探究多體動力學在機械工程領域的應用

張立剛

摘要：傳統力學經過多年發展，當前已經開發出了多種分支，其中多體動力學由于其與工程實踐能夠更好地契合，所以成為當前機械工程領域中的重點研究項目。基于對多體動力學使用方式和通常應用流程的分析，本文指出了這一力學體系在機械工程領域中的通常應用形式，并在此基礎上提出具體的應用方法，以全面推動機械行業的進一步發展。

關鍵詞：多體動力學;機械工程;技術應用

中圖分類號：TH113文獻標識碼：A文章編號：1671-2064（2019）17-0000-00

0 引言

多體動力學在當前的研究過程中已經開發出了專用的軟件，并且取得了良好的應用效果，其采用模式較為固定，當前已經制定出了成熟的理論框架，并且在各類機械行業中，可以發現其能夠取得良好的應用效果。本文基于對應用方法以及其理論框架的研究，制定了具體的應用方法體系，以更好帶動機械行業的發展。

1 多體動力學的使用方式和流程

多體動力學技術的應用流程為，首先完成復雜構件體系建模工作，其次要應用專用計算機獲取動力學規律，最后為完成數據后處理工作，如動畫演示、圖表顯示等。對復雜機械體系的建模過程來說，可以采用多種三維建模軟件完成，并且當前已經開發出的多體動力學研究軟件和其余的三維建模軟件有很高的連接效果，所以可以通過對設備結構的合理建模規劃，降低整個系統的難度。對于計算機分析系統來說，可以通過對相關理論體系和理論框架的使用完成對各類數據的處理和整合，當前牛頓力學體系已經開發出了多種應用模式，所以通過對相關參數的輸入和調整，完成對整個系統的動力學分析工作有良好的應用前景。對于數據的后處理工作，可采用的方法為將該軟件與其余軟件融合，最終開發出相應的演示動畫等內容。

常用方法包括拉格朗日方程、圖論方法以及矢量研究方法，在具體的使用過程中，要通過對相關模型的研究和分析，合理選擇相應的數據處理方法，并在此基礎上提高整個系統的數據處理精度。

2 多體動力學在機械工程領域中的應用

2.1機械加工行業

機械加工行業要求能夠完成對加工設備的良好控制，在此基礎上確保最終加工出的產品質量能夠符合設計要求。在具體的機械加工行業中要求專業人員能夠根據對最終產品類型的研究和分析，制定相應的產品運行模式，并在此基礎上確定各類參數。常見的參數包括相關桿件的長度、圓盤活動件的直徑、各類可活動構件的自由度等，只有在所有項目都符合要求的情況下才可以發揮具體的加工作用。雖然傳統動力學也能夠完成對相關參數的確定，然而其需要投入大量的計算精力，通過對多動力理論的應用和相關技術的分析，可以在確定基礎參數的情況下，完成對各類設施和參數的進一步確定工作，最終讓整個產品的參數能夠根據制定的產品方案，完成具體的生產項目。

2.2機器人研發行業

機器人已經成為當前的一項重點研究內容，并且其能夠在多個行業中發揮重要作用，其中最常見的為工業機器人。

然而對于各類機器人來說，其內部都含有大量的活動構件，并且其最基礎的零部件通常為桿件、齒輪和圓盤等，這就導致整個系統的控制難度提高，并且要能夠從整體上完成對所有零部件的精密性控制和計算。傳統的工作過程采用傳統動力學的方法完成對各類零件參數的具體分析，比如對于某工業機器人來說，其采用的方法為采用三段桿件連接的懸臂形式完成焊接工作，而對于各類不同的懸臂桿件來說，其長度都存在一定的差異，在具體的計算過程中，根據整個機器人的活動空間，確定懸臂的最大連接長度以及最小連接長度，通過對相關桿件之間夾角的研究和分析，確定不同連接桿的合理長度，完成各類設備的參數確定后，要進一步分析機器人中其余活動構件的自由度，并且也要考慮這一自由度設計方案對系統中之前確定參數造成的精密度影響，以此為標準落實相應的調整和優化工作，以探索整個機器人的運行狀態和運行精度是否符合要求，為降低分析和建模難度，多體動力學理論可以通過對一些限制性參數的輸入，更為高效精確地確定各類零件參數。

2.3設備控制行業

設備控制行業并非只通過對相關軟件的研發完成對整個設備的運行狀態優化，而是需要考慮設備中的各類參數，在此基礎上建成最佳的管理和控制系統，可以說科學性越高的控制系統對基礎學科的要求越高。

在傳統的工作過程中一方面通過對一些標準化的構件參數的輸入，讓工作人員以及系統的開發人員能夠更好地完成對新的軟件系統研發，而對于一些個性化程度較高的設備來說，相關零件的標準與當前制定的國家標準和世界性標準不同，需要對其完成個性化的參數確定，所以采用傳統的方法過程中，需要建成個性化的運算體系，最終完成對整個控制系統的優化和改革。采用單項計算的方法需要消耗大量的時間和精力，而采用多體動力學理論，可通過對計算機系統的操作，完成對各項參數的輸入和確定，在此基礎上建成相應的設備運行模型，可采用動畫的形式，讓工作人員能夠更好地確定這一系統的今后優化方向，從而讓這一系統能夠獲得更好的發展。

