论文研究的虚拟样机领域,其重要特征是在设计阶段集成设计与仿真分析,转化设计模型为分析模型是设计与仿真集成的重要组成部分。随着数学、力学、机械、电子、计算机科学等学科的发展而发展起来的计算多体系统动力学对于提高机电产品和系统的设计分析水平具有非常重要的意义。在虚拟原型研究中,开发通用的、开放性的多体系统动力学软件,对虚拟原型在综合仿真方面扩展具有重要的价值。 虚拟原型研究中,CAD设计模型与分析模型关联方面现有研究成果更多地集中在结构分析方面,对性能仿真应用的支持较少。论文集成了CAD设计模型与多体系统动力学仿真性能分析模型,提出并实现了CAD模型下的多体动力学虚拟原型框架和求解流程。基于面向对象的建模思想,对已有的研究模型进行通用性扩展,研究了针对计算多体系统动力学的设计分析集成模型的形式化表达方式和实例化构建方案。 采用多体动力学笛卡尔坐标建模形式,开发软件进行研究。广泛地实现了多种不同的计算求解方法,例如,直接法、增广法、隐式变量分离法等。研究了不同求解方法的详细实现算法和不同求解方法参数的特征。研究了一般性的DAE理论对于微分—代数方程的求解方法后,提出对于DAE理论下受约束多体系统微分—代数动力学方程的表达形式和求解方法。 从虚拟原型的研究出发,以对多体系统动力学的分析为分析应用背景。在需要开放分析模型内部构造的前提下,开发了笛卡尔坐标建模形式的三维多刚体系统动力学软件d3Mechs。软件开发中以软件工程面向对象思想为出发点,对多体动力学系统进行建模,采用UML(统一建模语言)分析、表达、开发多体动力学软件。d3Mechs开发中充分利用了多态、封装等面向对象特性,实现多体动力学软件程序的复用与内部细节的封装。因此,软件具有很强的可扩展性与可维护性,例如,支持数值算法程序的可重用性和可扩展性(如线性代数算法、积分算法等);支持三维操作算法的数据结构,并且实现了面向对象的封装(如空间矢量变换、约束库的矩阵运算等);开发了表达式语法解析工具,实现了函数表达式的自动识别与自动计算。论文应用的开发方法和实现的开发工具,在研究、开发通用的机械系统虚拟原型中具有很强的可扩展性和实用价值。