机械运动仿真和有限元分析技术概念

广州有道计算机科技有限公司有限元分析FEA有限元法（FEA，Finite Element Analysis）的基本概念是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。

它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的(较简单的）近似解，然后推导求解这个域总的满足条件(如结构的平衡条件），从而得到问题的解。

这个解不是准确解，而是近似解，因为实际问题被较简单的问题所代替。

由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段。

有限元分析（FEA，Finite Element Analysis）利用数学近似的方法对真实物理系统（几何和载荷工况）进行模拟。

还利用简单而又相互作用的元素，即单元，就可以用有限数量的未知量去逼近无限未知量的真实系统。

大型通用有限元商业软件：如ANSYS可以分析多学科的问题，例如：机械、电磁、热力学等；电机有限元分析软件NASTRAN等。

还有三维结构设计方面的UG、CATIA、Proe等都是比较强大的。

国产有限元软件：FEPG、SciFEA、,JiFEX、KMAS等有限元法：把求解区域看作由许多小的在节点处相互连接的单元（子域）所构成，其模型给出基本方程的分片（子域）近似解，由于单元（子域）可以被分割成各种形状和大小不同的尺寸，所以它能很好地适应复杂的几何形状、复杂的材料特性和复杂的边界条件。

有限元方法的基础是变分原理和加权余量法，其基本求解思想是把计算域划分为有限个互不重叠的单元，在每个单元内，选择一些合适的节点作为求解函数的插值点，将微分方程中的变量改写成由各变量或其导数的节点值与所选用的插值函数组成的线性表达式，借助于变分原理或加权余量法，将微分方程离散求解。

