面向六维微重力模拟平台的符号多体动力学研究

In this project,symbol multibody system dynamics is mainly used for modeling，calculating simulation，software realization and designing of six-dimension microgravity simulation platform in aerospace engineering. Symbol multibody system dynamics，as an part of CAE，can provide the engineering designers a good software tool for dynamic synthetical analysis，mechanical optimization and design。This project involves fully cartesian coordinates，operator algebras， spinor ， and symbolic computation，on the basis of which, the general software which used in simulating calculation of mechanical system dynamics was written and developed。This software which contains nonlinear dynamics analysis and linear dynamics analysis，can solve dynamic mechanical analysis and simulating calculation of arbitrary topology，get the motion equations of the multibody systems in the symbolic form and the source program which used for numerical calculation。Then，calculate and output the results for users.Based on parallel mechanism ,a six-dimension microgravity simulation platform is designed,its branched-chain was drove by motor and cylinder. The simulation accuracy of this platform can reach to 5%. The research achievement of symbol multibody system dynamics has been applied and validated in the Development of the platform

本项目的符号多体系统动力学研究是围绕机械多体系统的动力学建模、仿真计算与软件实现及其在航天工程中的六维微重力模拟平台应用等工作展开。作为计算机辅助设计工程(CAE)的一部分，它主要任务是面向工程实际，为工程设计人员提供动力学分析与综合、机械优化和设计的良好软件。本项目将在选取完全笛卡尔坐标、旋量与算子代数以及引入计算机符号推导思想的基础上，编制与开发机械系统动力学仿真计算的符号推导通用软件，该软件将集非线性动力学分析和线性动力学分析于一体，能解决带有任意拓扑结构的多体系统的动力学分析与仿真计算，得到符号形式的多体系统动力学方程，并自动生成其数值计算的源程序，进行计算和输出用户所需结果。研制一套基于并联机构的六维微重力模拟平台，其分支腿采用电动和气动联合驱动的方式，微重力模拟精度在5%重力加速度以内，该平台研制将充分应用符号多体系统动力学的研究成果，同时也对符号多体系统动力学进行验证。

本项目围绕机械多体系统的动力学建模、仿真计算与软件实现及其在航天工程中的六维微重力模拟平台应用等工作展开。软件由数据输入、数据前处理、符号推导及数值计算和数据输出四个要部分组成。前处理模块是可视化界面，采用VB.NET语言编写，用户对多体系统进行拓扑结构和约束信息等参数描述。核心运算模块部分符号推理和数值计算等由Mathematica语言完成，可帮助用户不必进行烦琐的动力学推导，而把主要精力放在模型的合理简化以及参数的选取等方面，本项目实现了Mathematica软件与VB.NET编程语言的无缝集成。研制了一套基于并联机构的六维微重力模拟平台，其分支腿采用电动和气动联合驱动的方式，完成了六维微重力模拟系统的总体与优化设计，并联平台的运动学、动力学分析，传感器的信号分析与处理，控制算法的研究与控制器的设计，搭建了六维微重力模拟平台的物理原型样机，微重力模拟精度在5%重力加速度以内，该平台研制充分应用符号多体系统动力学的研究成果，同时也对符号多体系统动力学进行验证。理论与实践研究的成果不仅丰富了并联机构的技术进步，而且为地面六维微重力模拟平台提供了一条可行的途径。