多剛體動力學仿真技術在汽車設計中的應用

成偉華

（順德職業技術學院，廣東 佛山　528300）

多剛體動力學仿真技術在汽車設計中的應用

成偉華

（順德職業技術學院，廣東 佛山528300）

闡釋了多剛體仿真技術的起源以及發展歷程，目前多剛體在多個行業和領域中應用廣泛，汽車行業就是其中之一。文章的研究對象是多剛體動力學仿真技術在汽車行業中的應用，采用幾種不同的研究方法，對多剛體仿真技術在動力學，運用學以及安全性能等多個方面的應用展開研究，肯定了多剛體系統的優勢及其可觀的發展前景。

仿真技術；多剛體系統；汽車設計；動力學；安全性能

1　多剛體仿真技術的起源和發展歷程

事實上，多剛體系統的起源可以追溯到兩個世紀以前，科學家歐拉在研究動力學的過程中提出多剛體系統的概念，由此引發學界的高度關注。在過去的200多年中，國內外的專家學者始終致力于研究多剛體系統的應用，并且在其多個方面都有重大的研究突破，大大地推動了多剛體力學的發展。然而，多剛體系統的研究大多停留在理論層次上，而現實中的問題通常比想象中的更為復雜，所以單純使用傳統的知識和技術解決問題已經不能滿足人們的需求，為此，新理論的發展成為了大勢所趨。

科學是推動經濟發展的源泉和動力，早在上世紀，我國的工程行業，航天技術就進入了快速發展的階段，這在一定程度上對動力學的發展提出了更高地要求。在力學研究中，電子信息技術扮演著至關重要的角色。科學家們利用現代信息技術，提出了以力學為基礎的多剛體系統，這無疑是動力學研究中的重大突破。從本質上來說，多剛體系統的提出離不開傳統力學的理論基礎，因此，不少科學家認為多剛體是傳統力學的延伸。

進入21世紀以來，多剛體仿真技術以驚人的速度發展，并且逐步擴大其應用范圍，圖1是多剛體系統的主要應用領域介紹。據了解，多剛體系統在發展之初僅僅是應用在單一的航天領域中，隨后才將研究范圍逐漸擴大到其它交通工具上，目前對多剛體系統應用的研究主要集中在汽車方面。隨著其它學科的不斷發展，多剛體系統的研究范圍又在進一步擴大，不少科學家開始研究多剛體系統在機器人中的應用，查閱文獻可知，在多年的發展過程中，多剛體系統的研究成果數不勝數。

圖1　應用領域

由于多剛體系統具有獨特的優勢，廣泛的應用范圍，所以引起了各個領域專家的關注。早在20世紀70年代，國際上就曾經舉辦一次專門探討多剛體系統的會議，八年以后，第二次會議再次召開，專家們提出了各自的設想和意見。專家們提出了多種研究方法，總結了各自的研究成果，并將研究的過程演示了一次，部分專家認為，多剛體是一個全新的理論，它以動力學的知識為基礎，未來將會應用在多個行業和領域中，其發展前景是十分可觀的。

2　研究多剛體仿真技術系統的方式

總結多剛體仿真系統多年的研究成果可知，其研究方法雖然千差萬別，但也存在互通之處。從多剛體系統中計算出的數學方程能夠通過計算機進行計算。從本質上來說，多剛體系統本來就是一個復雜多變的動力學系統，它的連接方式可能存在成千上萬種可能性。因此，專家們要通過多剛體系統建立方程并非易事，而非線性方程更是研究中的難點。要順利完成這些方程的計算和解答，不得不依靠先進的計算機系統。以下是多剛體系統不同研究方法。

（1）結構圖和基礎理論結合的方法。多剛體仿真系統的研究需要涉及復雜的數學運算，因此，將結構圖與基礎知識相結合是其中一種典型的研究方式。研究者通過建立組織結構圖表達出多剛體系統中各部分之間的關聯，然后用多種數學工具求出對應的力學方程。不少專家學者為了使方程更加清晰，引入了增廣體的定義。這種研究方法又被稱為R-W法，其代表人物是羅賓遜教授。

（2）凱恩法。顧名思義，凱恩法的開創者便是凱爾教授，它的理論是先建立一個陣列，表達出多剛體系統的內部結構，然后引用動力學中的相關概念和原理，結合陣列中的坐標，建立對應的方程式。凱恩法的特點是不需要借助復雜的微分方程，能夠自動刪除不利的因素，從而確保方程的準確性。