2.4設備受力分析

在一些設備的運行和使用之前需要通過對其的受力分析工作，完成對整個系統的研究，以防止該設備在行過程中出現運行質量下降問題。

設備的受力分析工作通常情況下難度較低，只需要掌握理論力學知識和材料力學知識即可完成該項工作，然而對于復雜結構的設備來說，需要考慮的力的類型較多，并且系統中形成的干擾效果較大，需要考慮設備本身振動受到的外力以及系統中產生的其余內力等所有的參數，完成對最終受力效果的研究。比如對于航空航天設備、高壓輸電塔架來說，都需要完成對這一工作內容的落實，確保整個系統能夠處于最佳的運行狀態。

多體動力學在使用過程中，要求工作人員向計算機系統輸入設備中各個零部件的參數，并且向系統中輸入所有的受力參數，即可完成整個系統的研究和分析，最終讓這一系統的運行質量大幅提高。另外在受力參數和受力結果的獲取與研究中，要和相關設備的最高承力效果進行對比，當發現某零件的受力和現實參數對比，分析設備是否能夠正常運行，以合理制定優化方案，讓系統能夠處于正常穩定的運行狀態。

3 多體動力學在機械工程領域中的具體應用方法

3.1模型建設工作

機械工程領域中的各類設備都具有較高的復雜度，并且需要多種零部件的協同運行才能夠發揮其應有作用，所以在模型的建設工作中為了能夠降低整個系統的運行便捷性，可以采用分階段構建模型的方法完成具體的受力分析。

比如對于某型號的火箭受力情況研究過程來說，首先完成對整體外殼的建模工作，通常情況下該系統需要研究的力包括外力和內力，其中外力主要為運行過程中受到的風阻力、側向風力以及地球引力等，而內力包括運行過程中產生的振動力、材料自然震動頻率引發的振動等，在具體的研究過程中要根據實際的火箭型號完成對各項參數的輸入。通過對其余參數的建設和提交可讓系統確定火箭外殼而不同區域的受力情況，與外殼建設過程中的薄弱點進行比對，當發現具體的受力情況與薄弱點的承力參數相近或者超出時，只要通過對外殼的調整以及對薄弱點的優化，防止運行過程中出現解體問題。

而對于內部的一些零部件受力情況分析過程來說，需要研究的項目包括飛行過程中產生的震動、地球引力以及運行過程中產生的科氏加速度等，只有在所有項目都能夠被正確確定的情況下，才能夠完成對整個單元以及零部件的分析。這些參數在火箭的設計過程中已經可以獲知，或者可以將這些參數制作火箭運行中的限制性參數，研究實際運行受力情況和允許的最大受力參數是否相同或超出，以確定是否需要落實相應的優化工作。

3.2相關參數獲取

相關參數的確定和獲取過程，通過對整個系統的研究和完善完成對相關加工參數的分析，以確保整個系統能夠正常穩定運行。一方面要通過對具體加工參數的輸入，研究整個設備的運行情況，另一方面也需要輸入相應的限制性指標，在這兩類參數的共同作用下，可以研究和分析該設備運行過程是否可能出現解體問題。

另外在數據的獲取過程中，要求該過程建成的模型為整體性模型，通過對各類參數的收入，計算機軟件自動完成對整個系統中相關零件所承受最大的承力參數的研究和分析，同時可采用精確測量等方法，完成對實際加工參數的確定，通過兩個參數間的比較，分析相應的加工過程參數是否能夠滿足系統的正常穩定運行要求。

3.3規律研究工作

規律的研究工作主要為確定整個設備中各類零件的具體運行情況，本文采用的方法為，通過將相關參數輸入的方法，完成對建設模型整體受力情況的全面分析，最終讓這一系統能夠更好的運行，同時確定設備的被優化方法。

另外也可采用分階段建模的方式，研究在設備的具體運行過程中相關構件之間的具體運動模式和相互影響效果，而在后續的研究過程中，將已經建成的分階段模型和其余的子系統模型進行對接，通過對這種方法的應用可以研究整個模型中，各類受力構件之間的疊加效果，從而確定不同零部件的具體運行狀況。甚至可以通過這種方法確定當前制定的自由度方案是否符合要求，當發現最終系統的作用效果和預期的工作效果之間存在過大差異時，則可確定該系統無法正常穩定運行，需要采取合理的方法完成對設備的優化工作。

4 結語

綜上所述，多體動力學在具體的系統研發過程中，首先要完成對設備的建模工作，其次要完成對相關參數的輸入和模型運動規律的獲取，最后為落實對數據的后處理工作，以完成對整個設備受力情況的研究。而在機械工程要發揮作用時，發揮的作用包括對設備的優化、機器人的研發等，在具體的使用過程中要完全按照當前已經制定的使用方案完成對各類參數的獲取和輸入，以研究該設備是否能夠正常運行。

參考文獻

[1]李道力，于珈懿，高粼澤，劉浩，莫艷燕，寧今明.多體動力學在機械工程領域的應用[J].湖北農機化，2019（12）：33.

[2]劉力瑗.多體動力學在機械45號鋼加工工程領域的應用[J].世界有色金屬，2017（13）：53+55.

[3]溫國偉.多體動力學在機械工程領域的應用分析[J].科技視界，2017（13）：89.

[4]佘航宇.多體動力學在機械工程領域的應用[J].時代農機，2017，44（02）：42+44.

收稿日期：2019-08-02

作者簡介：張立剛（1972—），男，河北石家莊人，大專，主要負責公司發展戰略，總體規劃方面的工作。