多体动力学在机械工程领域的应用

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摘 要：文章主要分析了多体动力学在机械工程领域中的应用，通过建立多体动力学模型，并对模型各方面进行详细的分析，并提出了相关的实际应用案例来阐述多体动力学在机械工程领域中的应用效果。

关键词：多体动力学；机械工程领域；机械臂

DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2016.03.075

0 引言

多体系统是大多数机械系统中比较全面、完整抽象、高度概括以及有效描述的一个系统，因此，文章将多体系统作为机械系统中的最佳模型进行分析。多体动力学是一门涵盖了多门科学的自然科学，其包括了工程力学、计算力学等多门科学，也是机械领域中的一门新兴科学。在经过多年的发展与扩充中，多体动力学也将计算机技术吸收，并将其应用于实践中。多体动力学在机械工程中具有较大的影响，并在这一行业中的应用受到越来越多专家与学者的关注。多体动力学在航空航天、机械制造、机器臂等多种机械工程领域有重要应用，并取得了一定的成果。

1 多体动力学简介

多体系统是由多个不同的部件连接而成的机械系统，其机械系统创建主要是实现运动以及机械功能的实现，其中的各个机械部件会出现用力、位移、速率等多种参数的变化。在多体动力学模型搭建的过程中，其主要需要建立相应的坐标系、不同部件的模型以及相应定义的约束、力偶等参数。系统动力学以及运动学是多体动力学的主要研究对象之一，相对于经典力学来说，多体动力学中所涉及的系统都比较复杂，部件之间的自由度各有差异，并且各部位之间的相对位移参数的设定也不同。因此，在运动微分方程的创立以及求解过程都比较困难，其求救过程还需要依赖于计算机工程计算。

1.1 参考框架和坐标系

固定体就是机械运动过程中任意两个部件之间保持距离不变的物体。选取任一固定体上的一点建立一空间三角坐标系能够将固定体进行固定。并且该坐标系的原点会选为固定点，次坐标系也就是固定体的连体基，也就是多体动力学中的局部坐标系。连体基一般被固定在多体系统中的部件中，在系统部件运动的过程中会带动连体基进行运动，但连体基并不会因为固定体的运动而产生状态变化[1]。所以，当确定连体基的具体为之后，固定体上的任意一点位置也就能够确定。连体基的参照对象通常为地面坐标系，地面坐标系是一个固定坐标。固定体和柔性体的坐标定义在多体系统中存在一定的差异，在确定固定坐标或柔性体做包时，固定体的状态发生变化时，柔性体的变化不会随之产生变化，而是通过浮动坐标来确定柔性体坐标位置，柔性体左边的变化会对坐标系中的角和线产生位移的变化，并且能够根据这些变化的差异从而描述出柔性体的变化特征。通过建立广义坐标能够促进运动方程的求解速度，因此，为了得到坐标系的具置，需要选择相应的转动广义坐标来计算出余弦矩阵。其中主要有两种计算方式：一种是卡尔丹角或欧拉角作为计算规范，但这种方式得出的数值准确性较低；另一种是选取余弦矩阵为元素进行计算，但同时会增加约束方程，并且变量的求解难度会随之产生变化。

1.2 模型与模型元素

部件、约束以及力元等要素都是组成多体系统的重要部分。从机械设备的结构上分析，机械设备中的铰、力元、力偶等要素具有多样化。例如机械设备中约束基本类型就多达数十种。因此，为了有效管理机械各要素，可根据要素的属性进行分类，从总体上可分为分析力模型元素、约束模型约束、部件模型约束、力模型约束。

2 多体动力学在机械工程领域的实际应用

2.1 机械手臂

工业机器人属于典型的多体动力学模型，其主要由1个分支、6个自由度组成，其中各个部件之间都是由固定体进行连接的。以现代工业中应用范围较广的PUMA760机器人进行分析，其通过频率域以及时间域，而其参数设置是通过高速摄像仪测量所得出的，将测量所得的电枢电流值转化为驱动转矩[2]，并得出相应的具体数值。根据多体动力学的逆预算能够得到当前设备的驱动转矩平均值。通过模拟处理后的静态参数值转化为设备的物理参数值，能够得到机器人的的当量阻尼系数以及刚度系数。

2.2 柔性机械臂振动控制

轻质量航天机械臂是一种高精度的航天设备，其需要能够完成大范围高精度的位置跟踪运动，因此，要求机械臂能够对振动进行有效控制；但是由于卫星会由于鞭状天线的影响产生振动，所以，状态的稳定也是其构建中的重要关节。从其构建的方式可以坎作为一种柔性多体系统。莫泰法或有限段法是一种有效控制端头振动的方式，并且已经得到实践证实，在很大程度中能够解决柔性臂端点振动的问题，其主要是通过在适当的时机对设备端头施加一个制动力。柔性臂的频率以及固有阻尼对施加制动力的时机有一定的影响。为了有效防止控制航天机械臂端点振动的问题，同时还要考虑到系统的动态特性。通过相关文献发现，柔性臂端点的变形能够实现全闭环反馈的最佳效果，并且讷讷过过实现振幅最小化的作用[3]。

3 结束语

多体动力学在机械工程领域中的应用已经有几十年，并且随着现代科学技术的不断发展，呈现多样化发展，在现代计算机技术、智能识别等领域中都有涉及，并且在航空航天、智能机械等方面的研究中都取得了较大的进步。随着多体动力学的不断扩展和丰富，在机械领域中的应用也越来越重要，是机械工程创新的新渠道，在未来的机械工程中，其相关应用研究以及理论会得到充分完善，有助于推动我国机械工程领域的技术得到发展。

参考文献：

[1]王良模，安丽华，吴志林等.基于多体动力学的ESP控制系统联合仿真[J].南京理工大学学报（自然科学版），2013，35（02）：213-218.

[2]张艳海.多体动力学在机械工程领域的应用[J].城市建设理论研究（电子版），2015，09（21）：2797-2798.

[3]杨玉维，刘振忠，董黎敏等.基于多体动力学的轮式悬架移动刚-柔并联机械手动力学性能研究[J].高技术通讯，2014，24（09）：975-981.

[4]戴丽，刘杰，刘宇等.基于多体动力学的混凝土泵车臂架的运动分析[J].东北大学学报（自然科学版），2013，28（10）：1469-1472.

[5]吴春峰.多体动力学在机械工程领域的应用探究[J].低碳世界，2014，11（04）：295-296.

作者简介：郭娟（1983-），女，河南新乡人，讲师，研究方向：机械。