同元软控专业模型库系列——机械篇-编程知识

01 引言

卫星太阳帆在轨展开、C919大飞机起飞降落、机器人自主行走、汽车自如转向飞驰......在航天、航空、工业机械、车辆、船舶等众多行业中，我们可以看到各种机械应用的身影。

近些年，随着装备数字化和人工智能技术的迅速发展，世界装备制造业已经进入了数字化时代。数字化时代的装备研制，迫切需要机械、电气、流体、热力学等多个专业领域的统一建模与仿真。正如古语云：“工欲善其事，必先利其器。”数字化已经成为新时代装备研制的利器。在这个过程中，各专业领域模型是数字化的核心，其中机械模型是需求最大、应用最广的基础模型。一个精准、完整的机械模型，对于系统建模仿真软件至关重要。

伴随着新一代自主科学计算与系统建模仿真平台MWORKS 2024a的发布，同元软控专业模型库家族的机械专业模型库也带来了一波全面优化更新。MWORKS.Sysplorer 2024a平台包含7个机械模型库：

接下来，带大家了解这7个机械模型库！

02 模型产品介绍

针对航空航天、工程机械、汽车、船舶、装备制造等行业的机械模型需求，同元软控模型产品团队基于Modelica语言推出7个机械模型库，能够满足对1D、2D以及3D系统的建模仿真需求，实现对多行业应用场景的运动行为模拟、机械传动系统分析、三维系统可视化显示以及多体系统和刚柔耦合系统动力学响应计算等。

△ 机械模型库在各行业的应用场景

MWORKS 2024a版本中，所有的机械模型库均依赖于Modelica标准库3.2.3，各库之间的依赖关系如下图所示：

△ 机械模型库层级

2.1 功能简介

前面对机械模型库进行了整体描述，下面介绍各个模型库有哪些功能：

1. 基础机械模型库-TYMechanics

基础机械模型库包含一维平动机械模型和一维转动机械模型，用于基础机械力学特性建模仿真，提供可变质量与可变转动惯量、非线性弹簧阻尼、多种接触和摩擦、理想齿轮、齿轮齿条等力学模型。

基础机械模型库满足工程领域对各种机械力学特性，包括线性、非线性和时变特性的建模需求，可应用于各类机电系统建模仿真和各种性能分析，例如车辆、工业装备中的各类直线驱动或减速器传动系统的性能分析。

2. 传动系统模型库-TYDriveline

传动系统模型库是在一维基础机械模型库基础上开发的，是面向传动系统建模仿真的专用模型库，包含机构、内燃机、齿轮、连接器、刹车、传动附件、执行器、绳索、激励源 9 类传动模型共78个元件。

传动系统模型库覆盖车辆、船舶、航空航天、工程机械、装备制造等行业的传动系统模型需求，提供不同颗粒度等级模型，可以实现对机械传动系统多种详细特性的分析和改进需求，例如振动冲击、传动精度、动态载荷、传动效率等性能。

注：旧版本传输模型组件（TYTransmission）已并入到传动系统模型库中。

3. 柔性体模型库-TYFlexBody

柔性体模型库包括柔性体、模态梁、读取 Mnf 文件信息组件等模型，适用于部分变形不可忽略构件的多体动力学系统的建立，结合机械多体系统模型库，可满足各种场景刚柔耦合系统建模需求。

柔性体模型库可用于航空航天、车辆船舶、工程机械等领域，支持用户在刚柔耦合系统中的方案设计、系统集成阶段的动态特性仿真分析，模拟其中柔性体的物理特性，典型的应用场景包括：工程机械混凝土泵车臂架刚柔耦合仿真、航天器卫星帆板刚柔耦合仿真、车辆动力学刚柔耦合仿真、航空起落架刚柔耦合仿真、机器人运动控制刚柔耦合仿真。

4. 接触模型库-TYContact

接触模型库包括球体、圆柱体、圆锥体、平面等常用刚体的接触元件，可以模拟不同刚体间的点接触和线接触功能，满足各种场景中机械接触元件的接触状态检测和接触力计算需求。其作为产品货架体系中一款专业基础库，是机械多体库的功能扩展，研究和解决机械接触领域中的接触状态和接触力的问题。

