多体动力学仿真软件：GT-SUITE_（6）.多体系统建模方法
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多体系统建模方法
1. 多体系统建模概述
作为多体动力学仿真软件的关键技术之一，在实际应用中发挥着核心作用的是多体系统建模技术。该技术主要涉及对复杂机械系统的分段处理以及利用关节、约束与作用力等元素进行有机组合以实现功能连接。其目的是全面模拟不同工作条件下的动态特性。在GT-SUITE平台中不仅支持图形化操作界面还提供了编程开发接口让用户能够根据需求构建更为复杂的建模方案以满足特定应用场景的需求。本章旨在介绍多体系统建模的基本概念与实现方法并通过具体案例深入分析如何利用GT-SUITE平台完成复杂系统的建模工作
1.1 刚体和柔体
在多体系建模过程中, 刚性单元与柔性单元构成了系统的基石. 刚性单元特指那些在运动过程中始终保持原有形态不变的物体, 不会发生任何形变. 柔性单元则具备能够在外界作用下发生形变的特点. GT-SUITE软件功能强大, 具备对刚性单元与柔性单元进行建模的能力, 用户可根据实际需求灵活选择相应的模型类型.
1.2 关节和约束
关节和约束用于连接刚体与柔体并定义其间的相对运动及约束条件
1.3 力和力矩
推动多体系统运动的核心要素是力与力矩。在GT-SUITE软件平台中可以通过多种方法来定义和施加于物体上的力量与矩。这些力量与矩可以应用于刚性或柔性物体以模拟复杂的动力学行为。
2. 刚体建模
2.1 刚体的定义
在GT-SUITE中，刚体可以通过以下步骤定义：
创建刚体对象。
定义刚体的几何形状。
设置刚体的物理属性，如质量、惯性矩等。
2.2 刚体的几何形状
刚体的几何形状可以通过多种方式定义，包括：
导入CAD模型 ：用户可以将外部CAD软件生成的模型导入到GT-SUITE中。
采用内建几何模型系统
2.2.1 导入CAD模型
<!-- 导入CAD模型 -->
<Geometry>
<CAD>
<FilePath>C:\path\to\your\cad\model.stp</FilePath>
<Scale>1.0</Scale>
<Position>0.0 0.0 0.0</Position>
<Orientation>1.0 0.0 0.0 0.0</Orientation>
</CAD>
</Geometry>2.2.2 使用内置几何模型
<!-- 使用内置几何模型 -->
<Geometry>
<Cuboid>
<Length>1.0</Length>
<Width>0.5</Width>
<Height>0.3</Height>
<Position>0.0 0.0 0.0</Position>
<Orientation>1.0 0.0 0.0 0.0</Orientation>
</Cuboid>
</Geometry>2.3 刚体的物理属性
刚体的物理属性涉及质量参数、转动惯量以及质心坐标等。这些属性可通过下述设定来实现。
直接在模型中定义 ：在XML文件中直接设置物理属性。
通过脚本定义 ：使用Python脚本动态设置物理属性。
2.3.1 直接在模型中定义物理属性
<!-- 定义刚体的物理属性 -->
<RigidBody>
<Name>Body1</Name>
<Mass>10.0</Mass>
<Inertia>
<Ixx>1.0</Ixx>
<Iyy>1.0</Iyy>
<Izz>1.0</Izz>
<Ixy>0.0</Ixy>
<Ixz>0.0</Ixz>
<Iyz>0.0</Iyz>
</Inertia>
<CenterOfMass>0.0 0.0 0.0</CenterOfMass>
</RigidBody>2.3.2 通过脚本定义物理属性
# Python脚本设置刚体的物理属性
import gts
def set_rigid_body_properties(body_name, mass, inertia, center_of_mass):
"""
设置刚体的物理属性
:param body_name: 刚体名称
:param mass: 质量
:param inertia: 惯性矩
:param center_of_mass: 质心位置
"""
body = gts.get_object(body_name)
body.set_mass(mass)
body.set_inertia(inertia)
body.set_center_of_mass(center_of_mass)
# 示例：设置刚体Body1的属性
set_rigid_body_properties('Body1', 10.0, [1.0, 1.0, 1.0, 0.0, 0.0, 0.0], [0.0, 0.0, 0.0])3. 柔体建模
3.1 柔体的定义
变形体被定义为在外力作用下能够发生形变的物体。在GT-SUITE中，变形体按照以下方式定义：首先确定分析模型；然后选择合适的材料模型；接着应用相应的边界条件；最后设置求解参数。
创建柔体对象。
定义柔体的几何形状。
设置柔体的材料属性，如弹性模量、泊松比等。
3.2 柔体的几何形状
柔体的几何形状也可以通过导入并结合CAD模型或采用内置几何模型来定义；以下则是一些常见的柔体几何定义方法。
3.2.1 导入CAD模型
<!-- 导入CAD模型 -->
<Geometry>
<CAD>
<FilePath>C:\path\to\your\cad\model.stp</FilePath>
<Scale>1.0</Scale>
<Position>0.0 0.0 0.0</Position>
<Orientation>1.0 0.0 0.0 0.0</Orientation>
</CAD>
</Geometry>3.2.2 使用内置几何模型
<!-- 使用内置几何模型 -->
<Geometry>
<Cuboid>
<Length>1.0</Length>
<Width>0.5</Width>
<Height>0.3</Height>
<Position>0.0 0.0 0.0</Position>
<Orientation>1.0 0.0 0.0 0.0</Orientation>
</Cuboid>
</Geometry>3.3 柔体的材料属性
材料的柔韧性能包括弹性模量、泊松比和密度等关键指标。这些性能可通过指定参数值来配置
