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机械系统建模和仿真SimMechanics——机械系统建模和仿真SimMechanics集成于Simulink之中，是进行控制器和对象系统跨领域/学科的研究分析模块集。
SimMechanics为多体动力机械系统及其控制系统提供了直观有效的建模分析手段，一切工作均在Simulink环境中完成。
它提供了大量对应实际系统的元件，如：刚体、铰链、约束、坐标系统、作动器和传感器等。
使用这些模块可以方便地建立复杂图形化机械系统模型，进行机械系统的单独分析或与任何Simulink设计的控制器及其它动态系统相连进行综合仿真。
SimMechanics是Simulink物理建模产品家族的一员，该产品系列扩展了Simulink的建模能力，利用它们做出的模型仍能与传统Simulink模块所建立的模型相融合。
特点提供了三维刚体机械系统的建模环境包含了一系列分析机械运动和设计机械元件尺寸的仿真技术完整的建模层次，允许机械模型模块与其它类型模块结合使用可在Simulink中建立高精度、非线性的模型以支持控制系统的开发和测试。
SolidWorks转换器可以通过CAD工具定义机械模型包括各种铰链和约束形式可对平移运动和旋转运动，力和力矩进行建模、分析提供平衡点和线性化工具以支持控制系统设计使用Virtual Reality Toolbox或MATLAB?图形（Handle Graphics?）支持机械系统可视化及动画显示可进行系统的运动学和正向、逆向动力学分析使用O(n)递归求解多体动力学系统运动方程为模型定义提供多种本地坐标系统强大功能在Simulink环境中进行的动力学研究使用Simulink集成化的图形界面建立机械多体动力学系统的模型并进行仿真。
SimMechanics使得用户可以方便地修改系统中的物理参数，包括位置，方位角和机械元件运动参数等。
使用Simulink变步长积分法可以得到较高的计算精度。
Simulink的过零检测功能以双精度数据水平判定和求解不连续过程，对于机械系统中存在的静摩擦和机械硬限位等情况建模具有重要的意义。
基于多体动力学的机械系统建模与仿真在机械系统的设计与研究中，了解其动力学行为是至关重要的。
通过建立合适的数学模型和进行相应的仿真分析，可以更好地理解机械系统的运动规律和性能特点。
基于多体动力学的方法是一种常用的工具，它可以描述机械系统中多个物体之间的相互作用和运动状态，本文将介绍基于多体动力学的机械系统建模与仿真的方法与应用。
一、数学建模基于多体动力学的机械系统建模的第一步是建立数学模型。
数学模型是一个描述机械系统运动规律的数学方程组，其中包含了系统中各个物体的运动方程和约束方程。
1. 运动方程运动方程描述了物体在空间中的位置和速度随时间变化的规律。
对于单个物体，其运动方程可以根据牛顿第二定律得到：\[m_i \frac{{d^2 \boldsymbol{r}_i}}{{dt^2}} = \boldsymbol{F}_i\]其中，\(m_i\) 是物体的质量，\(\boldsymbol{r}_i\) 是物体的位置矢量，\(\boldsymbol{F}_i\) 是物体所受合外力的矢量。
对于涉及多个物体的机械系统，需要考虑物体之间的相互作用。
在这种情况下，可以通过引入物体之间的相互作用力来描述整个系统的运动规律：\[m_i \frac{{d^2 \boldsymbol{r}_i}}{{dt^2}} =\boldsymbol{F}_i^{\text{外}} + \sum_{j \neq i}\boldsymbol{F}_{ij}^{\text{内}}\]其中，\(\boldsymbol{F}_i^{\text{外}}\) 是物体\(i\)所受的合外力，\(\boldsymbol{F}_{ij}^{\text{内}}\) 是物体\(i\)受到物体\(j\)作用力。
2. 约束方程约束方程用于描述系统中各个物体之间的约束关系。
在机械系统中，常见的约束包括几何约束（如刚性连接、触地约束等）和运动约束（如关节连接、接触力平衡等）。
《建模与仿真》教学大纲课程名称：建模与仿真课程代码：INDE2038课程性质：专业选修课程学分/学时：2学分/36学时开课学期：第七学期适用专业：工业工程先修课程：概率统计、C语言程序设计后续课程：毕业设计开课单位：机电工程学院课程负责人：大纲执笔人：杨宏兵大纲审核人：一、课程性质和教学目标《建模与仿真》是面向工程实际的应用型课程，是工业工程系的专业课程之一。
学生通过本课程的学习能够初步运用仿真技术来发现生产系统中的关键问题，并通过改进措施的实现，提高生产能力和生产效率。
本课程的教学目标是培养学生的设计能力、创新能力和工程意识。