接触模型库的典型应用场景包括：机械臂夹取物体的接触仿真、机械加工中的接触材料特性分析、以及常用机械的接触仿真。

5. 多体系统模型库-TYMultibody

多体系统模型库是通用的三维多刚体系统建模仿真模型库，应用于多体动力学和复杂多领域系统的运动学和动力学分析，包含各种刚体、柔性梁、关节副、约束、力和传感器模型。

多体系统模型库可应用于车辆、船舶、航空航天、工程机械等专业领域，满足对多体动力学系统的动态特性分析和性能优化需求。常见的典型案例有：工业机器人运动精度、动态载荷以及振动特征等进行分析；飞机起落架系统机械运动控制及动力学分析等。

6. 三维传动系统模型库-TYDriveline3D

三维传动系统模型库是一个集合了各种机械传动部件建模仿真模型库，应用于三维传动系统的运动模拟和动力学分析，包括理想绳索、弹簧质量绳索、绳索质量点、滑轮、绞盘和固定约束边界等模型。

三维传动系统模型库可用于航空航天、车辆船舶、工程机械等领域机械传动系统的设计、仿真以及优化，例如大型移动吊车的运动模拟、验证绳索滑轮传动系统的动力学特性等，满足对三维传动系统动态载荷计算和效率提升需求。

7. 平面机械模型库-TYMechanics2D

平面机械模型库，包括多种力源、平面环境重力、平面组件、运动副、传感器等模型。模型支持三个自由度设置，包括沿 x 和 y 轴向的平移以及绕 z 轴的旋转。模型元素可在 3D 视图中进行动画演示。

平面机械模型库可应用于各类平面运动机械的系统设计和运动学及动力学仿真分析，例如挖掘机机械臂模型设计和系统运动学分析、车辆悬架系统振动特性分析等，用户可根据实际需求搭建高粒度平面机械模型及系统模型。

2.2 模型库亮点

1. 亮点一览

模型库	亮点描述
基础机械模型库	1.支持对变质量、非线性或受控弹簧阻尼等各种时变力学特性的平动、转动系统建模仿真；2.支持多种摩擦特性和有间隙模型的建模仿真。
传动系统模型库	1.有丰富的传动系统组件，支持完整传动系统的建模仿真和性能分析；2.支持发动机曲轴动力学系统建模仿真。
柔性体模型库	1.能够对各种构型的柔性体进行描述，具有分布力和预载荷功能，适用于多场景、多工况的刚柔耦合系统与仿真；2.涵盖变形、最大主应力/变、等效应力/变等20种应力应变计算，满足对柔性结构强度校核的需求；3.支持变形、应力和应变等场变量的云图可视化，便于用户进行柔性结构优化设计。
接触模型库	1.提供不同刚体间的接触计算功能，如球、圆柱、圆锥、平面等常用刚体的接触碰撞模拟功能；2.可模拟机器人系统和机械制造中接触瞬间的摩擦力和接触力状态；3.模型为通用刚体接口，和多体模型库有良好的兼容性，可以扩展多体系统库的使用范围。
多体系统模型库	1.覆盖机械多体系统常用模型元件，能够满足用户对复杂机械系统与“非树”多体系统的快速设计与仿真验证；2.含有变质量刚体模型，支持对变质量系统的动态特性分析；3.提供各类截面柔性梁模型，可实现对基于Euler- Bernoulli梁模型建立的机械弹性系统精准建模。
三维传动系统模型库	1.提供大量三维绳索传动系统组件，可实现绳索滑轮系统快速建模和对绳索系统的张力控制功能；2.支持后处理可视化显示，能够对绳索滑轮系统的绳索张力和滑轮转动状态进行实时监测。
平面机械模型库	1.系统方程自由度更少，系统模型计算效率快，适用于各类平面运动机械系统的设计；2.支持后处理动画显示，模型元素能够在3D 视图中动画化。