直接在模型中定义 ：在XML文件中直接设置材料属性。
通过脚本定义 ：使用Python脚本动态设置材料属性。
3.3.1 直接在模型中定义材料属性
<!-- 定义柔体的材料属性 -->
<FlexibleBody>
<Name>Body2</Name>
<Material>
<YoungsModulus>200.0</YoungsModulus>
<PoissonsRatio>0.3</PoissonsRatio>
<Density>7800.0</Density>
</Material>
</FlexibleBody>3.3.2 通过脚本定义材料属性
# Python脚本设置柔体的材料属性
import gts
def set_flexible_body_properties(body_name, youngs_modulus, poisson_ratio, density):
"""
设置柔体的材料属性
:param body_name: 柔体名称
:param youngs_modulus: 弹性模量
:param poisson_ratio: 泊松比
:param density: 密度
"""
body = gts.get_object(body_name)
body.set_material_properties(youngs_modulus, poisson_ratio, density)
# 示例：设置柔体Body2的属性
set_flexible_body_properties('Body2', 200.0, 0.3, 7800.0)4. 关节建模
4.1 关节的定义
关节作为连接刚体与刚体、刚体与柔体以及柔体与柔体的元素，在机械系统中被用来定义各部分之间的相对运动关系
创建关节对象。
设置关节的类型。
定义关节的连接点和轴向。
4.2 旋转关节
该系统能够实现两个体在指定轴上的相对运动能力。下面展示了一个用于描述这种运动关系的具体数学模型：
4.2.1 XML定义
<!-- 定义旋转关节 -->
<Joint>
<Name>Joint1</Name>
<Type>Revolute</Type>
<Body1>Body1</Body1>
<Body2>Body2</Body2>
<Position>0.0 0.0 0.0</Position>
<Axis>0.0 0.0 1.0</Axis>
</Joint>4.2.2 Python脚本定义
# Python脚本定义旋转关节
import gts
def create_revolute_joint(name, body1, body2, position, axis):
"""
创建旋转关节
:param name: 关节名称
:param body1: 第一个刚体/柔体名称
:param body2: 第二个刚体/柔体名称
:param position: 关节位置
:param axis: 关节轴向
"""
joint = gts.create_joint(name, 'Revolute')
joint.set_bodies(body1, body2)
joint.set_position(position)
joint.set_axis(axis)
# 示例：创建旋转关节Joint1
create_revolute_joint('Joint1', 'Body1', 'Body2', [0.0, 0.0, 0.0], [0.0, 0.0, 1.0])4.3 平移关节
平移关节具备两个体在指定轴上进行平行移动的功能。例如下面是一个平移关节的定义：
4.3.1 XML定义
<!-- 定义平移关节 -->
<Joint>
<Name>Joint2</Name>
<Type>Prismatic</Type>
<Body1>Body1</Body1>
<Body2>Body2</Body2>
<Position>0.0 0.0 0.0</Position>
<Axis>0.0 1.0 0.0</Axis>
</Joint>4.3.2 Python脚本定义
# Python脚本定义平移关节
import gts
def create_prismatic_joint(name, body1, body2, position, axis):
"""
创建平移关节
:param name: 关节名称
:param body1: 第一个刚体/柔体名称
:param body2: 第二个刚体/柔体名称
:param position: 关节位置
:param axis: 关节轴向
"""
joint = gts.create_joint(name, 'Prismatic')
joint.set_bodies(body1, body2)
joint.set_position(position)
joint.set_axis(axis)
# 示例：创建平移关节Joint2
create_prismatic_joint('Joint2', 'Body1', 'Body2', [0.0, 0.0, 0.0], [0.0, 1.0, 0.0])4.4 球形关节
该连接点处可自由旋转的球形关节允许两个体连接。例如，在下面的部分中将详细阐述球形关节的具体定义。例如，在下面的部分中将详细阐述球形关节的具体定义。
4.4.1 XML定义
<!-- 定义球形关节 -->
<Joint>
<Name>Joint3</Name>
<Type>Spherical</Type>
<Body1>Body1</Body1>
<Body2>Body2</Body2>
<Position>0.0 0.0 0.0</Position>
</Joint>4.4.2 Python脚本定义
# Python脚本定义球形关节
import gts
def create_spherical_joint(name, body1, body2, position):
"""
创建球形关节
:param name: 关节名称
:param body1: 第一个刚体/柔体名称
:param body2: 第二个刚体/柔体名称
:param position: 关节位置
"""
joint = gts.create_joint(name, 'Spherical')
joint.set_bodies(body1, body2)
