基于交互驱动的虚拟样机动力学建模技术研究与应用

在产品开发中，由于物理样机的成本较高，为了保证方案的可靠性及早期得到不同分系统集成的关系，可采用计算机辅助的方法。在最简单的情况下，借助渲染利用几何数据，可以产生产品的逼真效果图。利用数字虚拟样机，将产生能用此方式评价的三维模型。这种数字表示方法也可用来模拟空间大小、干涉及功能关系。数字样机的内容不仅仅涉及几何信息，而且虚拟现实系统还提供了人机交互存储现实三维场景的工具，在计算机内成像，使观察者可以评价复杂的图像场景。除了虚拟三维空间的导航功能和交互修补外，虚拟现实系统存在着考虑干涉、计算模型或运动模型等物理边界条件的可能性。而且，虚拟样机集成了关于信息建模、实时感知和多通道交互等方面的研究成果，覆盖了产品从设计、工作性能分析、零部件加工、装配到使用等环节，为产品创新开发提供了直接的三维界面和虚拟测试平台。 本文同绕上述领域，在面向产品创新开发的虚拟设计平台研究中，针对虚拟样机动力学求解器的软件实现，在以下方面进行重点研究： (1) 在虚拟样机核心仿真模型构建中，提出了由机械系统CAD模型建立面向领域行为模型的方法。机械系统内部约束基于CAD描述，构件间的关联通过图论表达，在软件实现时，基于构件的交互端口建立行为模型，由CAD模型推导出的3D机构图表达了系统中的能量流，而CAD模型和组件行为参数化的同时，也保证了两者的一致性。在软件组件中，封装了设计信息、行为模型及其内部关系，对其实例化后，以端口连接配置复杂系统，并创建系统层仿真模型。 (2) 在扩展ODE求解器进行机械系统运动表达的过程中，通过使用递推计算获得复杂度o(n)的相对坐标表达模型，并进一步论述了Lagrange乘子确定、数字漂移的多准则优化控制策略。对于冗余约束和一致性运动驱动问题，提出了基于QR分解策略以高效消除冗余约束，获得一致性的方法。最后，对具有离散拓扑变换的机械系统仿真实时性问题进行了讨论。 (3) 在虚拟样机动力学分析中，对施加的外部力／力矩的属性进行了分析，实现了力／力矩隐喻(metaphor)工具的直观定义，并基于多刚体动力学模型，提出了直观驱动的交互仿真方法。最后，通过对汽车发动机曲柄活塞部分的建模仿真实例论证了该方法的有效性，以及隐喻工具的直观性。 (4) 在机械系统虚拟样机运动仿真中，通常需要对单侧有摩擦非贯穿约束建立动力学模型，这一过程通常很困难。而基于传统刚体模型的非贯穿约束，