课程以制造型生产企业为核心，通过理论教学和实践环节相结合，阐述了离散事件系统建模与仿真技术在生产企业分析中的基本原理和方法。
其内容涉及计算机仿真技术在生产系统分析中的作用和原理、仿真软件的介绍，重点介绍排队系统、库存系统、加工系统以及输入、输出数据分析。
本课程的目的是要求学生通过学习、课堂教育和上机训练，能了解如何运用计算机仿真技术模拟生产系统的布置和调度管理；并熟悉和掌握计算机仿真软件的基本操作和能够实现的功能；使学生了解计算机仿真的基本步骤。
二、课程教学方法1、启发式课堂讨论针对关键知识点、典型题和难题，通过教师提问，鼓励学生回答问题或请到讲台前做题，并请其他学生评判或提出不同的答案或不同的解决方法。
目的是加强学生自主学习的能力和判断能力，培养主动思考的习惯，启发学生的探索精神。
2、重视在教学中加强知识演进的逻辑规律的讲解提高学生的逻辑思维能力，培养学生分析问题、解决问题的能力。
3、加强计算机辅助设计、分析将Flexsim仿真软件引入教学中。
应用计算机辅助设计、分析，能方便的改变系统结构参数，认识复杂系统的动态响应。
三、课程教学内容及学时分配第一章概论（2课时）教学目的：了解系统仿真技术的发展历史；掌握系统仿真技术的特点；理解系统仿真的应用；掌握系统仿真的优势与局限性；熟悉系统仿真的相关技术；了解系统仿真的研究热点和发展方向；教学重点：系统仿真的应用；系统仿真的优势与局限性；系统仿真的相关技术；教学难点：系统仿真的应用；第二章系统仿真基本知识（6课时）教学目的：了解生产系统的基本特征；理解掌握系统、系统模型、系统仿真等建模与仿真相关的基本概念；了解系统仿真的类型；理解离散系统与连续系统的区别；熟悉生产系统建模的方法与仿真研究的步骤；深入理解排队论的基本概念，熟悉排队系统的组成与排队模型的分类，掌握到达模式与服务机构刻画的参数，熟悉排队规则与队列的度量；熟悉几种常用的到达时间间隔和服务实践的理论分布（定长分布、泊松分布、埃尔朗分布、正态分布等）；掌握M/M/1排队系统与M/M/C排队系统的分析；掌握库存系统模型；熟悉库存系统；掌握库存系统模型；熟悉库存系统仿真及仿真结果分析；教学重点：系统、系统模型、系统仿真等建模与仿真相关的基本概念；离散系统与连续系统的区别；生产系统建模的方法与仿真研究的步骤；排队论的基本概念，排队系统的组成与排队模型的分类；几种常用的到达时间间隔和服务实践的理论分布（定长分布、泊松分布、埃尔朗分布、正态分布等）；M/M/1排队系统与M/M/C排队系统的分析；库存系统仿真方法；教学难点：系统、系统模型、系统仿真等建模与仿真相关的基本概念；离散系统与连续系统的区别；排队论的基本概念；M/M/1排队系统与M/M/C排队系统的分析；库存系统仿真；第三章随机数与随机变量（3课时）教学目的：理解掌握随机变量（离散、连续），以及连续随机变量的密度函数的概念；掌握随机变量的数字特征；理解掌握随机数的概念，熟悉产生连续均匀分布随机数的几种方法，掌握计算机产生随机数的方法；熟悉随机数的统计检验；掌握各种离散分布随机数的产生方法；熟悉非均匀连续分布随机数及其产生方法。
《机电系统建模与仿真》课程教学大纲课程编号：081169111课程名称：机电系统建模与仿真英文名称:Modeling and Simulation of Mechatronic System课程类型：专业方向课课程要求：选修学时学分：24/1.5 （讲课学时：20实验学时：0上机学时：4）适用专业：机械设计制造及其自动化一、课程性质与任务本课程是机械设计制造及其自动化专业的一门专业方向课，也可作为其它专业的选修课。
其任务是阐明机电•体化系统建模的基本原理和方法。
通过对本课程的学习，初步掌握机电系统的各种仿真方法，使学生能够熟练应用仿真技术分析机电系统，为今后从事机电系统的分析、设计打下基础。
二、课程与其他课程的联系本课程以先修课程高等数学、大学物理、工程力学、机械原理、机械设计、电工技术基础、理论力学、液压与气压传动为基础。
学习本课程前，学生应对机械传动、机电传动及控制工程等有所了解。
三、课程教学目标1.了解机电一体化系统设计的技术路线的发展历程与未来趋势，理解仿真在机电系统设计中的作用。
掌握机电系统常用的计算机仿真软件，并能将该方法应用于系统的分析之中。
（支撑毕业要求2.1,2.3）；2.学习机械传动系统动力学模型的有关知识，掌握传动机构的仿真分析方法。
针对传动机构的机械参数对系统性能的影响，具有建立机械运动系统数学模型的能力，并对系统数学模型进行正确的分析和解答（支撑毕业要求2.2,7.1）；3.掌握机构运动学模型的建立方法，能够根据系统数学模型的仿真，学习系统机构动力学动态性能关系等方面的知识，将本专业基础理论和基本原理综合运用于机械工程问题的分析之中。
