[發明專利]一種基于Simulink平臺的剛柔耦合動力學建模方法

有效

• 申請號: 201710260407.1
• 申請日: 2017-04-20
• 公開（公告）號: CN107103131B
• 公開（公告）日: 2019-07-19
• 發明（設計）人: 陳學東;吳九林;姜偉;陸澄
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 張彩錦;曹葆青

本發明公開了一種基于Simulink平臺的剛柔耦合動力學建模方法，其包括以下步驟：1)構建系統三維模型；2)對系統進行剛性部件子系統和柔性部件子系統的劃分，并在Simulink平臺上構建剛性部件子系統模型；3)對柔性部件進行模態分析輸出模態分析結果；4)根據模態分析結果在Simulink平臺上構建柔性部件子系統模型；5)連接剛性部件及柔性部件子系統模型，并施加載荷及約束，完成系統剛柔耦合模型構建。本發明可實現高效的柔性部件參數化、自動化建模以及柔性部件剛柔耦合效應的分析，為剛柔耦合系統的設計、分析與優化提供支撐。

技術領域

本發明屬于機械系統動力學建模技術領域，更具體地，涉及一種基于Simulink平臺的剛柔耦合動力學建模方法。

背景技術

現代復雜機械系統從結構尺寸上逐漸向著大型化和微型化呈兩極化發展，前者如各工程機械裝備、海洋船舶裝備、航空航天裝備等，呈現出結構尺寸大、傳輸能量高、強度要求高等特點；后者如各IC(集成電路)制造裝備、精微操作、精密測量裝備等，呈現出結構尺寸小、運行速度快、精度要求高等特點。隨著裝備結構尺寸的不斷增大，部件結構形變的不斷累積，大型機械系統呈現的柔性化特點逐漸備受關注；對于微型高精機械裝備而言，為滿足不斷增長的高速高精的需求，裝備的部件結構逐步采用新型輕質結構材料，隨著加工精度向著微米、亞微米甚至納米量級的發展，部件復雜的柔性動力學特性對于系統動態性能的影響也尤為突出。

事實上，傳統的多剛體動力學建模方法由于未考慮部件自身結構變形的影響，系統部件均以剛體來等效，所以得到的單純的剛體模型與實際相差甚遠，無法滿足實際工程仿真計算的精度需求，因此，開展考慮部件大范圍運動(即剛性運動)與結構變形(柔性變形)間相互耦合作用的剛柔耦合動力學建模方法與實踐研究具備重要意義。

近年來，有不少學者對于剛柔耦合建模方法進行了諸多研究，并取得了一定的成果，但大多借助于多體系統動力學分析平臺Adams進行動力學特性求解與分析，然而由于Adams平臺的分析與求解功能更多的面向于多剛體系統動力學建模與求解，其對于剛柔耦合系統的分析與求解、剛柔耦合系統的運動控制仿真分析等并不能滿足工程實際需求。因此，基于更為開放通用的平臺，提出一種參數化的剛柔耦合系統模型創建方法，對于剛柔耦合系統的設計、分析與優化具有十分重要的意義。

發明內容

針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本發明提供了一種基于Simulink平臺的剛柔耦合動力學建模方法，旨在解決現有技術中無法高效的構建通用平臺下剛柔耦合動力學的仿真模型，其使用更加開放且運算能力更強的計算平臺Simulink進行剛柔耦合動力學建模與仿真分析，使其在后續更多領域能進行普適運用。

為實現上述目的，本發明提出了一種基于Simulink平臺的剛柔耦合動力學建模方法，其包括以下步驟：

(1)根據待分析系統的實際結構構建系統的三維CAD模型圖；

(2)對所述系統的三維CAD模型圖進行剛性部件子系統和柔性部件子系統的劃分，并根據劃分后獲得的剛性部件子系統在Simulink平臺上構建系統的剛性部件子系統模型；

(3)將所述柔性部件子系統中的柔性部件進行模態分析，并輸出模態分析結果；根據所述模態分析結果在Simulink平臺上構建系統的柔性部件子系統模型，以將柔性部件轉化為非線性狀態空間模型；

(4)將構建的所述剛性部件子系統模型及柔性部件子系統模型予以相連，并施加載荷以及約束，從而完成系統的剛柔耦合模型的構建。

作為進一步優選的，所述根據模態分析結果在Simulink平臺上構建系統的柔性部件子系統模型具體包括柔性部件狀態空間模型S-Fun模塊底層支撐函數的自動化構建和柔性部件界面子系統模型的自動化構建。

作為進一步優選的，所述柔性部件狀態空間模型S-Fun模塊底層支撐函數的自動構建包括如下子步驟：