[发明专利]一种基于Simulink平台的刚柔耦合动力学建模方法

说明书

本发明公开了一种基于Simulink平台的刚柔耦合动力学建模方法，其包括以下步骤：1)构建系统三维模型；2)对系统进行刚性部件子系统和柔性部件子系统的划分，并在Simulink平台上构建刚性部件子系统模型；3)对柔性部件进行模态分析输出模态分析结果；4)根据模态分析结果在Simulink平台上构建柔性部件子系统模型；5)连接刚性部件及柔性部件子系统模型，并施加载荷及约束，完成系统刚柔耦合模型构建。本发明可实现高效的柔性部件参数化、自动化建模以及柔性部件刚柔耦合效应的分析，为刚柔耦合系统的设计、分析与优化提供支撑。

技术领域

本发明属于机械系统动力学建模技术领域，更具体地，涉及一种基于Simulink平台的刚柔耦合动力学建模方法。

背景技术

现代复杂机械系统从结构尺寸上逐渐向着大型化和微型化呈两极化发展，前者如各工程机械装备、海洋船舶装备、航空航天装备等，呈现出结构尺寸大、传输能量高、强度要求高等特点；后者如各IC(集成电路)制造装备、精微操作、精密测量装备等，呈现出结构尺寸小、运行速度快、精度要求高等特点。随着装备结构尺寸的不断增大，部件结构形变的不断累积，大型机械系统呈现的柔性化特点逐渐备受关注；对于微型高精机械装备而言，为满足不断增长的高速高精的需求，装备的部件结构逐步采用新型轻质结构材料，随着加工精度向着微米、亚微米甚至纳米量级的发展，部件复杂的柔性动力学特性对于系统动态性能的影响也尤为突出。

事实上，传统的多刚体动力学建模方法由于未考虑部件自身结构变形的影响，系统部件均以刚体来等效，所以得到的单纯的刚体模型与实际相差甚远，无法满足实际工程仿真计算的精度需求，因此，开展考虑部件大范围运动(即刚性运动)与结构变形(柔性变形)间相互耦合作用的刚柔耦合动力学建模方法与实践研究具备重要意义。

近年来，有不少学者对于刚柔耦合建模方法进行了诸多研究，并取得了一定的成果，但大多借助于多体系统动力学分析平台Adams进行动力学特性求解与分析，然而由于Adams平台的分析与求解功能更多的面向于多刚体系统动力学建模与求解，其对于刚柔耦合系统的分析与求解、刚柔耦合系统的运动控制仿真分析等并不能满足工程实际需求。因此，基于更为开放通用的平台，提出一种参数化的刚柔耦合系统模型创建方法，对于刚柔耦合系统的设计、分析与优化具有十分重要的意义。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于Simulink平台的刚柔耦合动力学建模方法，旨在解决现有技术中无法高效的构建通用平台下刚柔耦合动力学的仿真模型，其使用更加开放且运算能力更强的计算平台Simulink进行刚柔耦合动力学建模与仿真分析，使其在后续更多领域能进行普适运用。

为实现上述目的，本发明提出了一种基于Simulink平台的刚柔耦合动力学建模方法，其包括以下步骤：

(1)根据待分析系统的实际结构构建系统的三维CAD模型图；

(2)对所述系统的三维CAD模型图进行刚性部件子系统和柔性部件子系统的划分，并根据划分后获得的刚性部件子系统在Simulink平台上构建系统的刚性部件子系统模型；

(3)将所述柔性部件子系统中的柔性部件进行模态分析，并输出模态分析结果；根据所述模态分析结果在Simulink平台上构建系统的柔性部件子系统模型，以将柔性部件转化为非线性状态空间模型；

(4)将构建的所述刚性部件子系统模型及柔性部件子系统模型予以相连，并施加载荷以及约束，从而完成系统的刚柔耦合模型的构建。

作为进一步优选的，所述根据模态分析结果在Simulink平台上构建系统的柔性部件子系统模型具体包括柔性部件状态空间模型S-Fun模块底层支撑函数的自动化构建和柔性部件界面子系统模型的自动化构建。

作为进一步优选的，所述柔性部件状态空间模型S-Fun模块底层支撑函数的自动构建包括如下子步骤：