（3）狄拉克旋量法。狄拉克旋量首先出現在狄拉克本人提出的方程中，多剛體運動并不是一種平面運動，而是一種立體運動，所以在研究過程中需要使用矢量。德國多名專家認為狄拉克旋量法適用于研究多剛體系統，他們建立了對應的方程，取得了讓人滿意的研究成果。

（4）建立坐標法。建立坐標是研究力學運動時常常采用的一種經典方法，研究者通過微分方程建立多剛體系統對應的矩陣，從而推倒出對應的動力學方程。坐標法以拉格朗日方程為基礎理論，使用該方法研究動力學的代表人物以Haug為主。

3　多剛體系統的運用

隨著多剛體系統的不斷發展，其在汽車領域的應用也進入了成熟的階段。如今，不管是汽車的某個部件還是汽車的整體運行系統，都能夠看到多剛體系統的應用。早在20世紀末期，美國和德國的汽車公司就已經致力于研究多剛體系統在汽車設計中的應用和推廣，并且取得了讓人滿意的研究成果，具體如下。

（1）多剛體仿真系統應用在汽車動力學中。圖2生動地反映了多剛體系統在汽車動力學中的應用，利用計算機程序能夠對汽車的運行狀況進行模擬，詳細講述了如何選取汽車的對應坐標。圖3是通過電腦模擬得出的曲線，它反映了汽車的運行情況，其中縱坐標表示汽車的加速度，而橫坐標描述的是汽車行駛距離的變化。其中圖3（a）反映的是汽車司機的響應過程，而圖3（b）反映的是汽車的響應過程。假設司機駕駛汽車越上6cm高的階梯，然后再跨過一個5cm深的坑，那么司機和汽車的響應狀態則如圖3所示。

圖2　多剛體系統在汽車動力學中的應用

圖3　司機和汽車的響應狀態

（2）多剛體仿真系統應用在汽車運動學中。使用狄拉克旋量法，可以分析出汽車的運動軌跡，如圖4所示。它是一個自上而下的俯視圖，清晰地反映了汽車在發生偏離時各個部件的情況。

圖4　汽車的運動軌跡

（3）在汽車安全性研究中的運用。專家學者們在對多剛體系統多年的研究中發現，它在汽車領域的應用具有幾個明顯的優勢：①適用范圍廣。只要在計算機系統中錄入對應的資料，系統就能夠根據資料計算出多剛體系統對應的方程，不管是簡單的運動還是復雜的運動，都能夠通過電腦推算出對應的方程。且通過電腦模擬能得到符合人體工學特征，如圖5所示。②準確度高。由于多剛體系統的計算借助電腦，所以計算過程和計算結果比人為操作更加的精準。汽車模型一般都是較為復雜的機械問題，分析多剛體系統在汽車中的應用，需要建立模型，推導出對應的方程，這一切都離不開計算機系統的幫助。③運行速度快。研究多剛體系統必須建立模型和方程，不管采用哪一種算法，都需要使用計算機。筆者采用R-W的方法對多剛體系統進行分析，盡管方案多達數十個，但計算機的處理速度仍然十分驚人，小型機的處理速度更是每個方案只需數10s。

圖5　人體工學特征圖

綜上所述，多剛體仿真系統在汽車行業的應用前景十分廣闊。

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Application of Multi-rigid-body Dynamics Simulation Technology in Automobile design

CHENG Wei-hua
（Shunde Polytechnic，Foshan，Guangdong 528300，China）

Narrate the origin and development of multi-rigid-body simulation technology.So far，the more rigid body has been widely applied in many industries and fields，the car industry is one of them.The research object of this paper is the application of multi-rigid-body dynamics simulation technology in the automotive industry.Using several different research methods，research the application of multi-rigid-body simulation technology in dynamics，using and safety，and other aspects of the application study，confirmed the advantage of multi-rigid-body system and the considerable development prospects.

simulation technology；multi-rigid-body system；automobile design；dynamics；safety performance

U462

A

2095-980X（2016）04-0045-02

2016-03-18

成偉華，湖北通山人，碩士，高級工程師，主要研究方向：汽車運用、汽車機械設備方面研究開發與教學。