joint.set_position(position)
# 示例：创建球形关节Joint3
create_spherical_joint('Joint3', 'Body1', 'Body2', [0.0, 0.0, 0.0])5. 约束建模
5.1 约束的定义
运动学上的自由度受限于多个因素的影响，在多体系统中通常通过建立几何模型来限定其运动范围。
创建约束对象。
设置约束的类型。
定义约束的参数。
5.2 固定约束
固定约束能够确保两个刚体或柔体之间的相对位置和速度被固定。
其在模拟机械系统的固定连接部分时非常有用。
以下是一个固定约束的定义示例：
5.2.1 XML定义
<!-- 定义固定约束 -->
<Constraint>
<Name>Constraint1</Name>
<Type>Fixed</Type>
<Body1>Body1</Body1>
<Body2>Body2</Body2>
<Position>0.0 0.0 0.0</Position>
</Constraint>5.2.2 Python脚本定义
# Python脚本定义固定约束
import gts
def create_fixed_constraint(name, body1, body2, position):
"""
创建固定约束
:param name: 约束名称
:param body1: 第一个刚体/柔体名称
:param body2: 第二个刚体/柔体名称
:param position: 约束位置
"""
constraint = gts.create_constraint(name, 'Fixed')
constraint.set_bodies(body1, body2)
constraint.set_position(position)
# 示例：创建固定约束Constraint1
create_fixed_constraint('Constraint1', 'Body1', 'Body2', [0.0, 0.0, 0.0])5.3 齿轮约束
齿 轮 约 束 被 用 于 表 示 两 个 刚 体 间 的 精 确 齿 轮 啚 咚 运 动 学 关 系 。 这 种 约 束 在 工 程 实 练 中 得 到 了 广 泛 的 应 用 ， 其 典 型 应 用 包 括 模 拟 各 种 类 型 的 行 星 轮 系 及 其 驱 动 方 式 。
5.3.1 XML定义
<!-- 定义齿轮约束 -->
<Constraint>
<Name>Constraint2</Name>
<Type>Gear</Type>
<Body1>Body1</Body1>
<Body2>Body2</Body2>
<GearRatio>2.0</GearRatio>
<Position>0.0 0.0 0.0</Position>
<Axis>0.0 0.0 1.0</Axis>
</Constraint>5.3.2 Python脚本定义
# Python脚本定义齿轮约束
import gts
def create_gear_constraint(name, body1, body2, gear_ratio, position, axis):
"""
创建齿轮约束
:param name: 约束名称
:param body1: 第一个刚体/柔体名称
:param body2: 第二个刚体/柔体名称
:param gear_ratio: 齿轮比
:param position: 约束位置
:param axis: 约束轴向
"""
constraint = gts.create_constraint(name, 'Gear')
constraint.set_bodies(body1, body2)
constraint.set_gear_ratio(gear_ratio)
constraint.set_position(position)
constraint.set_axis(axis)
# 示例：创建齿轮约束Constraint2
create_gear_constraint('Constraint2', 'Body1', 'Body2', 2.0, [0.0, 0.0, 0.0], [0.0, 0.0, 1.0])5.4 距离约束
距离约束被用来限定两个刚体或柔体间的间距。此约束在模拟机械系统中的拉杆与弹簧等组件时表现突出。以下是一个距离约束的具体定义示例：
5.4.1 XML定义
<!-- 定义距离约束 -->
<Constraint>
<Name>Constraint3</Name>
<Type>Distance</Type>
<Body1>Body1</Body1>
<Body2>Body2</Body2>
<Distance>1.0</Distance>
<Position1>0.0 0.0 0.0</Position1>
<Position2>0.0 0.0 1.0</Position2>
</Constraint>5.4.2 Python脚本定义
# Python脚本定义距离约束
import gts
def create_distance_constraint(name, body1, body2, distance, position1, position2):
"""
创建距离约束
:param name: 约束名称
:param body1: 第一个刚体/柔体名称
:param body2: 第二个刚体/柔体名称
:param distance: 相对距离
:param position1: 第一个体的约束位置
:param position2: 第二个体的约束位置
"""
constraint = gts.create_constraint(name, 'Distance')
constraint.set_bodies(body1, body2)
constraint.set_distance(distance)
constraint.set_position1(position1)
constraint.set_position2(position2)
# 示例：创建距离约束Constraint3
create_distance_constraint('Constraint3', 'Body1', 'Body2', 1.0, [0.0, 0.0, 0.0], [0.0, 0.0, 1.0])6. 力和力矩建模
