机械系统动力学分析（陈立平）

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1、前言20世纪50年代以来，计算机技术的迅速发展已经为工程设计、分析和优化技术带来全面的变革。计算机硬件、计算技术、应用数学、力学、计算机图形学、软件等技术的不断地结合、融合推动着设计理念、理论、方法、技术乃至工具的进步，设计理论研究、新技术技术应用空前繁荣。上世纪九十年代以前以C3P（CAD/CAE/CAM/PDM）为代表的计算机辅助设计工具CAX在工业界得到广泛普及，产生了巨大的经济效益和社会效益，“数字化”作为显著时代技术特征初露端倪。C3P首次用计算机取代人完成产品开发过程中机械、繁琐、重复

2、的绘图、计算和例程管理类工作，大大提高了产品开发效率，但由于学科的融合度较低，各类设计工具更多地表现为单一学科技术的软件化，其相互集成亦是以软件接口实现所谓的数据集成，因此，以C3P为代表的计算机辅助设计工具对更高层次的设计活动如综合分析、系统优化设计乃至创新设计缺乏有效的可操作的支持。针对这些不足，上世纪九十年代中期以来，计算机辅助设计更多地强调了基于多体系统（Multi-bodySystem）复杂机械产品的系统动态设计、基于多学科协同（Multidisciplinarycollaborativ

3、e）集成框架的优化设计、基于本构融合的多领域统一建模（Multi-domainphysicalmodeling）可重用机、电、液、控数字化功能样机分析的研究与开发，并逐步形成相关技术和平台工具；在设计管理方面，产品数据管理（PDM）向产品全生命周期拓延，已形成产品全生命周期管理技术（PLM）。可以说，多学科、多领域的融合渗透是21世纪计算机辅助产品开发技术发展的主线，M3P已成为当前技术研究、开发和应用的时代特征。多学科融合在推动计算机辅助产品开发技术变革使学科、领域、专业的界限逐步弱化，对技术的

4、研究、开发和应用人员提出新的要求，无论是研究、开发者还是应用工程师都需要站在全局的高度把握机电产品的多学科、多领域性，学习、研究和掌握全新的设计理念、方法和技术。华中科技大学国家CAD支撑软件工程技术研究中心，自上世纪80年代以来在优化设计、智能设计、动态设计及CAD支撑技术方面进行了深入的基础研究，在相关共性技术、关键技术取得一批成果，其中许多成果在国内工业界得到广泛推广，产生了良好的社会效益。近年来，该中心在M3P方面结合工业应用开展了大量的共性、关键技术和应用研究。本书的主要编创者陈立平、张

5、云清、任卫群、覃刚在本领域具备多年研究开发积累和工程应用经验。编创组针对国内多体动力学、数字化功能样机技术的日益增长的需求，结合技术教学和工程应用现状，以国际上具有代表性的复杂机械系统动力学建模及仿真平台ADAMS为例，对机械数字化功能样机的建模理论、方法、求解、通用平台架构、专业化二次开发、典型工业应用实例等方面进行了全面、具体、生动地阐述，对相关技术研究、系统开发和工程应用人员具有重要实用价值，同时亦可作为机电工程本科、研究生教学用书。华中科技大学CAD中心周凡利、王波、项俊、杨勇、陈萌等研究

6、生参与了本书的编写工作，在此一并表示衷心感谢。书中不妥之处和错误，敬请读者指正。华中科技大学CAD中心陈立平2004-3-5内容简介本书介绍了虚拟产品开发与虚拟样机技术的特点、内容及其应用，机械系统动力学分析与仿真在数字化功能样机中的重要作用以及多体系统动力学的基本理论，包括多刚体系统动力学建模、多柔体系统动力学建模、多体系统动力学方程求解及多体系统动力学中的刚性（Stiff）问题，并结合ADAMS软件进一步介绍了ADAMS软件的基本算法，包括ADAMS建模中的概念、运动学分析算法、动力学分析算法

7、、静力学分析及线性化分析算法以及ADAMS软件积分器介绍。根据作者使用ADAMS的经验和体会，结合实际的例子对机械系统动力学分析的建模、分析、优化以及专用仿真系统的二次开发等进行了较详细的阐述。本书可作为高校“机械系统动力学分析”课程教材，对从事机械系统数字化功能样机的建模、求解、专业化仿真系统二次开发的工程技术人员具有重要的实用价值，可作为机电工程类本科、研究生教学用书。第1章绪论本章首先介绍虚拟产品开发与虚拟样机技术的特点、内容及其应用；在此基础上提出数字化样机的概念，并由此引入机械系统动力学

8、分析与仿真，概述了机械系统动力学分析与仿真在数字化功能样机中的重要作用；最后阐述了机械系统动力学分析与仿真的发展方向及前沿。通过本章的学习可以对虚拟样机技术及机械系统动力学分析仿真技术的内容及发展有较深入的了解，便于以后对具体内容的学习掌握。1.1虚拟产品开发与虚拟样机技术1990年10月29日，美国波音公司正式启动波音777飞机研制计划，采用一种全新的设计与制造方式，4年半之后，于1994年6月12日直接进行了第1架波音777的首次试飞。波音777飞机的研制采用了全数字化的无纸设