多物理场机械系统模型数字化仿真试验平台（MSAM）技术

从机械系统建模到多物理场数字化仿真的过程设计

Bowen Wang *

多物理场数字化仿真试验平台MSAM，主要用于大型或复杂机械系统建模和动态参数化模型联合仿真，实现从机械系统建模到多物理场系统数字化验证的CAD—CAE过程设计。平台由多物理场系统算法(MSA)和机械系统建模(MSM)两部分构成。多物理场系统算法(MSA)主要通过C/C++与Simulink工具进行接口开发，与机械系统模型(MSM)通用开发工具进行双向仿真。机械系统建模(MSM)素模型构建包括三个基础部分：数学建模、力学建模和机构建模；和应用扩展部分：载运工具和特种机器人。

基础理论建模

数学建模

采用组合数学理论和微分动力与哈密顿系统理论，分别采用旋量与凸分析技术求解方法满足柔性多自由度求解，李群和李代数求解方法满足刚性机构多自由度求解。整个数学建模过程包含对象坐标系及机构自由度，优化目前比较流行的DAE算法，递归算法，对象运动轨迹和约束控制，空间位置、构型形变、运动方向、速度与加速度、惯量等主要参数，保持模型动态参数化和数值化特征。

力学建模

以弹性体和刚性体为研究对象，重点研究多体系统动力学MBS，和多体系统运动稳定性，在力学模型构建过程中始终考虑关键结构部件力学分析FEA，质量、阻尼、刚度问题研究，以及 数字化场 的建造，这主要涉及风场模拟CFD和精确数字化地面DGM建设，也包括机构结构在多场运动过程中的运行空间轨迹规划和机构结构的流固耦合算法。MSAM 试验平台的力学建模方向偏重固体力学建模，包括三维对象、耦合关系、结构有限元。接触力学建模方向包括接触面研究、静态与动态受力问题，关键材料本构关系等问题。非线性振动响应问题研究目前主要集中于弹簧非线性振动和阻尼研究。

机构建模

围绕机构学领域开展构型研究和奇异干涉问题解决方案，尤其在柔性六自由度机构工作空间求解算法方面拥有专有技术(6-DOF/FTPM)。研究范围包括机构运动学与动力学，机器人机械学，机械传动方式，机械结构与系统动力学，以及机械系统集成设计等方面。

工程应用

载运工具

研究范围包括两方面：整车动力学和运动稳定性，包括底盘控制研究，簧上车身六自由度姿态分析和约束，多体系统参考坐标系运动轨迹及加速度问题研究，俯仰、侧倾、横摆问题测试，CFD风场影响条件下稳定性分析；全地形车辆系统动力学，主要关注在预定数字化路面条件下表现出车辆机械性能，悬架与数字路面系统之间非线性振动频率研究，阻尼效果分析，转向系统在极端情况下结构形变影响和关键节点材料本构关系，以及轮胎柔性形变问题。

特种机器人

特种用途和全天候条件车载模块化与自重构机器人，重点研究特种机器人系统的机构运动学和动力学相关问题，运动与路径规划，运动控制算法。在机器人传感与伺服控制方面主要使用加速度传感器（压电型和振荡型）和横摆角速度传感器（陀螺仪型）的选型测试，以及配合激光雷达和超声波测距仪开展运动控制方面的鲁棒性研究。

数字化平台（MSAM）建设始于2018年，目前以研究全地形载运工具和全天候特种机器人为主，拥有素模构建完整技术，采用双向建模过程设计，优化研究对象的几何关系、载荷、运动和受力约束、多目标优化等工程问题，为机械系统模型构建过程设计提供依据，也研究微重环境条件下载运工具和特种机器人工况性能。

关键词：多物理场；机械系统建模；数字化地形；载运工具；特种机器人；

 

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多物理场机械系统模型数字化仿真试验平台（MSAM）开发者

 

 

英文原稿：Technical Description of Multi-physical Field Mechanical System Model Digital Simulation Test Platform (MSAM)

Simplified Chinese：多物理场机械系统模型数字化仿真试验平台（MSAM）技术

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