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机械系统设计建模与仿真主讲人：张玉华机械工程学院车辆工程系

教学安排01计划学时48其中20学时实验02教材：机械系统设计建模与仿真（兼上机实验指导书）03张玉华主编04上课时间：1~19周20周考试05实验安排：实验1ADAMS基本操作第14周06实验2几何建模与参数化第15周07实验3机构约束与施加载荷第16周08实验4编辑样机模型第17周09实验5样机仿真分析第18周10地点：机械楼2层CAD中心胡老师指导

上课要点上课精力集中，认真思考认真做好笔记，按时完成作业遵守课堂纪律（不迟到，不早退，不开手机）

第一章绪论1．1机械系统的设计1．2多刚体系统动力学1．3牛顿-欧拉方法1．4虚拟样机技术

1．1机械系统的设计机器传动机构零件01单缸内燃机02

牛头刨床机器传动机构零件Q1Q2Q3Q4

机器、机构、机械系统机构：是由两个以上具有相对运动的构件组成的系统，机构的作用在于传递运动或改变运动的形式。机器：是由若干机构组成的系统。例如，内燃机包含曲柄滑块机构、齿轮机构和控制进气与排气的凸轮机构。机械系统：是机构与机器的总称。它由许多构件和零件组成。

构件与零件的区别构件：组成机构的各个相对运动部分称为构件。构件可以是单一的整体，也可以是几个元件的刚性组合。零件：组成构件的元件则称为零件。构件是运动的单元；零件是制造的单元。

机械系统设计的基本问题01添加标题机械系统设计的基本问题是机构的综合、运动学和动力学分析与设计。02添加标题机构综合着重研究创造性构思、发明、创新设计新机构的理论和方法。03添加标题而机构的运动学和动力学分析，一方面是用于现有机械系统的性能分析与改进，另一方面是为机构的综合提供理论依据。因而它们是机械系统设计中重点研究的内容，也是本书要重点介绍的内容。

本课程的任务熟悉多刚体系统动力学的基本概念、基本理论，掌握建立机构的运动分析和动力分析数学模型的方法。以多刚体系统动力学为理论指导，虚拟样机技术为设计手段，研究机械系统的建模方法。熟悉ADAMS软件的基本操作，掌握机械系统虚拟样机的建模和仿真分析方法，提高机械系统的设计质量，提高机械产品的性能，提高自主知识产权产品的核心竞争力。

1．2多刚体系统动力学关于刚体的假设是不考虑物体的变形。但是物体总是有变形的，而物体的变形对系统的运动也是有影响的，有时则有决定性的影响，因此，严格地讲．多刚体系统应为多体系统即柔性体系统。目前，国内外已从多刚体系统的研究扩展到多体系统(包括柔体系统)的研究。但是，在某些情况，比如构件的变形很小，且构件的变形对系统的动力学特性影响不大，仍然可以将这类系统视为多刚体系统。我们仅研究多刚体系统并以此作为研究多体系统动力学的基础。单击此处添加小标题工程中的机械系统大多由许多构件组成，研究这些复杂系统时，往往可以将构成系统的各构件简化为刚体，而刚体之间靠运动副连接，从而得到“多刚体系统”。单击此处添加小标题例如自行车、曲柄滑块机构、汽车中的转向机构、飞机的起落架、工业机器人等单击此处添加小标题说明：单击此处添加小标题

运动副连接构件的运动副，可以是圆柱铰链(两刚体之间有一个相对转动的自由度)，万向联轴节(两个相对转动自由度)，球铰(三个相对转动的自由度)，也可以是其它形式的运动学约束(如棱柱形约束允许一个相对滑动的自由度)，甚至没有物理意义上的运动学约束，而只有力的作用(如弹簧连接)，即所谓的广义铰。

多刚体系统类型如果系统中任意两刚体之间都只有一个通路存在，则称系统为树状结构，图中的(a)、(c)。如果系统中至少有两个刚体之间存在两个(或更多的)通路，则称系统为非树状结构，图中的(b)，这时，从Bi到Bj的两个通路构成一个闭合链。多刚体系统从结构上可以分为两类：树状结构和非树状结构。两类结构的区分取决于“通路”的概念。

多刚体系统结构示例机械系统中，机械手，空间飞行器以及人体步行时的摆动相都可以视为树状结构系统。自行车、曲柄滑块机构以及人体站立时的支撑相则可视为非树状结构系统。

树状结构的分类树状结构是研究多体系统动力学的基础，因为任何非树状结构均可将其闭合链打开加上某些附加约束而视为树状结构。树状结构又可以分为两类：系统中某刚体(编号为B1)与一运动已知的刚体(通常称之为基座，编号为B0)相铰接，此类称为有根树。典型的如工业机械手。系统中任一刚体都不与基座相连．此类称为悬空树。如卫星、腾空的运动员等。

多刚体动力学的特点多刚体动力学的研究内容同样也分为运动学和动力学两部分，与经典力学的区别之处在于多刚体系统是十分复杂的系统，其自由度数大，且