MBD软件：SIMPACK二次开发_（3）.SIMPACK动力学仿真原理与方法.docx

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SIMPACK动力学仿真原理与方法

1.动力学仿真概述

动力学仿真是一种用于分析和预测机械系统在各种工况下的运动和动力学行为的计算方法。在航空航天领域，动力学仿真尤为重要，因为它可以帮助工程师设计和优化复杂的飞行器和地面支持系统。SIMPACK是一款强大的多体动力学仿真软件，广泛应用于航空航天、汽车和重型机械等行业。本节将介绍动力学仿真的一般原理和方法，并重点讨论SIMPACK在这些方面的应用。

2.多体系统的基本概念

多体系统（MultibodySystem,MBS）是由多个刚体或柔性体通过各种约束和连接组成的系统。在SIMPACK中，多体系统可以通过以下基本元素来建模：

刚体：刚体是指在运动过程中形状和大小不变的物体。刚体的运动可以通过位置、速度和加速度等参数来描述。

柔性体：柔性体是指在运动过程中可以变形的物体。柔性体的运动和变形可以通过有限元方法（FiniteElementMethod,FEM）来建模。

约束：约束是指限制物体运动的条件。常见的约束包括铰链、滑动副、球面副等。

连接：连接是指将多个物体连接在一起的部件。常见的连接包括弹簧、阻尼器、关节等。

2.1刚体和柔性体的建模

在SIMPACK中，刚体和柔性体的建模可以通过以下步骤进行：

定义刚体：

rigidBodyname=body1

massvalue=10.0/

inertia

ixxvalue=1.0/

iyyvalue=1.5/

izzvalue=2.0/

/inertia

position

xvalue=0.0/

yvalue=0.0/

zvalue=0.0/

/position

orientation

rollvalue=0.0/

pitchvalue=0.0/

yawvalue=0.0/

/orientation

/rigidBody

定义柔性体：

flexibleBodyname=body2

femModel

nodes

nodeid=1x=0.0y=0.0z=0.0/

nodeid=2x=1.0y=0.0z=0.0/

nodeid=3x=0.0y=1.0z=0.0/

/nodes

elements

beamelementId=1node1=1node2=2material=steel/

beamelementId=2node1=2node2=3material=steel/

beamelementId=3node1=3node1=1material=steel/

/elements

materialname=steel

densityvalue=7850.0/

youngsModulusvalue=210000.0/

poissonsRatiovalue=0.3/

/material

/femModel

/flexibleBody

3.运动学和动力学方程

多体系统的运动学和动力学方程是描述系统运动和受力关系的基本方程。SIMPACK通过以下步骤来求解这些方程：

运动学方程：描述刚体和柔性体的运动关系。

位置方程：描述物体在空间中的位置。

速度方程：描述物体的速度。

加速度方程：描述物体的加速度。

动力学方程：描述系统在外部力和内部力作用下的动力学行为。

牛顿-欧拉方程：用于刚体的动力学分析。

拉格朗日方程：用于柔性体的动力学分析。

3.1牛顿-欧拉方程

牛顿-欧拉方程是描述刚体动力学行为的基本方程。SIMPACK中的牛顿-欧拉方程可以表示为：

M

其中：

M是质量矩阵。

C是科里奥利力和离心力矩阵。

G是重力矩阵。

Q是外部力矩阵。

q是广义坐标。

q是广义速度。

q是广义加速度。

3.2拉格朗日方程

拉格朗日方程是描述柔性体动力学行为的基本方程。SIMPACK中的拉格朗日方程可以表示为：

d

其中：

L是拉格朗日函数，定义为系统动能T减去势能V。

q是