6.1 力和力矩的定义
驱动力与动量矩是多体系统运动的核心要素。在GT-SUITE软件中被设计为支持多样化的定义途径来描述这些物理量。这些物理量能够施加于固体或可变形物体上以揭示实际物理系统的动态行为特征。
6.2 重力
重力是由所有刚体和柔体施加的 force, 用于模拟 earth 或其他 celestial body 的 gravity effect. 例如, 在 physics 中, 一个 object 所受的 gravitational force 就是一种典型的 gravity 效应.
6.2.1 XML定义
<!-- 定义重力 -->
<Force>
<Name>Gravity</Name>
<Type>Gravity</Type>
<Acceleration>-9.81</Acceleration>
<Direction>0.0 0.0 -1.0</Direction>
</Force>6.2.2 Python脚本定义
# Python脚本定义重力
import gts
def create_gravity_force(name, acceleration, direction):
"""
创建重力力
:param name: 力名称
:param acceleration: 重力加速度
:param direction: 重力方向
"""
force = gts.create_force(name, 'Gravity')
force.set_acceleration(acceleration)
force.set_direction(direction)
# 示例：创建重力力Gravity
create_gravity_force('Gravity', -9.81, [0.0, 0.0, -1.0])6.3 弹簧力
弹簧力用于模拟弹性元件的力，如弹簧。以下是一个弹簧力的定义示例：
6.3.1 XML定义
<!-- 定义弹簧力 -->
<Force>
<Name>SpringForce</Name>
<Type>Spring</Type>
<Body1>Body1</Body1>
<Body2>Body2</Body2>
<SpringConstant>1000.0</SpringConstant>
<RestLength>1.0</RestLength>
<Position1>0.0 0.0 0.0</Position1>
<Position2>0.0 0.0 1.0</Position2>
</Force>6.3.2 Python脚本定义
# Python脚本定义弹簧力
import gts
def create_spring_force(name, body1, body2, spring_constant, rest_length, position1, position2):
"""
创建弹簧力
:param name: 力名称
:param body1: 第一个刚体/柔体名称
:param body2: 第二个刚体/柔体名称
:param spring_constant: 弹簧常数
:param rest_length: 静态长度
:param position1: 第一个体的力作用位置
:param position2: 第二个体的力作用位置
"""
force = gts.create_force(name, 'Spring')
force.set_bodies(body1, body2)
force.set_spring_constant(spring_constant)
force.set_rest_length(rest_length)
force.set_position1(position1)
force.set_position2(position2)
# 示例：创建弹簧力SpringForce
create_spring_force('SpringForce', 'Body1', 'Body2', 1000.0, 1.0, [0.0, 0.0, 0.0], [0.0, 0.0, 1.0])6.4 阻尼力
阻尼力用于模拟阻尼元件的力，如减震器。以下是一个阻尼力的定义示例：
6.4.1 XML定义
<!-- 定义阻尼力 -->
<Force>
<Name>DampingForce</Name>
<Type>Damping</Type>
<Body1>Body1</Body1>
<Body2>Body2</Body2>
<DampingCoefficient>10.0</DampingCoefficient>
<Position1>0.0 0.0 0.0</Position1>
<Position2>0.0 0.0 1.0</Position2>
</Force>6.4.2 Python脚本定义
# Python脚本定义阻尼力
import gts
def create_damping_force(name, body1, body2, damping_coefficient, position1, position2):
"""
创建阻尼力
:param name: 力名称
:param body1: 第一个刚体/柔体名称
:param body2: 第二个刚体/柔体名称
:param damping_coefficient: 阻尼系数
:param position1: 第一个体的力作用位置
:param position2: 第二个体的力作用位置
"""
force = gts.create_force(name, 'Damping')
force.set_bodies(body1, body2)
force.set_damping_coefficient(damping_coefficient)
force.set_position1(position1)
force.set_position2(position2)
# 示例：创建阻尼力DampingForce
create_damping_force('DampingForce', 'Body1', 'Body2', 10.0, [0.0, 0.0, 0.0], [0.0, 0.0, 1.0])7. 实例应用
7.1 简单机械臂建模
以下作为一个基本机械臂模型的简单示例所包含的内容涉及刚体结构、关节机制以及力分析的基础知识。这一实例着重说明了如何利用GT-SUITE软件平台构建多体系统模型