（支撑毕业要求2.1、2.2、6.1 ）；4.学习基于传递函数的伺服控制系统设计方法，掌握PID控制系统设计系统的仿真分析方法，并能够在设计过程中，考虑社会、健康、安全以及环境等多种制约因素，并阐明非线性环节对伺服系统性能的影响。
（支撑毕业要求2.1、6.2）；5.学习实时仿真的概念，掌握物理仿真、采样系统仿真的概念和方法。
机械控制系统的建模与仿真1.引言机械控制系统的建模和仿真是现代工程领域中的重要研究内容之一。
通过建立数学模型和进行仿真分析，可以帮助我们更好地理解和优化机械控制系统的性能。
2.机械控制系统的基本原理机械控制系统通常由传感器、控制器、执行器和反馈回路组成。
传感器用于感知环境中的参数，控制器根据传感器提供的反馈信息进行决策，执行器执行控制指令，而反馈回路则用于监测执行器的输出，并将信息反馈给控制器，形成闭环控制。
3.建立机械控制系统的数学模型建立机械控制系统的数学模型是进行仿真分析的关键步骤。
常用的建模方法包括物理建模、数学建模和系统辨识等。
3.1物理建模物理建模是根据系统的物理特性和运动原理建立数学模型的方法。
以机械振动系统为例，可以使用牛顿第二定律和杆件挠曲理论等基本原理，建立其运动方程。
通过对运动方程进行求解，可以得到系统的响应和频率特性等信息。
3.2数学建模数学建模是根据信号与系统理论和数学工具，将机械控制系统抽象为数学模型的过程。
例如，可以使用传递函数描述控制系统的输入输出关系，利用状态空间模型分析系统的稳定性和响应特性。
3.3系统辨识系统辨识是一种通过实验数据分析系统动态特性并确定系统数学模型的方法。
利用现代系统辨识理论和算法，可以从实测数据中提取系统的参数和结构信息，进而建立准确的数学模型。
4.基于数学模型进行仿真分析建立了机械控制系统的数学模型之后，我们可以利用仿真工具进行仿真分析。
仿真分析可以帮助我们理解系统的工作原理、预测系统的性能以及进行系统优化。
4.1仿真平台与工具目前，有许多专门用于建模和仿真分析的软件平台和工具可供选择。
例如，MATLAB/Simulink是一套被广泛应用于系统建模和仿真的工具，提供了丰富的建模组件和仿真功能；ADAMS是一款用于多体动力学仿真的商业软件，适用于机械系统的多体建模和仿真。
4.2仿真分析的应用通过仿真分析，我们可以评估机械控制系统的性能指标，如响应时间、稳态误差以及抗干扰能力等。
机械建模与仿真Modeling and Simulation of Mechanical Engineering课程代码：04320620学分：2学时：32 （其中：课堂教学学时：32；实验学时：0；上机学时：0；课程实践学时：0）先修课程：《高等数学》、《机械设计》、《机械原理》、《工程力学》、《CAE应用基础》、《三维结构设计》适用专业：能源与动力工程教材：《ADAMS2012虚拟样机从入门到精通》刘晋霞等编著；机械工业出版社出版, 2013年04月一、课程性质与课程目标（一）课程性质《机械建模与仿真》是一门以数学理论为基础，以计算机为工具，借助系统模型对实际问题进行科学实验的技术，它具有经济、可靠、实用、安全、灵活、可重复使用等优点，已成为复杂系统分析、设计、试验、评估不可或缺的重要手段。
本课程重视基础理论知识和实际问题相结合，能提高学生分析和解决实际问题的能力。
（二）课程目标1.知识方面本课程介绍机械系统建模与仿真技术的最新成果一虚拟样机技术，介绍目前世界上应用最广泛且最具权威性的机械系统动力学仿真分析软件一ADAMS。
通过本课程的学习，学生应了解虚拟样机技术的核心理论一多体系统动力学一的基本概念、模型和方程组，熟悉ADAMS软件的特点、结构、功能和基本使用方法，能够用ADAMS建立实际机械系统的模型并进行仿真计算、分析和优化设计。
2.能力与素质方面通过对本课程的学习，使学生了解具有相同或相似模型的不同机械系统之间的相似性，初步掌握典型机械系统建模的基本理论和方法，能够熟练利用计算机和仿真技术对机械系统进行设计和分析，培养学生的系统分析和类比的能力，为今后应用建模和仿真工具进行机械系统研究和工程设计工作打下良好的基础。
3.对毕业要求的支撑性完善课程教学体系，培养学生多角度分析问题和解决问题的能力。
使学生掌握工程基础知识和本专业的基本理论知识，具有系统的工程时间学习经历；了解本专业前沿发展现状和趋势。
基于有限元方法的机械系统建模与仿真在现代机械工程领域，为了更有效地设计、分析和优化机械系统，基于有限元方法的建模与仿真技术发挥着至关重要的作用。
有限元方法作为一种强大的数值分析工具，能够帮助工程师在产品开发的早期阶段就对其性能进行准确预测，从而减少试验次数、缩短研发周期、降低成本并提高产品质量。
有限元方法的基本原理是将一个复杂的连续体离散化为有限个单元的组合。
这些单元通过节点相互连接，每个单元具有特定的形状和特性。