下面是机械模型库中几个简单的应用场景：

2. 模型资源丰富

机械模型库中提供了丰富的模型元件和组件，如下图所示，覆盖了机械系统常用的应用场景，例如传动系统模型库V2.0.0包含各类常用机构、激励、齿轮等模型，支持对凸轮挺柱传动、曲柄连杆结构等组成的运动机构以及高精密传动系统进行建模仿真，满足用户对发动机的气缸燃烧激励和多个气缸活塞组成发动机曲轴动力学系统进行建模仿真需求。

3. 模型统一标准

在MWORKS 2024a版本中，模型图标风格统一；并且模型的帮助文档十分全面，机械模型库为每个模型配备详细的模型帮助文档，包括：模型功能描述、模型接口定义、模型参数、模型变量、模型原理以及参考文献等，辅助用户快速理解模型的功能、原理和用途，实现快速掌握和建模应用。

03 典型案例展示

那么，同元软控机械模型库具体能够仿真模拟哪些场景，以及能够计算分析哪些案例呢？

机械模型库的应用场景主要有：

1）复杂系统运动控制及动力学分析

2）完整传动系统的建模仿真和性能分析

3）设计优化刚性元件接触特性

4）刚柔耦合系统变形应力应变计算

5）机械专业中各系统示教培训

下面，为大家介绍机械模型库的3个具体应用案例。

3.1 推土机作业仿真

使用多体系统模型库和基础机械模型库，可以快速建立如图所示的包含关节驱动和各刚体零部件（车身、推土铲、推杆等）在内的推土机的多体动力学分析模型，并对该系统进行运动轨迹规划、动态载荷计算分析等，能够有效提高推土机的设计研发效率和技术创新能力。

△ 推土机系统模型

3.2 柔性机械臂捕捉动态模拟

柔性体机械臂是一种利用柔性材料和结构实现运动和操作的机械臂系统。柔性体机械臂的特点是具有高度的柔性和可塑性，可以适应不同的工作环境和工作任务。使用柔性体模型库、多体系统模型库以及基础机械模型库，可以快速建立如图所示的包含柔性机械臂和各刚体支臂在内的工业机械臂多体动力学分析模型，并对该系统进行运动轨迹规划、柔性臂的变形计算以及柔性臂的应力应变计算分析等，可以指导机械臂的结构强度校核、以及对机器人末端执行器运动精度和稳定性进行分析和优化等等。

△ 柔性机械臂系统模型

△ 柔性臂仿真动画

△ 机械爪的运动曲线

3.3 绳索传动张紧控制分析

绳索滑轮回路系统是较为常见的机械传动系统，在绳索传动的过程中，会出现绳索松弛的现象，导致绳索系统的动力传递效率降低，需要增加张力控制器，防止绳索脱落和打滑，进而确保系统正常运行。使用三维传动系统模型库、多体系统模型库以及基础机械模型库，可以快速建立如图所示的包含滑轮、弹性绳索等传动部件的绳索滑轮系统动力学分析模型，通过对传动系统中绳索张力的监测，可以通过张力控制器调节绳索系统中的张力，确保绳索传动系统的各部件符合设计要求，对该系统合理设计和优化，指导有效提升机械传动性能和效率，以及提高系统的安全性和可靠性。

△ 松弛绳索传动系统仿真结果

△ 张紧绳索传动系统仿真结果

04 总结

本文主要介绍了同元软控机械专业模型库的基本内容，更多的模型功能欢迎大家下载MWORKS发掘和体验。同元软控机械模型库的使用、二次开发及常见问题请参见机械模型库用户手册（用户手册在产品配套材料中获取）。

对于专业建模人员来说，同元软控机械模型库能够为您提供丰富的模型组件，提升建模仿真效率，避免重复建模造成浪费；对于机械建模兴趣爱好者来说，能够帮助您更好理解机械模型的相关原理，降低学习成本和入门门槛。

目前，同元软控机械模型库中的一部分是初次发布，尽管尚存一些待改进之处，我们还是诚挚地邀请大家积极试用，并通过您的反馈助力我们不断完善模型产品。我们期待同元软控机械模型库在未来的项目应用和科研探索中能够蓬勃发展，为众多工程项目的推进提供坚实的支持，并为广大的机械建模与仿真爱好者搭建一个卓越的学习与交流平台！