7.1.1 XML定义
<MultiBodySystem>
<RigidBody>
<Name>Base</Name>
<Mass>10.0</Mass>
<Inertia>
<Ixx>1.0</Ixx>
<Iyy>1.0</Iyy>
<Izz>1.0</Izz>
<Ixy>0.0</Ixy>
<Ixz>0.0</Ixz>
<Iyz>0.0</Iyz>
</Inertia>
<CenterOfMass>0.0 0.0 0.0</CenterOfMass>
<Geometry>
<Cuboid>
<Length>1.0</Length>
<Width>0.5</Width>
<Height>0.3</Height>
<Position>0.0 0.0 0.0</Position>
<Orientation>1.0 0.0 0.0 0.0</Orientation>
</Cuboid>
</Geometry>
</RigidBody>
<RigidBody>
<Name>Arm</Name>
<Mass>5.0</Mass>
<Inertia>
<Ixx>0.5</Ixx>
<Iyy>0.5</Iyy>
<Izz>0.5</Izz>
<Ixy>0.0</Ixy>
<Ixz>0.0</Ixz>
<Iyz>0.0</Iyz>
</Inertia>
<CenterOfMass>0.5 0.0 0.0</CenterOfMass>
<Geometry>
<Cuboid>
<Length>1.0</Length>
<Width>0.2</Width>
<Height>0.2</Height>
<Position>0.5 0.0 0.0</Position>
<Orientation>1.0 0.0 0.0 0.0</Orientation>
</Cuboid>
</Geometry>
</RigidBody>
<Joint>
<Name>Joint1</Name>
<Type>Revolute</Type>
<Body1>Base</Body1>
<Body2>Arm</Body2>
<Position>1.0 0.0 0.0</Position>
<Axis>0.0 0.0 1.0</Axis>
</Joint>
<Force>
<Name>Gravity</Name>
<Type>Gravity</Type>
<Acceleration>-9.81</Acceleration>
<Direction>0.0 0.0 -1.0</Direction>
</Force>
</MultiBodySystem>7.1.2 Python脚本定义
# Python脚本定义简单机械臂
import gts
def create_base(name, mass, inertia, center_of_mass, geometry):
"""
创建基座
:param name: 刚体名称
:param mass: 质量
:param inertia: 惯性矩
:param center_of_mass: 质心位置
:param geometry: 几何形状
"""
body = gts.create_rigid_body(name)
body.set_mass(mass)
body.set_inertia(inertia)
body.set_center_of_mass(center_of_mass)
body.set_geometry(geometry)
def create_arm(name, mass, inertia, center_of_mass, geometry):
"""
创建机械臂
:param name: 刚体名称
:param mass: 质量
:param inertia: 惯性矩
:param center_of_mass: 质心位置
:param geometry: 几何形状
"""
body = gts.create_rigid_body(name)
body.set_mass(mass)
body.set_inertia(inertia)
body.set_center_of_mass(center_of_mass)
body.set_geometry(geometry)
def create_revolute_joint(name, body1, body2, position, axis):
"""
创建旋转关节
:param name: 关节名称
:param body1: 第一个刚体/柔体名称
:param body2: 第二个刚体/柔体名称
:param position: 关节位置
:param axis: 关节轴向
"""
joint = gts.create_joint(name, 'Revolute')
joint.set_bodies(body1, body2)
joint.set_position(position)
joint.set_axis(axis)
def create_gravity_force(name, acceleration, direction):
"""
创建重力力
:param name: 力名称
:param acceleration: 重力加速度
:param direction: 重力方向
"""
force = gts.create_force(name, 'Gravity')
force.set_acceleration(acceleration)
force.set_direction(direction)
# 定义基座
base_geometry = {
'type': 'Cuboid',
'length': 1.0,
'width': 0.5,
'height': 0.3,
'position': [0.0, 0.0, 0.0],
'orientation': [1.0, 0.0, 0.0, 0.0]
}
create_base('Base', 10.0, [1.0, 1.0, 1.0, 0.0, 0.0, 0.0], [0.0, 0.0, 0.0], base_geometry)
# 定义机械臂
arm_geometry = {
'type': 'Cuboid',
'length': 1.0,
'width': 0.2,
'height': 0.2,