通过对每个单元进行力学分析，并利用节点处的平衡条件和协调条件，建立起整个系统的代数方程组。
求解这些方程组，就可以得到系统在给定载荷和边界条件下的响应，如位移、应力、应变等。
在机械系统建模中，首先需要对实际的物理系统进行合理的简化和抽象。
这包括确定系统的几何形状、材料特性、载荷条件和边界约束等。
例如，对于一个汽车发动机的曲轴连杆机构，需要考虑各个零部件的几何尺寸、材料的强度和刚度、燃烧压力和惯性力等载荷，以及各个部件之间的连接方式和约束条件。
几何建模是有限元分析的第一步。
通过使用专业的 CAD 软件或有限元前处理工具，可以创建机械系统的三维几何模型。
在建模过程中，需要根据分析的目的和精度要求，对几何形状进行适当的简化和近似。
例如，对于一些小的倒角、圆孔等细节，如果对分析结果影响不大，可以忽略不计，以减少计算量。
材料特性的定义也是建模中的关键环节。
不同的材料具有不同的力学性能，如弹性模量、泊松比、屈服强度等。
这些参数需要根据实际使用的材料通过实验测试或查阅相关的材料手册来获取。
对于一些复杂的材料行为，如非线性弹性、塑性、粘弹性等，还需要选择合适的本构模型来描述其力学特性。
载荷和边界条件的施加直接影响着分析结果的准确性。
载荷可以是集中力、分布力、压力、温度等。
边界条件则包括固定约束、滑动约束、对称约束等。
在施加载荷和边界条件时，需要充分考虑实际工作情况，确保模型能够真实反映机械系统的受力状态。
编码：ME06094Code: ME06094课程名称：机械系统运动学与动力学仿真分析Course Title: Simulated Analysis of MechanicalSystem Kinematics and Dynamics课程类别：专业选修Course category: Elective Course in Specialty 学分：2 Credit(s): 2开课单位：机械与运载工程学院Offering College/School: College ofMechanical & Vehicle Engineering课程描述: 本课程是为机械制造及自动化专业学生开设的专业选修课，以理论力学、机械原理为先导课程。
本课程主要包括机械系统动力学仿真分析原理、仿真模型的建立与调试、参数化分析方法等内容。
学生需要了解机械系统动力学仿真分析的基本原理，掌握机械系统动力学模型的建模方法，并能运用课程知识对简单机械系统进行动力学仿真分析。
通过学习本课程，学生学会机械系统的建模和动力学仿真分析方法，获得应用相关科学原理对工程问题进行研究的能力。
Course description:This is a professional elective course for students majoring in mechanical manufacturing and automation, guided by theoretical mechanics and mechanical principles. This course mainly includes the principles of mechanical system dynamics simulation and analysis, the establishment and debugging of simulation models, and the method of parametric analysis. Students need to understand the basic principles of mechanical system dynamics simulation analysis, master the modeling method of mechanical system dynamics model, and use the knowledge of curriculum to perform dynamic simulation analysis of simple mechanical systems. By studying this course, students learn the modeling and dynamic simulation analysis methods of mechanical systems, and obtain the ability to apply the relevant scientific principles to study engineering problems.课程内容课程教学目标通过本课程的教学，使学生具备以下能力：1.能够运用所学工程知识，设计满足动力学需求的机械系统（毕业要求3.2）。