采用不同的权函数和插值函数形式，便构成不同的有限元方法。

有限元法的收敛性是指：当网格逐渐加密时，有限元解答的序列收敛到精确解；或者当单元尺寸固定时，每个单元的自由度数越多，有限元的解答就越趋近于精确解。

机械系统的动力学建模及分析方法引言机械工程是一门研究机械系统设计、制造和运行的学科，它的发展与制造业的兴起密不可分。

在机械工程中，动力学建模及分析是一项重要的研究内容，它涉及到机械系统的运动学和力学特性。

本文将介绍机械系统动力学建模的基本原理和常用的分析方法。

一、机械系统动力学建模的基本原理机械系统动力学建模的目的是描述机械系统在外部作用下的运动规律和力学特性。

为了实现这一目标，需要从以下几个方面进行建模：1. 运动学建模：运动学建模是指描述机械系统的运动规律和运动参数的过程。

它包括位置、速度、加速度等运动参数的描述，可以通过几何方法或者数学方法进行建模。

2. 力学建模：力学建模是指描述机械系统受力和力的作用下的运动规律和力学特性的过程。

它包括受力分析、力的平衡和动力学分析等内容，可以通过牛顿定律和其他力学原理进行建模。

3. 系统参数建模：系统参数建模是指描述机械系统的物理特性和结构参数的过程。

它包括质量、惯性矩、刚度等参数的确定，可以通过实验测量或者理论计算进行建模。

二、机械系统动力学建模的分析方法1. 动力学方程建立：动力学方程是描述机械系统运动规律的数学表达式。

根据牛顿定律和动力学原理，可以建立机械系统的动力学方程。

常见的动力学方程包括运动学方程和力学方程，可以通过微分方程或者矩阵方程进行描述。

2. 线性化分析：线性化分析是指将非线性的动力学方程转化为线性的近似方程的过程。

在某些情况下，非线性方程的求解非常困难，因此可以通过线性化分析来简化问题的求解。

线性化分析可以通过泰勒级数展开或者线性化逼近的方法进行。

3. 模态分析：模态分析是指研究机械系统的固有振动特性和模态参数的过程。

通过模态分析，可以确定机械系统的固有频率、振型和振幅等参数，为系统的设计和优化提供依据。

常见的模态分析方法包括模态测试和有限元分析等。

4. 运动仿真：运动仿真是指通过计算机模拟机械系统的运动过程和力学特性的过程。

通过运动仿真，可以预测机械系统的运动轨迹、速度和加速度等参数，为系统的设计和优化提供参考。

机械设计基础机械设计中的CAE分析方法机械设计是工程领域中非常重要的一项任务，它涉及到各种机械设备的设计和制造。

而在现代机械设计中，CAE（计算机辅助工程）分析方法的应用越来越广泛，为设计师提供了强大的工具和技术支持。

本文将介绍机械设计中常用的CAE分析方法，以及它们在设计过程中的应用。

一、有限元分析（Finite Element Analysis，简称FEA）有限元分析是机械设计中最常用的CAE分析方法之一。

它通过将实际的结构分割成有限数量的小元素，然后利用数值计算方法求解每个小元素的应力、变形等物理量。

这样可以在较小的计算范围内，准确预测结构的力学性能。

在机械设计中，有限元分析广泛应用于刚度、强度、稳定性、疲劳寿命等方面的评估。

设计师可以通过有限元分析来验证设计方案的可行性，确定合适的材料和尺寸，并最终优化设计方案。

二、计算流体力学分析（Computational Fluid Dynamics，简称CFD）计算流体力学分析是机械设计中另一个重要的CAE分析方法。

它用数值方法解决流体力学方程，对液态、气态流体的流动、传热、传质等进行模拟和计算。

在机械设计中，计算流体力学分析常用于气动性能、液压性能、热传导等方面的研究。

通过CFD分析，设计师可以预测流体在机械设备中的流动状态和传热效果，为设计方案的改进提供重要的参考。

三、多体动力学分析（Multibody Dynamics Analysis，简称MDA）多体动力学分析是机械设计中用于研究刚体与刚体之间相对运动的CAE分析方法。

它将机械系统视为由多个刚体组成的多体系统，通过求解动力学方程，计算系统中刚体的位移、速度、加速度等运动参数。

在机械设计中，多体动力学分析广泛应用于机构设计、机械振动、运动机理等方面的研究。

通过MDA分析，设计师可以了解机械系统的运动规律和力学性能，优化机构设计，提高系统的工作效率和稳定性。

四、耦合分析（Coupled Analysis）耦合分析是机械设计中将多个CAE分析方法整合起来进行综合分析的方法。

机械运动仿真和有限元分析技术（浙江大学城市学院机电0905）【摘要】本文主要对机械运动仿真和有限元分析技术概念、机械运动仿真和有限元分析软件使用过程有所了解，以及对PROE机械运动仿真和有限元分析使用案例进行分析【关键词】机械运动仿真有限元分析 PROE案例一、引言目前，许多国内外的大型辅助设计软件，都包含了机械装配和运动学仿真的功能模块，例如PTC的Pro／Engineer，SDRC的1一DEAS，MATRA的EUCl ID软件及DES的UG等。

机械产品的运动分析和仿真已经成为计算机辅助工程(CAE)中不可缺少的重要环节，同时也成为机械设计的必经过程。

进行机械产品设计时，通常要进行机构的运动分析，以此来验证机构设计的合理性和可行性。

机构运动仿真技术就是通过对机构添加运动副、驱动器，使其运动起来，以实现机构的运动模拟。

此外，运用机构中的后处理功能可以查看当前机构的运动，并且可以对机构进行运动速度、轨迹、位移、运动干涉情况的分析，为研究机构模型提供方便。

在机械系统计算机辅助工程即MCAE领域内，根据数值分析求解机理和求解问题范围不同，常用的CAE技术有：有限元分析（FEA）技术；（固体力学范畴）计算流体动力学（CFD）分析技术；（流体力学范畴）刚体动力学分析（RBA）技术。

二、机械运动仿真和有限元分析技术概念机械运动仿真技术是一种建立在机械系统运动学、动力学理论和计算机实用技术基础山的新技术，涉及建模、运动控制、机构学、运动学和动力学等方面的内容，主要是利用计算机来模拟机械系统在真实环境下的运动和动力特性，并根据机械设计要求和仿真结果，修改设计参数直至满足机械性能指标要求或对整个机械系统进行优化的过程。

机械运动仿真的过程如图：通过机械系统的运动仿真，不但可以对整个机械系统进行运动模拟，以验证设计方案是否正确合理，运动和力学性能参数是否满足设计要求，运动机构是否发生干涉等还可以及时发现设计中可能存在的问题，并通过不断改进和完善，严格保证设计阶段的质量，缩短了机械产品的研制周期，提高了设计成功率，从而不断提高产品在市场中的竞争力。

抓取机械手的运动仿真及腰部有限元分析发表时间：2018-05-30T10:33:18.067Z 来源：《防护工程》2018年第2期作者：杨静[导读] 能够充分证明有限元分析的准确性，这样所获得的机械手在荷载作用下的变形情况就能够得到改善。

