一种支持CAD模型导入与网格划分的刚柔耦合多体动力学通用化仿真方法技术

本发明专利技术是一种支持CAD模型导入与网格划分的刚柔耦合多体动力学通用化仿真方法。本发明专利技术涉及计算机仿真领域，本发明专利技术将已有三维模型导出为含有位置信息的.STL格式文件，用于刚体部分的描述，并用URDF模型引用；针对柔性体部分使用Gmsh进行网格划分，生成.msh模型文件；用.msh模型文件将URDF模型中的刚体部分进行替换；在MBDyn的.mbs配置文件中进行刚柔耦合处理以及模型调用，同时可以施加驱动；将.mbs配置文件导入MBDyn中进行多体动力学仿真，生成仿真动画，输出仿真结果。本发明专利技术利用Gmsh对柔性体部分进行网格划分，而不影响刚性体结构部分，最后同时输入求解器进行计算，做到了合理高效的刚柔划分与刚柔耦合。高效的刚柔划分与刚柔耦合。高效的刚柔划分与刚柔耦合。

【技术实现步骤摘要】
一种支持CAD模型导入与网格划分的刚柔耦合多体动力学通用化仿真方法


[0001]本专利技术涉及计算机仿真领域，涉及基于CAD模型和GMSH网格划分的多体系统刚柔耦合，指定输入驱动力矩下的动力学仿真，是一种支持CAD模型导入与网格划分的刚柔耦合多体动力学通用化仿真方法。

技术介绍

[0002]自上世纪70年代以来，在航天器、机器人和高速精密机构等众多工程领域陆续出现了结构尺寸大、重量轻、刚度小以及运行速度高的复杂机械系统，并提出了高性能、高精度的设计要求。以直升机系统为例，其主旋翼同时具备柔性大变形、连续旋转等运动特性，而其机体等结构主要以刚体为主，这就要求在仿真中能够同时考虑刚形体和柔性体的特性，需要设计一种刚柔耦合的多体系统动力学仿真方法。
[0003]研究与实验结果表明，传统的单独基于多刚体或柔性体系统动力学的仿真结果已经不能满足此类系统的仿真要求，难以模拟真实情况。而一些现有的仿真方案又往往存在建模复杂、耦合困难的问题。
[0004]综上所述，本专利技术基于多体动力学仿真软件MBDyn，利用开源网格划分工具Gmsh，提出一种支持CAD模型导入的多体动力学通用仿真方法。首先从CAD软件导出.STL格式模型；然后通过Gmsh软件将特定的需要柔性化处理的零部件结构进行网格划分，生成.msh文件并将原有.STL刚性体文件替换；最后将前处理模型导入MBDyn中进行动力学仿真，从而达到便捷高效地处理刚柔耦合多体动力学仿真问题的目的。
[0005]当前国内的多体动力学软件专用性强，往往是针对特定模型而设计，不能灵活处理各种多体模型，通用性不高。而且在多刚体与柔性体的耦合仿真中，现有方案通常不能有效针对同时存在大变形与大角度旋转的运动进行求解，对于直升机旋翼这种结构解算不合理。刚性体与柔性体耦合的高效性、便捷性也是亟待解决的问题之一。国内科研机构需要一种安全可靠、自主可控的多体动力学通用化仿真方法，摆脱对国外主流商业软件的依赖。

