探析多體動力學(xué)在機(jī)械工程領(lǐng)域的應(yīng)用

趙祎來

摘要：在機(jī)械工程領(lǐng)域中，靈活運(yùn)用多體動力學(xué)能夠提升機(jī)械工程技術(shù)發(fā)展水平。基于此，本文詳細(xì)闡述了多體動力學(xué)在機(jī)械臂、車用發(fā)動機(jī)、機(jī)械產(chǎn)品優(yōu)化、PCB數(shù)控鉆床這幾個機(jī)械工程領(lǐng)域方面中的應(yīng)用，深入分析了基于多體動力學(xué)的機(jī)械工程領(lǐng)域，希望能夠為機(jī)械工程領(lǐng)域的不斷進(jìn)步提供助力。

關(guān)鍵詞：機(jī)械工程;機(jī)械手臂;數(shù)控鉆床

引言：多體動力學(xué)主要是指一門研究由若干個剛性與柔性物體所連接成系統(tǒng)運(yùn)動規(guī)律的學(xué)科，該學(xué)科的內(nèi)容主要包含柔體、剛體兩個方面，能夠弱化機(jī)械工程中計算推導(dǎo)的難度，因此工作者需要深入分析該學(xué)科在機(jī)械工程領(lǐng)域的應(yīng)用方法，并采取有效措施，強(qiáng)化多體動力學(xué)的應(yīng)用效果，加快推動機(jī)械工程的發(fā)展進(jìn)程。

一、在機(jī)械臂構(gòu)建上的應(yīng)用

（一）工業(yè)機(jī)械臂性能建設(shè)

從目前來看，工業(yè)制造業(yè)的發(fā)展離不開機(jī)械自動化技術(shù)，而該技術(shù)的落實很大程度依賴于工業(yè)機(jī)械臂，它作為實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)的基礎(chǔ)設(shè)施，工作者需要先基于實際條件和工作要求，借助多體運(yùn)動力學(xué)來構(gòu)建臂模型，才能逐步完成其的制作和推廣應(yīng)用。從多體運(yùn)動力學(xué)角度來看，工業(yè)機(jī)械臂主要由1個分支與6個自由度，采用固定體的部件連接方式所構(gòu)成，工作者通常會基于多體運(yùn)動力學(xué)，來計算出機(jī)械臂的剛度系數(shù)、當(dāng)量阻尼系數(shù)，確保其性能滿足工業(yè)生產(chǎn)要求。以最具代表性的PUMA760機(jī)械臂為例，該類型機(jī)器人的優(yōu)勢是通過高速攝像儀，結(jié)合頻率域、時間域，將測量得出的電樞電流值轉(zhuǎn)化為驅(qū)動轉(zhuǎn)距，然后基于得出的具體數(shù)值，來設(shè)置自身的參數(shù)，保障其應(yīng)用效果。在此過程中，該機(jī)械臂系統(tǒng)的運(yùn)行，主要依賴于多體動力學(xué)的逆運(yùn)算結(jié)果，并獲得準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)矩平均值，同時，將靜態(tài)參數(shù)轉(zhuǎn)化為物理參數(shù)，得出最終的阻尼系數(shù)、剛度系數(shù)。

（二）航天機(jī)械臂構(gòu)建

航天機(jī)械臂的作用原理為柔性機(jī)械臂振動控制，其具有精度高、質(zhì)量輕的特質(zhì)，主要用于一些精度要求高、范圍大的位置跟蹤業(yè)務(wù)中，因此，該類型機(jī)械臂的構(gòu)建要點為強(qiáng)化振動控制效果。但在此過程中，由于該類型機(jī)械臂極其容易受到鞭狀天線的影響，造成衛(wèi)星振動問題，使得如何保持其穩(wěn)定狀態(tài)成為了又一個重點研究課題。為此，工作者通常會以多體運(yùn)動力學(xué)為基礎(chǔ)理論依據(jù)，根據(jù)其中的柔性多體系統(tǒng)知識，來落實莫泰法或有限段法，實現(xiàn)航天機(jī)械臂的端頭振動控制，同時，也可以向設(shè)備端頭再施加一個制動力，制約機(jī)械臂的振動，優(yōu)化航天機(jī)械臂的大范圍位置跟蹤能力。

二、在車用發(fā)動機(jī)上的應(yīng)用

（一）多剛體系動力學(xué)應(yīng)用

一般來說，對于車用發(fā)動機(jī)來說，多體運(yùn)動力學(xué)在理論上的應(yīng)用主要體現(xiàn)在基于多剛體系統(tǒng)力學(xué)模型計算方面，工作者經(jīng)常會結(jié)合機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動學(xué)、多剛體系統(tǒng)力學(xué)原理，來構(gòu)建程式化的數(shù)據(jù)模型，然后將該模型的計算機(jī)理，開發(fā)成軟件。之后，在發(fā)動機(jī)的設(shè)計中，工作者通過向該軟件中直接輸入所需參數(shù)條件，即可對發(fā)動機(jī)系統(tǒng)模型進(jìn)行程式化的處理，增強(qiáng)發(fā)動機(jī)的性能。在此過程中，其中的計算方法、數(shù)值積分方法，能夠自動得到多體動力學(xué)理論的響應(yīng)，同時，工作者借助現(xiàn)代化的可視技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)以數(shù)據(jù)、圖表、動圖等相結(jié)合的方式，來展現(xiàn)車用發(fā)動機(jī)的設(shè)計效果，提高了多體運(yùn)動力學(xué)的應(yīng)用效果。

（二）虛擬樣機(jī)分析法應(yīng)用

虛擬樣機(jī)分析法的應(yīng)用主要是基于多柔體動力學(xué)，該項動力學(xué)作為多體運(yùn)動力學(xué)的內(nèi)容之一，其中應(yīng)用方法主要為牛頓-歐拉方程、拉格朗日方程、高斯極值原理等方法?，F(xiàn)階段，可以用于發(fā)動機(jī)的虛擬樣機(jī)技術(shù)產(chǎn)品，已經(jīng)有20余種類，它們基本都是以CAD、MS為基本技術(shù)，能夠建立發(fā)動機(jī)內(nèi)部各個構(gòu)建的三維立體模型，然后圍繞多體運(yùn)動力學(xué)，搭建虛擬樣機(jī)模型，消除了仿真分析中的簡化誤差，并實現(xiàn)了對各荷載之間影響的充分分析，提高了分析結(jié)果的準(zhǔn)確性和完整性。以發(fā)動機(jī)中的曲柄連桿機(jī)構(gòu)分析為例，系統(tǒng)會在分析中采用拉格朗日方程、牛頓-歐拉方程等方式，構(gòu)建出活塞位移、活塞速度、連桿角位移等動力學(xué)分析方程，如：X=（R+L）-（Rcosα+Lcosβ）、v=RW（sinα+λ/2*sin2α）、a=RW2（cosα+λcos2α）、β=λsinα[1+1/6λ2sin2α]，然后進(jìn)行運(yùn)動質(zhì)量換算、激動力分析等環(huán)節(jié)，得出計算結(jié)果，以便于工作者進(jìn)行優(yōu)化處理。

三、在優(yōu)化機(jī)械產(chