机械系统虚拟样机技术
出版时间：2010年版
丛编项： 高等学校机械工程及自动化机械设计制造及其自动化专业系列教材
容简介
本书以了解虚拟样机软件背后的理论基础和实现方法为主要目标，内容主要包括机械系统仿真分析的数学基础、多体系统运动学和动力学理论与仿真、多学科联合建模与仿真技术和数值算法等。第1章介绍了虚拟样机技术及应用概况。第2章介绍了矢量代数、矩阵理论的基础知识和主要的矢量变换方法以及刚体运动学分析基础。第3章介绍了机械系统运动学建模与仿真的理论基础，并对串联机构和并联机构运动学以及机械系统运动学建模的计算机实现方法作了相应介绍。第4章以机械系统动力学建模与仿真为核心，介绍了机械系统动力学分析中常用的几种动力学原理，如Newton—Euler方程、D’Alembert原理、Kane方程等。与第3章类似，机械系统动力学分析也分别针对串联机构和并联机构动力学分析作了介绍，并在最后介绍了动力学建模与分析的计算机实现方法。机械系统是多领域的子系统综合，从这一特点出发，第5章主要介绍了多学科建模中的两种主要理论，键合图和线性图建模理论，并简单介绍了这两种理论在多体系统动力学中的应用。第6章概括介绍了机械系统运动学和动力学以及多学科仿真分析中使用的主要数值计算方法，包括非线性方程及方程组、线性方程组、常微分方程及方程组以及微分代数方程的数值解法等。作为与机械系统建模理论的结合，第7章对机械系统动态仿真的两种高端软件作了简单介绍，这两种软件为德国的SIMPACK软件和美国的ADAMS软件。
目录
第1章 虚拟样机技术概论
1.1 虚拟样机技术
1.2 基于虚拟样机技术的机械产品开发
1.3 虚拟样机软件及工程应用
1.3.1 汽车行业的应用
1.3.2 航空航天中的应用
1.3.3 工程机械的应用
1.3.4 其他应用
1.4 多体系统动力学概述
第2章 数学基础
2.1 矢量
2.1.1 位置矢量
2.1.2 矢量运算
2.1.3 矢量微分和积分
2.2 矩阵基础
2.2.1 线性空间简介
2.2.2 矩阵
2.2.3 矩阵运算
2.2.4 矩阵特征值和特征矢量
2.2.5 矩阵分解
2.3 矢量变换
2.3.1 旋转矩阵
2.3.2 欧拉角
2.3.3 方向余弦
2.3.4 四元数
2.3.5 齐次变换
2.4 刚体运动学分析基础
2.4.1 速度和加速度
2.4.2 虚位移
第3章 机械系统运动学建模与仿真
3.1 约束与自由度
3.1.1 约束
3.1.2 自由度
3.2 约束方程
3.3 系统运动学分析
3.4 开链机构运动学分析
3.4.1 串联机构位姿正解
3.4.2 串联机构位姿逆解
3.4.3 串联机构速度和加速度分析
3.4.4 Jacobi矩阵与奇异构型
3.4.5 串联机构工作空间
3.5 并联机构运动学分析
3.5.1 概述
3.5.2 结构及分类
3.5.3 位置逆解
3.5.4 位置正解
3.5.5 速度分析、Jacobi矩阵及奇异构型
3.5.6 工作空间
3.6 运动学分析的计算机建模
3.6.1 基本约束
3.6.2 运动副约束
3.6.3 驱动约束
3.6.4 运动学分析
第4章 机械系统动力学建模与仿真
4.1 动力学基本参量
4.1.1 线动量
4.1.2 质心
4.1.3 角动量
4.1.4 转动惯量
4.2 刚体动力学基本原理
4.2.1 作用在刚体上的力和力矩
4.2.2 Newton-Euler方程
4.2.3 虚功原理
4.2.4 D'Alembert原理
4.2.5 Lagrange方程
4.2.6 Kane方程
4.3 串联机构动力学分析
4.3.1 开环机构静平衡
4.3.2 动力学逆解
4.3.3 动力学正解
4.4 并联机构动力学分析
4.4.1 闭链机构动力学分析
4.4.2 并联机构静力学
4.4.3 并联机构动力学正解
4.4.4 并联机构动力学逆解
4.5 动力学分析计算机建模
4.5.1 机械系统动力学方程
4.5.2 力元
4.5.3 运动副约束反力
第5章 多学科联合建模与仿真技术
5.1 多领域仿真技术概述
5.2 功率键合图
5.2.1 功率变量
5.2.2 元件
5.2.3 键合图绘制
5.2.4 因果关系
5.2.5 系统建模
5.2.6 多体系统键合图建模简介
5.2.7 键合图建模综述
5.3 线性图建模
5.3.1 线性图基础
5.3.2 物理系统线性图建模
5.3.3 线性图建模实例
5.4 多领域仿真的计算机实现
5.5 多领域仿真技术的未来
第6章 数值算法
6.1 非线性方程和方程组的数值解法
6.1.1 迭代法一般概念
6.1.2 非线性方程数值解法
6.1.3 非线性方程组的不动点迭代法
6.2 线性方程组数值解法
6.2.1 线性方程组的直接解法
6.2.2 线性方程组的迭代法
6.3 常微分方程数值方法
6.3.1 Taylor级数
6.3.2 有限差分方法
6.3.3 一阶Euler方法
6.3.4 数值算法的稳定和收敛
6.3.5 Runge-Kutta方法
6.3.6 线性多步法
6.3.7 高阶常微分方程的数值解法
6.3.8 一阶常微分方程组的数值解法
6.3.9 常微分方程数值计算中的刚性
6.4 微分代数方程数值方法
6.4.1 DAE方程及其指标
6.4.2 DAE指标缩降方法
6.4.3 DAE方程稳定化技术
6.4.4 DAE直接离散方法
第7章 虚拟样机软件简介
7.1 德国INTEC公司SIMPACK
7.1.1 SIMPACK仿真技术特点与应用
7.1.2 SIMPACK模块及其应用
7.1.3 系统建模与仿真
7.2 美国MSC公司ADAMS
7.2.1 几何建模
7.2.2 约束
7.2.3 载荷
7.2.4 仿真
7.2.5 后处理
7.2.6 其他功能
参考文献