广州广电计量检测股份有限公司广东省广州市 510656摘要:采用UG来给抓取机械手创建实体模型，并且采用UG的运动分析模块来给机械手的大臀部位采取运动仿真。

在工作期间，机械手很容易倾倒，而腰部在力矩的作用下会出现弯曲的情况，这样一来，机械手在竖直方向的运动就会受到干扰。

采用嵌入UG的Nastran来给腰部结构采取有限元分析，能够获取最大应力，然后再和计算机应力相比，这样一来就能够确保机械手的运行得到稳定，同时后续工作也能够得到顺利的进行。

关键词:机械手；运动仿真；有限元分析在现代机器人种类当中，机械手是最早出现的。

其作用主要是能够取代人力劳动，从而让生产工作变得自动化。

手部、控制系统乙级运动机构是机械手最为重要的部分。

在工作期间，腰部主要的作用，是将底座和大臂的主要部位进行衔接，同时还能够承受弯曲应力，所以在设计期间，一定要确保腰部达到理想的强度。

下面我们通过介绍UG的Nastran，来掌握腰部的受力情况，并找到最大的应力点，然后再和计算机应力相比，并且采用运动仿真模块来仿真腰部运动。

一运动学分析1.1 运动学正解是指已经获取的杆件的参数以及关节变量，然后根据实际数据，来找到定坐标系的位置。

所以，可以采用D-H的法来创建立坐标系转换矩阵：A1=cosθ1--sinθ 1 0 0 A2=sinθ 1 cosθ 1 0 0A2=cosθ 2 -sinθ 2 0 0 A2=sinθ 2 cosθ 2 0 0A3=cosθ 3 -sinθ 3 0 a 2 cosθ 3A3=sinθ 3 cosθ 3 0 a 2 cosθ 3其中，A1代表的是腰部模块关节变换矩阵、A2代表的是大臀关节变换矩阵，而A3则代表的是小臀关节变换矩阵，这样一来就能够获取机械手末杆的位资矩阵。

机械系统的动力学仿真近年来，机械系统的动力学仿真在工程领域中扮演着重要的角色。

通过对机械系统进行仿真分析，可以有效地预测系统的动态性能，为设计与优化提供依据。

本文将介绍机械系统的动力学仿真以及其在工程应用中的重要性。

一、机械系统的动力学仿真概述机械系统的动力学仿真是指使用计算机模拟机械系统在特定工况下的运动规律和力学特性。

通过建立数学模型，包括质量、弹性、阻尼等参数，仿真方法可以模拟和预测机械系统的动态行为。

这对于机械系统的设计、优化和故障诊断等方面都具有重要意义。

二、机械系统动力学仿真的应用领域1. 汽车工程：在汽车工程领域，动力学仿真可以用于评估车辆的悬挂系统、转向系统和制动系统等的性能。

通过仿真模拟，可以预测车辆在不同路况下的悬挂系统的响应、车辆的操控性和稳定性等。

2. 航空航天工程：在航空航天工程领域，动力学仿真可以用于模拟飞机的飞行、着陆和滑行过程。

通过仿真模拟，可以评估飞机在各种工况下的动态响应、操纵特性和安全性能，以指导飞机结构的设计和飞行控制系统的优化。

3. 机械制造：在机械制造领域，动力学仿真可以用于评估机械设备的性能和可靠性。

通过仿真模拟，可以预测机械设备在运行时的受力情况、振动特性和故障概率，以指导机械设计的改进和维护策略的制定。

4. 能源工程：在能源工程领域，动力学仿真可以用于模拟和优化能源转换系统的动态性能。

例如，通过仿真模拟燃气轮机的运行过程，可以评估其燃烧效率、传热特性和机械振动等特性，以指导燃气轮机系统的设计和运行优化。

三、机械系统动力学仿真的方法1. 基于建模语言的仿真方法：这种方法基于建模语言，如MATLAB/Simulink 等，通过建立系统的数学模型和参数，进行仿真分析。

