基于交互驅(qū)動(dòng)的虛擬樣機(jī)動(dòng)力學(xué)建模技術(shù)研究與應(yīng)用.pdf

1、在產(chǎn)品開發(fā)中，由于物理樣機(jī)的成本較高，為了保證方案的可靠性及早期得到不同分系統(tǒng)集成的關(guān)系，可采用計(jì)算機(jī)輔助的方法。在最簡單的情況下，借助渲染利用幾何數(shù)據(jù)，可以產(chǎn)生產(chǎn)品的逼真效果圖。利用數(shù)字虛擬樣機(jī)，將產(chǎn)生能用此方式評價(jià)的三維模型。這種數(shù)字表示方法也可用來模擬空間大小、干涉及功能關(guān)系。數(shù)字樣機(jī)的內(nèi)容不僅僅涉及幾何信息，而且虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)還提供了人機(jī)交互存儲(chǔ)現(xiàn)實(shí)三維場景的工具，在計(jì)算機(jī)內(nèi)成像，使觀察者可以評價(jià)復(fù)雜的圖像場景。除了虛擬三維空間的

2、導(dǎo)航功能和交互修補(bǔ)外，虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)存在著考慮干涉、計(jì)算模型或運(yùn)動(dòng)模型等物理邊界條件的可能性。而且，虛擬樣機(jī)集成了關(guān)于信息建模、實(shí)時(shí)感知和多通道交互等方面的研究成果，覆蓋了產(chǎn)品從設(shè)計(jì)、工作性能分析、零部件加工、裝配到使用等環(huán)節(jié)，為產(chǎn)品創(chuàng)新開發(fā)提供了直接的三維界面和虛擬測試平臺(tái)。 本文同繞上述領(lǐng)域，在面向產(chǎn)品創(chuàng)新開發(fā)的虛擬設(shè)計(jì)平臺(tái)研究中，針對虛擬樣機(jī)動(dòng)力學(xué)求解器的軟件實(shí)現(xiàn)，在以下方面進(jìn)行重點(diǎn)研究： （1） 在虛擬樣機(jī)核心仿

3、真模型構(gòu)建中，提出了由機(jī)械系統(tǒng)CAD模型建立面向領(lǐng)域行為模型的方法。機(jī)械系統(tǒng)內(nèi)部約束基于CAD描述，構(gòu)件間的關(guān)聯(lián)通過圖論表達(dá)，在軟件實(shí)現(xiàn)時(shí)，基于構(gòu)件的交互端口建立行為模型，由CAD模型推導(dǎo)出的3D機(jī)構(gòu)圖表達(dá)了系統(tǒng)中的能量流，而CAD模型和組件行為參數(shù)化的同時(shí)，也保證了兩者的一致性。在軟件組件中，封裝了設(shè)計(jì)信息、行為模型及其內(nèi)部關(guān)系，對其實(shí)例化后，以端口連接配置復(fù)雜系統(tǒng)，并創(chuàng)建系統(tǒng)層仿真模型。 （2） 在擴(kuò)展ODE求解器進(jìn)行機(jī)械

4、系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)表達(dá)的過程中，通過使用遞推計(jì)算獲得復(fù)雜度o（n）的相對坐標(biāo)表達(dá)模型，并進(jìn)一步論述了Lagrange乘子確定、數(shù)字漂移的多準(zhǔn)則優(yōu)化控制策略。對于冗余約束和一致性運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)問題，提出了基于OR分解策略以高效消除冗余約束，獲得一致性的方法。最后，對具有離散拓?fù)渥儞Q的機(jī)械系統(tǒng)仿真實(shí)時(shí)性問題進(jìn)行了討論。 （3） 在虛擬樣機(jī)動(dòng)力學(xué)分析中，對施加的外部力／力矩的屬性進(jìn)行了分析，實(shí)現(xiàn)了力／力矩隱喻（metaphor）工具的直觀定義，并基

5、于多剛體動(dòng)力學(xué)模型，提出了直觀驅(qū)動(dòng)的交互仿真方法。最后，通過對汽車發(fā)動(dòng)機(jī)曲柄活塞部分的建模仿真實(shí)例論證了該方法的有效性，以及隱喻工具的直觀性。 （4） 在機(jī)械系統(tǒng)虛擬樣機(jī)運(yùn)動(dòng)仿真中，通常需要對單側(cè)有摩擦非貫穿約束建立動(dòng)力學(xué)模型，這一過程通常很困難。而基于傳統(tǒng)剛體模型的非貫穿約束，在摩擦產(chǎn)生時(shí)可能出現(xiàn)無解或多解的情況，處理過程極為繁瑣，且剛體模型作為一種理想模型，與虛擬環(huán)境日益提高的逼真度要求是不相適應(yīng)的。為此，我們提出了基于剛

6、柔混合模型的非貫穿約束構(gòu)建方法，從而避免了上述解的多重性問題，并提高了仿真的逼真度，同時(shí)，利用奇異攝動(dòng)和線性互補(bǔ)理論，建立了滾動(dòng)和滑動(dòng)時(shí)單側(cè)非貫穿約束的有效條件，并以實(shí)例論述了模型的有效性。 （5）建立了面向真實(shí)目標(biāo)特性和自然交互方式的多模態(tài)虛擬環(huán)境，將系統(tǒng)全局運(yùn)行流程與局部運(yùn)行流程分離，任務(wù)的執(zhí)行、協(xié)調(diào)、選擇和環(huán)境狀態(tài)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了高層系統(tǒng)控制與低層執(zhí)行過程的有效隔離，面向用戶驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)換多模態(tài)輸入輸出信息流，盡可能使虛擬系統(tǒng)在體