'position': [0.5, 0.0, 0.0],
'orientation': [1.0, 0.0, 0.0, 0.0]
}
create_arm('Arm', 5.0, [0.5, 0.5, 0.5, 0.0, 0.0, 0.0], [0.5, 0.0, 0.0], arm_geometry)
# 创建旋转关节
create_revolute_joint('Joint1', 'Base', 'Arm', [1.0, 0.0, 0.0], [0.0, 0.0, 1.0])
# 创建重力力
create_gravity_force('Gravity', -9.81, [0.0, 0.0, -1.0])7.2 复杂机械系统建模
复杂的机械系统通常由多个刚性部件、柔性组件以及连接机构组成。在工程实践中非常普遍，并且可应用于各种场景如汽车悬架设计或工业机器人操作臂开发。举例而言，在复杂机械系统的建模与仿真方面，GT-SUITE提供了一个强大的工具框架。
7.2.1 XML定义
<MultiBodySystem>
<RigidBody>
<Name>Base</Name>
<Mass>10.0</Mass>
<Inertia>
<Ixx>1.0</Ixx>
<Iyy>1.0</Iyy>
<Izz>1.0</Izz>
<Ixy>0.0</Ixy>
<Ixz>0.0</Ixz>
<Iyz>0.0</Iyz>
</Inertia>
<CenterOfMass>0.0 0.0 0.0</CenterOfMass>
<Geometry>
<Cuboid>
<Length>1.0</Length>
<Width>0.5</Width>
<Height>0.3</Height>
<Position>0.0 0.0 0.0</Position>
<Orientation>1.0 0.0 0.0 0.0</Orientation>
</Cuboid>
</Geometry>
</RigidBody>
<RigidBody>
<Name>Arm1</Name>
<Mass>5.0</Mass>
<Inertia>
<Ixx>0.5</Ixx>
<Iyy>0.5</Iyy>
<Izz>0.5</Izz>
<Ixy>0.0</Ixy>
<Ixz>0.0</Ixz>
<Iyz>0.0</Iyz>
</Inertia>
<CenterOfMass>0.5 0.0 0.0</CenterOfMass>
<Geometry>
<Cuboid>
<Length>1.0</Length>
<Width>0.2</Width>
<Height>0.2</Height>
<Position>0.5 0.0 0.0</Position>
<Orientation>1.0 0.0 0.0 0.0</Orientation>
</Cuboid>
</Geometry>
</RigidBody>
<RigidBody>
<Name>Arm2</Name>
<Mass>3.0</Mass>
<Inertia>
<Ixx>0.3</Ixx>
<Iyy>0.3</Iyy>
<Izz>0.3</Izz>
<Ixy>0.0</Ixy>
<Ixz>0.0</Ixz>
<Iyz>0.0</Iyz>
</Inertia>
<CenterOfMass>0.5 0.0 0.0</CenterOfMass>
<Geometry>
<Cuboid>
<Length>1.0</Length>
<Width>0.2</Width>
<Height>0.2</Height>
<Position>1.5 0.0 0.0</Position>
<Orientation>1.0 0.0 0.0 0.0</Orientation>
</Cuboid>
</Geometry>
</RigidBody>
<Joint>
<Name>Joint1</Name>
<Type>Revolute</Type>
<Body1>Base</Body1>
<Body2>Arm1</Body2>
<Position>1.0 0.0 0.0</Position>
<Axis>0.0 0.0 1.0</Axis>
</Joint>
<Joint>
<Name>Joint2</Name>
<Type>Revolute</Type>
<Body1>Arm1</Body1>
<Body2>Arm2</Body2>
<Position>2.0 0.0 0.0</Position>
<Axis>0.0 0.0 1.0</Axis>
</Joint>
<Force>
<Name>Gravity</Name>
<Type>Gravity</Type>
<Acceleration>-9.81</Acceleration>
<Direction>0.0 0.0 -1.0</Direction>
</Force>
<Force>
<Name>SpringForce1</Name>
<Type>Spring</Type>
<Body1>Base</Body1>
<Body2>Arm1</Body2>
<SpringConstant>1000.0</SpringConstant>
<RestLength>1.0</RestLength>
<Position1>1.0 0.0 0.0</Position1>
<Position2>1.0 0.0 0.0</Position2>
</Force>
<Force>
<Name>SpringForce2</Name>
<Type>Spring</Type>
<Body1>Arm1</Body1>
<Body2>Arm2</Body2>
<SpringConstant>1000.0</SpringConstant>
<RestLength>1.0</RestLength>
<Position1>2.0 0.0 0.0</Position1>
<Position2>2.0 0.0 0.0</Position2>
</Force>
<Force>
<Name>DampingForce1</Name>
<Type>Damping</Type>
<Body1>Base</Body1>
<Body2>Arm1</Body2>
<DampingCoefficient>10.0</DampingCoefficient>
<Position1>1.0 0.0 0.0</Position1>