它可以有效地模拟机械系统的动态特性，但对于复杂系统的建模和仿真可能存在一定的困难。

2. 基于有限元法的仿真方法：这种方法使用有限元法建立机械系统的数学模型，通过分析和求解系统的运动方程，得到系统的动态响应和力学特性。

精心整理一SW运动仿真1.简介二十世纪八十年代以来，设计工程中首次使用计算机辅助工程（CAE）方法后，有限元分析（FEA）就成了最先被广泛采用的模拟工具。

多年来，该工具帮助设计者在研究新产品的结构性能时节约了大量时间。

由于机械产品日渐复杂，不断加剧的竞争加快了新设计方案投入市场的速度。

设计者迫切感到必须使模拟超出FEA的局限范围，除使用FEA模拟结构性能外，还需要在构建物理原型之前确定新产品的运动学和动力学性能。

用。

2.程序会CAD何体发生改变时，可在几秒内更新所有结果。

图4为急回机构中滑杆和驱动连杆之间的干涉。

图4急回机构中滑杆和驱动连杆之间的干涉运动模拟可在短时间内对任何复杂程度的机构进行分析，可能包含刚性连接装置、弹簧、阻尼器和接触面组。

如雪地车前悬架、健身器、CD驱动器等的运动。

图5复杂机构的运动仿真除机构分析外，设计者还可通过将运动轨迹转换成CAD几何体，将运动模拟用于机构合成。

例如，设计一个沿着导轨移动滑杆的凸轮，用运动仿真生成该凸轮的轮廓。

首先将所需滑杆位置表达为时间和滑杆在旋转凸轮上移动轨迹的函数，然后将轨迹路径转换为CAD几何体，以创建凸轮轮廓。

图6滑杆沿导轨移动的位移函数图7滑杆沿旋转盘移动绘制的凸轮轮廓设计者还可将运动轨迹用于很多用途，例如，验证工业机器人的运动、测试工具路径以获取选择机器人大小所需的信息，以及确定功率要求。

图8工业机器人在多个位置之间的移动运动模拟的另外一项重要应用是模拟零部件之间的碰撞和接触，以研究零部件之间可能形成的缝隙，得出机构的精确结果。

例如，通过模拟碰撞和接触，可以研究阀提升机构中凸轮和曲线仪（摇杆）之间可能形成的缝隙。

3.将运动仿真与FEA结合想了解运动仿真和FEA在机构仿真中如何结合使用，首先要了解每种方法的基本假设。

FEA是一种用于结构分析的数字技术，已成为研究结构的主导CAE方法。

它可以分析任何固定支撑的弹性物体的行为，此处弹性是指物体可变性。

机械设计中的模拟仿真在机械设计领域，模拟仿真技术被广泛应用于产品设计、性能评估和故障分析等方面。

通过建立虚拟的物理模型和模拟仿真软件的运算，工程师们可以在设计阶段就对机械系统进行全面的分析和验证，从而提高设计效率、降低成本，并确保产品的可靠性和安全性。

一、模拟仿真的定义和作用模拟仿真是指利用计算机软件来模拟真实系统的行为和性能的过程。

在机械设计中，模拟仿真可以帮助工程师们在实际制造之前对产品进行测试和优化。

通过模拟仿真，设计师们可以验证设计方案、预测性能参数、研究不同工况下的响应等，从而减少试验制造和测试的时间和成本。

模拟仿真的作用主要有以下几个方面：1. 验证设计方案：模拟仿真可以帮助设计师们验证设计方案的正确性和合理性。

通过在计算机上建立产品的虚拟模型，可以对设计方案的结构、材料、尺寸等进行全面分析和评估，以确保最终产品能够满足设计要求。

2. 预测性能参数：通过模拟仿真，可以预测和评估产品在不同工况下的性能参数，如强度、刚度、耐久性等。

这样设计师可以在实际制造之前对产品的性能进行预估，进一步优化设计方案，以提高产品的稳定性和可靠性。

3. 研究不同工况下的响应：模拟仿真可以帮助设计师们研究产品在不同工况下的响应情况。

通过模拟各种工作条件下的载荷和边界条件，可以了解产品在振动、疲劳、温度等不同环境下的性能表现，从而指导设计改进和故障排查。

4. 降低成本和风险：通过模拟仿真，可以在产品制造之前发现潜在的设计问题，避免在实际制造阶段出现大规模的错误和故障。

这样可以有效降低产品开发周期和制造成本，并减少产品回归和故障的风险。

二、模拟仿真主要应用领域模拟仿真在机械设计中有广泛的应用，主要涉及以下几个方面：1. 结构分析：结构分析是模拟仿真的一个重要应用领域。

通过建立产品的有限元模型，可以对产品在不同载荷下的应力和变形进行分析和评估。

这样设计师可以根据分析结果进行结构优化，提高产品的强度和刚度。

2. 运动仿真：运动仿真是研究产品在运动过程中的各种动态特性的一种方法。

一SW运动仿真1.简介二十世纪八十年代以来，设计工程中首次使用计算机辅助工程（CAE）方法后，有限元分析（FEA）就成了最先被广泛采用的模拟工具。

多年来,该工具帮助设计者在研究新产品的结构性能时节约了大量时间.由于机械产品日渐复杂,不断加剧的竞争加快了新设计方案投入市场的速度。

设计者迫切感到必须使模拟超出FEA的局限范围,除使用FEA模拟结构性能外，还需要在构建物理原型之前确定新产品的运动学和动力学性能.运动仿真（又称刚性实体动力学）提供了用于解决这些问题的模拟方法，并很快得到了广泛应用。

