生和研究生教材，也可供相关领域研究人员阅读和参考。

内页插图

目录

第1章 虚拟样机技术概论
1.1 虚拟样机技术
1.2 基于虚拟样机技术的机械产品开发
1.3 虚拟样机软件及工程应用
1.3.1 汽车行业的应用
1.3.2 航空航天中的应用
1.3.3 工程机械的应用
1.3.4 其他应用
1.4 多体系统动力学概述

第2章 数学基础
2.1 矢量
2.1.1 位置矢量
2.1.2 矢量运算
2.1.3 矢量微分和积分
2.2 矩阵基础
2.2.1 线性空间简介
2.2.2 矩阵
2.2.3 矩阵运算
2.2.4 矩阵特征值和特征矢量
2.2.5 矩阵分解
2.3 矢量变换
2.3.1 旋转矩阵
2.3.2 欧拉角
2.3.3 方向余弦
2.3.4 四元数
2.3.5 齐次变换
2.4 刚体运动学分析基础
2.4.1 速度和加速度
2.4.2 虚位移

第3章 机械系统运动学建模与仿真
3.1 约束与自由度
3.1.1 约束
3.1.2 自由度
3.2 约束方程
3.3 系统运动学分析
3.4 开链机构运动学分析
3.4.1 串联机构位姿正解
3.4.2 串联机构位姿逆解
3.4.3 串联机构速度和加速度分析
3.4.4 Jacobi矩阵与奇异构型
3.4.5 串联机构工作空间
3.5 并联机构运动学分析
3.5.1 概述
3.5.2 结构及分类
3.5.3 位置逆解
3.5.4 位置正解
3.5.5 速度分析、Jacobi矩阵及奇异构型
3.5.6 工作空间
3.6 运动学分析的计算机建模
3.6.1 基本约束
3.6.2 运动副约束
3.6.3 驱动约束
3.6.4 运动学分析

第4章 机械系统动力学建模与仿真
4.1 动力学基本参量
4.1.1 线动量
4.1.2 质心
4.1.3 角动量
4.1.4 转动惯量
4.2 刚体动力学基本原理
4.2.1 作用在刚体上的力和力矩
4.2.2 Newton-Euler方程
4.2.3 虚功原理
4.2.4 D'Alembert原理
4.2.5 Lagrange方程
4.2.6 Kane方程
4.3 串联机构动力学分析
4.3.1 开环机构静平衡
4.3.2 动力学逆解
4.3.3 动力学正解
4.4 并联机构动力学分析
4.4.1 闭链机构动力学分析
4.4.2 并联机构静力学
4.4.3 并联机构动力学正解
4.4.4 并联机构动力学逆解
4.5 动力学分析计算机建模
4.5.1 机械系统动力学方程
4.5.2 力元
4.5.3 运动副约束反力

第5章 多学科联合建模与仿真技术
5.1 多领域仿真技术概述
5.2 功率键合图
5.2.1 功率变量
5.2.2 元件
5.2.3 键合图绘制
5.2.4 因果关系
5.2.5 系统建模
5.2.6 多体系统键合图建模简介
5.2.7 键合图建模综述
5.3 线性图建模
5.3.1 线性图基础
5.3.2 物理系统线性图建模
5.3.3 线性图建模实例
5.4 多领域仿真的计算机实现
5.5 多领域仿真技术的未来

第6章 数值算法
6.1 非线性方程和方程组的数值解法
6.1.1 迭代法一般概念
6.1.2 非线性方程数值解法
6.1.3 非线性方程组的不动点迭代法
6.2 线性方程组数值解法
6.2.1 线性方程组的直接解法
6.2.2 线性方程组的迭代法
6.3 常微分方程数值方法
6.3.1 Taylor级数
6.3.2 有限差分方法
6.3.3 一阶Euler方法
6.3.4 数值算法的稳定和收敛
6.3.5 Runge-Kutta方法
6.3.6 线性多步法
6.3.7 高阶常微分方程的数值解法
6.3.8 一阶常微分方程组的数值解法
6.3.9 常微分方程数值计算中的刚性
6.4 微分代数方程数值方法
6.4.1 DAE方程及其指标
6.4.2 DAE指标缩降方法
6.4.3 DAE方程稳定化技术
6.4.4 DAE直接离散方法

第7章 虚拟样机软件简介
7.1 德国INTEC公司SIMPACK
7.1.1 SIMPACK仿真技术特点与应用
7.1.2 SIMPACK模块及其应用
7.1.3 系统建模与仿真
7.2 美国MSC公司ADAMS
7.2.1 几何建模
7.2.2 约束
7.2.3 载荷
7.2.4 仿真
7.2.5 后处理
7.2.6 其他功能
参考文献