<Position2>1.0 0.0 0.0</Position2>
</Force>
<Force>
<Name>DampingForce2</Name>
<Type>Damping</Type>
<Body1>Arm1</Body1>
<Body2>Arm2</Body2>
<DampingCoefficient>10.0</DampingCoefficient>
<Position1>2.0 0.0 0.0</Position1>
<Position2>2.0 0.0 0.0</Position2>
</Force>
<Constraint>
<Name>DistanceConstraint1</Name>
<Type>Distance</Type>
<Body1>Base</Body1>
<Body2>Arm1</Body2>
<Distance>1.0</Distance>
<Position1>1.0 0.0 0.0</Position1>
<Position2>1.0 0.0 0.0</Position2>
</Constraint>
<Constraint>
<Name>DistanceConstraint2</Name>
<Type>Distance</Type>
<Body1>Arm1</Body1>
<Body2>Arm2</Body2>
<Distance>1.0</Distance>
<Position1>2.0 0.0 0.0</Position1>
<Position2>2.0 0.0 0.0</Position2>
</Constraint>
</MultiBodySystem>7.2.2 Python脚本定义
# Python脚本定义复杂机械系统
import gts
def create_base(name, mass, inertia, center_of_mass, geometry):
"""
创建基座
:param name: 刚体名称
:param mass: 质量
:param inertia: 惯性矩
:param center_of_mass: 质心位置
:param geometry: 几何形状
"""
body = gts.create_rigid_body(name)
body.set_mass(mass)
body.set_inertia(inertia)
body.set_center_of_mass(center_of_mass)
body.set_geometry(geometry)
def create_arm(name, mass, inertia, center_of_mass, geometry):
"""
创建机械臂
:param name: 刚体名称
:param mass: 质量
:param inertia: 惯性矩
:param center_of_mass: 质心位置
:param geometry: 几何形状
"""
body = gts.create_rigid_body(name)
body.set_mass(mass)
body.set_inertia(inertia)
body.set_center_of_mass(center_of_mass)
body.set_geometry(geometry)
def create_revolute_joint(name, body1, body2, position, axis):
"""
创建旋转关节
:param name: 关节名称
:param body1: 第一个刚体/柔体名称
:param body2: 第二个刚体/柔体名称
:param position: 关节位置
:param axis: 关节轴向
"""
joint = gts.create_joint(name, 'Revolute')
joint.set_bodies(body1, body2)
joint.set_position(position)
joint.set_axis(axis)
def create_spring_force(name, body1, body2, spring_constant, rest_length, position1, position2):
"""
创建弹簧力
:param name: 力名称
:param body1: 第一个刚体/柔体名称
:param body2: 第二个刚体/柔体名称
:param spring_constant: 弹簧常数
:param rest_length: 静态长度
:param position1: 第一个体的力作用位置
:param position2: 第二个体的力作用位置
"""
force = gts.create_force(name, 'Spring')
force.set_bodies(body1, body2)
force.set_spring_constant(spring_constant)
force.set_rest_length(rest_length)
force.set_position1(position1)
force.set_position2(position2)
def create_damping_force(name, body1, body2, damping_coefficient, position1, position2):
"""
创建阻尼力
:param name: 力名称
:param body1: 第一个刚体/柔体名称
:param body2: 第二个刚体/柔体名称
:param damping_coefficient: 阻尼系数
:param position1: 第一个体的力作用位置
:param position2: 第二个体的力作用位置
"""
force = gts.create_force(name, 'Damping')
force.set_bodies(body1, body2)
force.set_damping_coefficient(damping_coefficient)
force.set_position1(position1)
force.set_position2(position2)
