多體動力學在機械工程領域的應用

郭　娟（新鄉職業技術學院,河南　新鄉　453006）

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多體動力學在機械工程領域的應用

郭娟
（新鄉職業技術學院,河南新鄉453006）

摘 要：文章主要分析了多體動力學在機械工程領域中的應用，通過建立多體動力學模型，并對模型各方面進行詳細的分析，并提出了相關的實際應用案例來闡述多體動力學在機械工程領域中的應用效果。

關鍵詞：多體動力學；機械工程領域；機械臂

0　引言

多體系統是大多數機械系統中比較全面、完整抽象、高度概括以及有效描述的一個系統，因此，文章將多體系統作為機械系統中的最佳模型進行分析。多體動力學是一門涵蓋了多門科學的自然科學，其包括了工程力學、計算力學等多門科學，也是機械領域中的一門新興科學。在經過多年的發展與擴充中，多體動力學也將計算機技術吸收，并將其應用于實踐中。多體動力學在機械工程中具有較大的影響，并在這一行業中的應用受到越來越多專家與學者的關注。多體動力學在航空航天、機械制造、機器臂等多種機械工程領域有重要應用，并取得了一定的成果。

1　多體動力學簡介

多體系統是由多個不同的部件連接而成的機械系統，其機械系統創建主要是實現運動以及機械功能的實現，其中的各個機械部件會出現用力、位移、速率等多種參數的變化。在多體動力學模型搭建的過程中，其主要需要建立相應的坐標系、不同部件的模型以及相應定義的約束、力偶等參數。系統動力學以及運動學是多體動力學的主要研究對象之一，相對于經典力學來說，多體動力學中所涉及的系統都比較復雜，部件之間的自由度各有差異，并且各部位之間的相對位移參數的設定也不同。因此，在運動微分方程的創立以及求解過程都比較困難，其求救過程還需要依賴于計算機工程計算。

1.1參考框架和坐標系

固定體就是機械運動過程中任意兩個部件之間保持距離不變的物體。選取任一固定體上的一點建立一空間三角坐標系能夠將固定體進行固定。并且該坐標系的原點會選為固定點，次坐標系也就是固定體的連體基，也就是多體動力學中的局部坐標系。連體基一般被固定在多體系統中的部件中，在系統部件運動的過程中會帶動連體基進行運動，但連體基并不會因為固定體的運動而產生狀態變化[1]。所以，當確定連體基的具體為之后，固定體上的任意一點位置也就能夠確定。連體基的參照對象通常為地面坐標系，地面坐標系是一個固定坐標。固定體和柔性體的坐標定義在多體系統中存在一定的差異，在確定固定坐標或柔性體做包時，固定體的狀態發生變化時，柔性體的變化不會隨之產生變化，而是通過浮動坐標來確定柔性體坐標位置，柔性體左邊的變化會對坐標系中的角和線產生位移的變化，并且能夠根據這些變化的差異從而描述出柔性體的變化特征。通過建立廣義坐標能夠促進運動方程的求解速度，因此，為了得到坐標系的具體位置，需要選擇相應的轉動廣義坐標來計算出余弦矩陣。其中主要有兩種計算方式：一種是卡爾丹角或歐拉角作為計算規范，但這種方式得出的數值準確性較低；另一種是選取余弦矩陣為元素進行計算，但同時會增加約束方程，并且變量的求解難度會隨之產生變化。

1.2模型與模型元素

部件、約束以及力元等要素都是組成多體系統的重要部分。從機械設備的結構上分析，機械設備中的鉸、力元、力偶等要素具有多樣化。例如機械設備中約束基本類型就多達數十種。因此，為了有效管理機械各要素，可根據要素的屬性進行分類，從總體上可分為分析力模型元素、約束模型約束、部件模型約束、力模型約束。

2　多體動力學在機械工程領域的實際應用

2.1機械手臂

工業機器人屬于典型的多體動力學模型，其主要由1個分支、6個自由度組成，其中各個部件之間都是由固定體進行連接的。以現代工業中應用范圍較廣的PUMA760機器人進行分析，其通過頻率域以及時間域，而其參數設置是通過高速攝像儀測量所得出的，將測量所得的電樞電流值轉化為驅動轉矩[2]，并得出相應的具體數值。根據多體動力學的逆預算能夠得到當前設備的驅動轉矩平均值。通過模擬處理后的靜態參數值轉化為設備的物理參數值，能夠得到機器人的的當量阻尼系數以及剛度系數。

2.2柔性機械臂振動控制

輕質量航天機械臂是一種高精度的航天設備，其需要能夠完成大范圍高精度的位置跟蹤運動，因此，要求機械臂能夠對振動進行有效控制；但是由于衛星會由于鞭狀天線的影響產生振動，所以，狀態的穩定也是其構建中的重要關節。從其構建的方式可以坎作為一種柔性多體系統。莫泰法或有限段法是一種有效控制端頭振動的方式，并且已經得到實踐證實，在很大程度中能夠解決柔性臂端點振動的問題，其主要是通過在適當的時機對設備端頭施加一個制動力。柔性臂的頻率以及固有阻尼對施加制動力的時機有一定的影響。為了有效防止控制航天機械臂端點振動的問題，同時還要考慮到系統的動態特性。通過相關文獻發現，柔性臂端點的變形能夠實現全閉環反饋的最佳效果，并且訥訥過過實現振幅最小化的作用[3]。

3　結束語

多體動力學在機械工程領域中的應用已經有幾十年，并且隨著現代科學技術的不斷發展，呈現多樣化發展，在現代計算機技術、智能識別等領域中都有涉及，并且在航空航天、智能機械等方面的研究中都取得了較大的進步。隨著多體動力學的不斷擴展和豐富，在機械領域中的應用也越來越重要，是機械工程創新的新渠道，在未來的機械工程中，其相關應用研究以及理論會得到充分完善，有助于推動我國機械工程領域的技術得到發展。

參考文獻：

[1]王良模,安麗華,吳志林等.基于多體動力學的ESP控制系統聯合仿真[J].南京理工大學學報（自然科學版）,2013,35(02):213-218.

[2]張艷海.多體動力學在機械工程領域的應用[J].城市建設理論研究（電子版）,2015,09(21):2797-2798.

[3]楊玉維,劉振忠,董黎敏等.基于多體動力學的輪式懸架移動剛-柔并聯機械手動力學性能研究[J].高技術通訊,2014,24(09):975-981.

[4]戴麗,劉杰,劉宇等.基于多體動力學的混凝土泵車臂架的運動分析[J].東北大學學報(自然科學版),2013,28(10):1469-1472.

[5]吳春峰.多體動力學在機械工程領域的應用探究[J].低碳世界,2014,11(04):295-296.

作者簡介：郭娟（1983-），女，河南新鄉人，講師，研究方向：機械。

DOI:10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.03.075