精彩书摘

物体在空间中的任何运动都可以看做移动（17ranslation）和转动（Rotation）的叠加。在刚体动力学中，使用随刚体运动的连体系（Body-Fixed Coordinate System）在参考坐标系或惯性系中的位置和方向来描述刚体的位姿。刚体的运动学参量如位置、方向、速度、加速度、角速度和角加速度等以及动力学特性如力、力矩、惯性张量和机械能等完全使用刚体的位姿来描述。结构动力学是刚体动力学在变形体上的离散化应用，尽管在处理柔性体时会采用一些适合于柔性体特点的专门方法和技术，如使用浮动坐标系（Floating Coordinate System）描述柔性体的变形，但其数学建模的理论基础仍然采用刚体位姿描述方法。
描述连体系相对参考系的位姿及其变化需要借助矢量、矩阵及Euler角等数学工具。矢量是描述连体系空间位置最直接的方法。相对来说，描述连体系的方向更加复杂，所使用的方法包括旋转矩阵、Euler角、Rodrigus参数以及四元数等。
本章简要介绍在多体系统运动学和动力学分析中经常使用的数学工具，包括矢量代数、旋转矩阵、Euler角、Rodrigus参数和四元数等。坐标系方向的描述在运动学和动力学分析中较为复杂，因此坐标系方向描述是本章的重点内容。
……

前言/序言

面对21世纪高新技术应用、信息化和全球经济一体化所带来的异常激烈的竞争，面对有限的资源和日益增长的环保压力的挑战，人类对上至太空、下至海洋、大到巨型系统、小到微观领域进行着不懈的探索，而机械系统在其中发挥着不可或缺的作用。为满足高技术应用的要求，机械系统在其复杂性、精度、可靠性以及使用寿命等方面呈现出越来越高的发展趋势。
复杂机械系统是指功能复杂、系统组成复杂、产品技术复杂、制造过程复杂和项目管理复杂的一类机械产品。复杂机械系统由多个子系统组成，各个子系统之间存在着错综复杂的非线性相互作用。复杂机械产品的优化设计过程已经从传统的面向零部件、单一工艺、单一学科的局部优化发展到面向整体的多学科全面优化，传统的机械系统优化设计技术已难以满足这种要求。作为一门新技术，虚拟样机技术（Virtual Prototype Technology）为复杂机械系统的优化设计提供了一种动态仿真分析工具。
虚拟样机技术以多体系统动力学（Dynamics of Multi body System）为核心，将分散零部件的几何设计和多种分析技术，如有限元分析（Finite Element Analysis）、多领域（Multi-Domain）仿真技术等有机结合在一起，在计算机上建造机械产品的整体模型，并针对多种可能的工况和不同的设计方案进行分析，评估机械系统性能，进行机械系统优化设计，为物理样机的设计和制造提供依据。
20世纪80年代，国际上已系统地提出机械系统动态仿真技术或虚拟样机技术。经过数十年的研究和发展，虚拟样机技术理论渐趋成熟，并有相当数量的软件完成了商业化开发。我国进行虚拟样机技术的研究稍晚于国外，但也取得了斐然的成就。
近年来，虚拟样机技术在机械产品设计和开发中获得了广泛应用。针对这种情况，为了解虚拟样机技术的理论基础和技术，掌握虚拟样机软件的使用方法，为我国培养机械系统仿真和分析的高级专业人才，在高等院校机械工程相关专业开设虚拟样机技术的课程已势在必行。
虚拟样机技术具有学科综合的特点，它涉及多体系统动力学、控制理论、有限元分析、计算机图形学和数值计算等多种知识，是集机械、液压、控制及有限元等技术于一体的多学科交叉的边缘学科和技术，和传统独立的CAD和FEA等技术相比，涉及专业面宽、覆盖领域广。使用者不仅要具有一般的多体系统动力学、控制论等专业基础理论知识，同时还要具有一定的工程专业背景。只有具备这两者才能真正理解和使用这门技术以解决工程问题。只有在了解虚拟样机技术理论知识的基础上，才有可能深入了解并熟练应用虚拟样机软件。
虚拟样机技术作为一门新技术，目前与之相关的教材或专著还为数不多。在已有教材中，多数着重于软件本身的操作，仅简单列举了相关的机械系统动力学方程，这种情况不利于虚拟样机技术的推广与深入应用。对虚拟样机技术的理论基础，特别是多体系统动力学具有初步认识，并能较深入地掌握某种软件的应用，显然会为以后进一步深入学习和掌握这门技术奠定良好的基础。

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