def create_distance_constraint(name, body1, body2, distance, position1, position2):
"""
创建距离约束
:param name: 约束名称
:param body1: 第一个刚体/柔体名称
:param body2: 第二个刚体/柔体名称
:param distance: 相对距离
:param position1: 第一个体的约束位置
:param position2: 第二个体的约束位置
"""
constraint = gts.create_constraint(name, 'Distance')
constraint.set_bodies(body1, body2)
constraint.set_distance(distance)
constraint.set_position1(position1)
constraint.set_position2(position2)
# 定义基座
base_geometry = {
'type': 'Cuboid',
'length': 1.0,
'width': 0.5,
'height': 0.3,
'position': [0.0, 0.0, 0.0],
'orientation': [1.0, 0.0, 0.0, 0.0]
}
create_base('Base', 10.0, [1.0, 1.0, 1.0, 0.0, 0.0, 0.0], [0.0, 0.0, 0.0], base_geometry)
# 定义第一个机械臂
arm1_geometry = {
'type': 'Cuboid',
'length': 1.0,
'width': 0.2,
'height': 0.2,
'position': [0.5, 0.0, 0.0],
'orientation': [1.0, 0.0, 0.0, 0.0]
}
create_arm('Arm1', 5.0, [0.5, 0.5, 0.5, 0.0, 0.0, 0.0], [0.5, 0.0, 0.0], arm1_geometry)
# 定义第二个机械臂
arm2_geometry = {
'type': 'Cuboid',
'length': 1.0,
'width': 0.2,
'height': 0.2,
'position': [1.5, 0.0, 0.0],
'orientation': [1.0, 0.0, 0.0, 0.0]
}
create_arm('Arm2', 3.0, [0.3, 0.3, 0.3, 0.0, 0.0, 0.0], [0.5, 0.0, 0.0], arm2_geometry)
# 创建旋转关节
create_revolute_joint('Joint1', 'Base', 'Arm1', [1.0, 0.0, 0.0], [0.0, 0.0, 1.0])
create_revolute_joint('Joint2', 'Arm1', 'Arm2', [2.0, 0.0, 0.0], [0.0, 0.0, 1.0])
# 创建重力力
create_gravity_force('Gravity', -9.81, [0.0, 0.0, -1.0])
# 创建弹簧力
create_spring_force('SpringForce1', 'Base', 'Arm1', 1000.0, 1.0, [1.0, 0.0, 0.0], [1.0, 0.0, 0.0])
create_spring_force('SpringForce2', 'Arm1', 'Arm2', 1000.0, 1.0, [2.0, 0.0, 0.0], [2.0, 0.0, 0.0])
# 创建阻尼力
create_damping_force('DampingForce1', 'Base', 'Arm1', 10.0, [1.0, 0.0, 0.0], [1.0, 0.0, 0.0])
create_damping_force('DampingForce2', 'Arm1', 'Arm2', 10.0, [2.0, 0.0, 0.0], [2.0, 0.0, 0.0])
# 创建距离约束
create_distance_constraint('DistanceConstraint1', 'Base', 'Arm1', 1.0, [1.0, 0.0, 0.0], [1.0, 0.0, 0.0])
create_distance_constraint('DistanceConstraint2', 'Arm1', 'Arm2', 1.0, [2.0, 0.0, 0.0], [2.0, 0.0, 0.0])7.3 模型验证与分析
在完成多体系统建模后
静态分析 ：检查模型的静态平衡状态。
动态分析 ：模拟模型在各种工况下的动态行为。
结果可视化 ：通过图形界面和动画来直观展示模型的运动和受力情况。
7.3.1 静态分析
通过静态分析方法可以评估模型在静力工况下的平衡特性。按照以下步骤实施静态分析流程：
在图形界面中选择“静态分析”选项。
设置分析参数，如重力、外力等。
运行分析并查看结果。
7.3.2 动态分析
通过动态分析方法可以模拟模型在动态条件下的行为。具体步骤如下：
在图形界面中选择“动态分析”选项。
设置分析参数，如时间步长、仿真时间等。
运行分析并查看结果。
7.3.3 结果可视化
结果可视化是多体系统建模的重要环节，可以通过以下方式进行：
在图形界面中选择“结果可视化”选项。
选择需要显示的结果类型，如位移、速度、加速度等。
通过动画和图表展示结果。
8. 总结
多体系统建模是机械系统仿真中的重要技术手段之一，在实际应用中通常采用模块化设计方法进行分析与求解。通过合理划分系统的功能单元，并结合相应的运动学约束关系及动力学方程组等关键要素进行综合集成处理，则能精准地模拟系统的动态特性。GT-SUITE软件平台集成了先进的建模算法与可视化界面，在功能实现方面也具有高度的灵活性与可扩展性特点。本文详细阐述了多体系统建模的基本理论框架及其关键技术要点，并结合典型案例展示了GT-SUITE环境下建立完整多体动力学模型的具体实施流程与注意事项。通过本文的介绍与分析研究希望能够为广大读者提供深入理解该技术所需的基础知识与实践指导
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