技术实现思路

[0006]本专利技术为克服现有技术的不足，本专利技术提供了一种支持CAD模型导入与网格划分的刚柔耦合多体动力学通用化仿真方法，本专利技术提供了以下技术方案：
[0007]一种支持CAD模型导入与网格划分的刚柔耦合多体动力学通用化仿真器，所述仿真器包括：
[0008]三维导出模块，所述三维导出模块将已有三维模型导出为含有位置信息的.STL格式文件，用于刚体部分的描述，并用URDF模型引用；
[0009]网格划分模块，所述网格划分模块针对柔性体部分使用Gmsh进行网格划分，生成.msh模型文件；
[0010]替换模块，所述替换模块用.msh模型文件将URDF模型中的刚体部分进行替换；
[0011]调用模块，所述调用模块在MBDyn的.mbs配置文件中进行刚柔耦合处理以及模型调用，同时可以施加驱动；
[0012]仿真模块，所述仿真模块将.mbs配置文件导入MBDyn中进行多体动力学仿真，生成仿真动画，输出仿真结果。
[0013]优选的，所述三维导出模块针对任意多体系统进行模型导出，导出为通用格式供MBDyn仿真调用。
[0014]优选的，所述网格划分模块将需要柔性化的部分单独处理，刚性结构保持刚体模型。
[0015]优选的，替换模块将URDF中的刚性体部分删除，避免仿真中的结构冗余。
[0016]优选的，调用模块将刚性体部分与柔性体部分统一在配置文件中调用，并进行耦合处理，都到用于仿真的标准化模型。
[0017]优选的，仿真模块进行多体系统动力学的计算，得到输入输出关系与仿真动画，仿真结果可用于后处理。
[0018]一种支持CAD模型导入与网格划分的刚柔耦合多体动力学通用化仿真方法，包括以下步骤：
[0019]步骤1：将已有三维模型导出为含有位置信息的.STL格式文件，用于刚体部分的描述，并用URDF模型引用；
[0020]步骤2：针对柔性体部分使用Gmsh进行网格划分，生成.msh模型文件；
[0021]步骤3：用.msh模型文件将URDF模型中的刚体部分进行替换；
[0022]步骤4：在MBDyn的.mbs配置文件中进行刚柔耦合处理以及模型调用，同时可以施加驱动；
[0023]步骤5：将.mbs配置文件导入MBDyn中进行多体动力学仿真，生成仿真动画，输出仿真结果。
[0024]优选地，所述步骤1具体为：在三维建模中进行URDF模型的连接名称、关节名称、坐标系、坐标轴、运动副类型参数的定义，设置完成后导出文件夹，其中urdf子文件夹下是含有URDF模型描述的.urdf文件，meshes子文件夹下是包含模型位置信息的.STL三维模型文件。
[0025]优选地，所述步骤2将步骤1中建立的刚体模型中需要柔性化的部分单独处理，刚性结构保持刚体模型不变；为了准确描述大变形柔性体的变形场，采用绝对节点坐标方法，引入全局位置矢量及其梯度作为节点坐标，避开了传统有限元方法中小转角的限制，描述任意的平动、转动和变形。
[0026]一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机程序，当所述处理器运行所述存储器存储的计算机程序时，所述处理器执行一种支持CAD模型导入与网格划分的刚柔耦合多体动力学通用化仿真方法。
[0027]本专利技术具有以下有益效果：
[0028]本专利技术提出一种支持CAD模型导入与网格划分的刚柔耦合多体动力学通用化仿真方法，可以有效针对各种刚柔耦合多体系统进行有效处理，可以导入各种CAD模型，通用性强。
[0029]本专利技术利用Gmsh对柔性体部分进行网格划分，而不影响刚性体结构部分，最后同
时输入求解器进行计算，做到了合理高效的刚柔划分与刚柔耦合。
[0030]本专利技术利用MBDyn软件进行仿真计算，有效摆脱了对国外多体动力学仿真软件的依赖，提升了国产化程度，注重自主知识产权，提升了软件安全性。
附图说明
[0031]图1直升机CAD模型；
[0032]图2主旋翼Gmsh网格划分；
[0033]图3MBDyn输入界面；
[0034]图4MBDyn仿真动作序列；
[0035]图5.STL格式模型文件；
[0036]图6模型调用与刚柔耦合配置；
[0037]图7四面体模型体积坐标；
[0038]图8四面体单元家族。
具体实施方式
[0039]以下结合具体实施例，对本专利技术进行了详细说明。
[0040]具体实施例一：
[0041]根据图1至图8所示，本专利技术为解决上述技术问题采取的具体优化技术方案是：本专利技术涉及一种支持CAD模型导入与网格划分的刚柔耦合多体动力学通用化仿真方法。
[0042]一种支持CAD模型导入与网格划分的刚柔耦合多体动力学通用化仿真器，所述仿真器包括：
[0043]三维导出模块，所述三维导出模块将已有三维模型导出为含有位置信息的.STL格式文件，用于刚体部分的描述，并用U本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种支持CAD模型导入与网格划分的刚柔耦合多体动力学通用化仿真器，其特征是：所述仿真器包括：三维导出模块，所述三维导出模块将已有三维模型导出为含有位置信息的.STL格式文件，用于刚体部分的描述，并用URDF模型引用；网格划分模块，所述网格划分模块针对柔性体部分使用Gmsh进行网格划分，生成.msh模型文件；替换模块，所述替换模块用.msh模型文件将URDF模型中的刚体部分进行替换；调用模块，所述调用模块在MBDyn的.mbs配置文件中进行刚柔耦合处理以及模型调用，同时可以施加驱动；仿真模块，所述仿真模块将.mbs配置文件导入MBDyn中进行多体动力学仿真，生成仿真动画，输出仿真结果。2.根据权利要求1所述的一种支持CAD模型导入与网格划分的刚柔耦合多体动力学通用化仿真器，其特征是：所述三维导出模块针对任意多体系统进行模型导出，导出为通用格式供MBDyn仿真调用。3.根据权利要求2所述的一种支持CAD模型导入与网格划分的刚柔耦合多体动力学通用化仿真器，其特征是：所述网格划分模块将需要柔性化的部分单独处理，刚性结构保持刚体模型。4.根据权利要求3所述的一种支持CAD模型导入与网格划分的刚柔耦合多体动力学通用化仿真器，其特征是：替换模块将URDF中的刚性体部分删除，避免仿真中的结构冗余。5.根据权利要求4所述的一种支持CAD模型导入与网格划分的刚柔耦合多体动力学通用化仿真器，其特征是：调用模块将刚性体部分与柔性体部分统一在配置文件中调用，并进行耦合处理，都到用于仿真的标准化模型。6.根据权利要求5所述的一种支持CAD模型导入与网格划分的刚柔耦合多体动力学通用化仿真器，其特征是：仿真模块进行多体系统动力学的计算，得到输入输出关系与仿真动画，仿真结果可用于后处理。7.一种基于URDF的机器人动力学与控制通用仿真方法，所...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏承，程天明，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：