2.用于机构分析与合成的运动仿真假设设计者要设计一个用于绘制各种椭圆的椭圆规。

在CAD装配体中定义配合后，便可使模型活动起来，以查看机构零部件的移动方式。

虽然装配体动画可以显示装配体零部件的相对运动，但运动速度却没有意义,要得出速度、加速度、驱动力、反馈力、功率要求等结果，设计者需要一个更强大的工具，运动仿真便应运而生了。

图1 CAD动画制作器模拟的处于不同位置的椭圆规运动仿真可以提供运动机构所有零部件的运动学性能(包括位置、速度和加速度）和动力学性能（包括驱动力、反馈力、惯性力和功率要求)的完整量化信息。

更重要的是,不用耗费更多时间就可以获得运动仿真结果。

因为执行运动仿真所需的所有内容都已在CAD装配体模型中定义好了,只需将它传输到运动仿真程序即可.在椭圆规案例中，设计者只需确定马达的速度，要绘制的点以及希望查看的运动结果。

程序会自动执行其余的内容，无需用户干预，程序会自动用等式描述机构运动。

数字解算器会很快解算出运动方程式,包括所有零部件的位移、速度、加速度、接点反作用力和惯性载荷以及保持运动所必需的功率的完整信息。

(图2）图2 由运动模拟器计算的椭圆规线速度和马达功率翻转滑杆机构运动模拟是机械运动学常见示例.为了获得曲柄以匀速旋转时摇臂的角速度和加速度，可以使用多种分析方法来解决该问题。

学生最常使用的是复数方法.但“手动”解决此类问题需要进行大量的计算，耗费时间.且滑杆的形体发生改变，整个计算过程都需从头再来。

机械工程中的数值计算与有限元分析随着科学技术的发展，数值计算方法在机械工程中变得越来越重要。

机械工程师们通过数值计算，可以更准确地预测和分析各种运算，从而帮助他们设计更高效、更可靠的机械系统。

在机械工程中，数值计算主要用于模拟和分析各种物理现象。

其中，有限元分析是一种广泛应用的数值计算方法。

有限元分析通过将复杂的连续体分割成许多小的离散单元，然后以数值方法求解这些单元的行为，从而近似求解整个物体的行为。

有限元分析可以用于解决各种力学问题，如结构分析、热传导分析和流体力学分析等。

在有限元分析中，首先需要将要分析的物体划分成许多离散的单元。

这些单元可以是一维、二维或三维的，根据实际情况来确定。

然后，通过应力平衡、热传导方程和流体力学方程等，建立每个单元内部的力学模型。

接下来，通过数值方法求解单元之间的边界条件和相互作用，从而得到整个物体的行为。

在有限元分析中，广泛使用的数值方法有有限差分法、有限体积法和有限元法等。

其中，有限元法是最常用的数值方法之一。

有限元法将连续体分割成许多小的单元，在每个单元上建立一个适当的数学模型，并将这些模型组合成整个物体的数学模型。

然后，通过数值方法求解这个数学模型，得到物体的应力、应变、温度等重要信息。

有限元分析在机械工程中的应用非常广泛。

例如，在结构分析中，有限元分析可以帮助工程师验证和改进结构的强度和刚度。

工程师可以通过建立合适的力学模型，分析结构在外力作用下的应力分布和变形情况，并进一步评估结构的耐久性和安全性。

在流体力学分析中，有限元分析可以用于模拟流体在复杂空间中的运动和交互。

工程师可以根据流体力学方程，建立合适的数学模型，并通过求解这个模型来分析流体的压力、速度和温度等重要参数。

除了有限元分析，机械工程中的数值计算还有很多其他应用。

例如，工程师可以使用有限差分法来解决一些偏微分方程。

有限差分法通过将空间和时间离散化，将偏微分方程转化为一组代数方程，并通过迭代求解这组方程，得到偏微分方程的数值解。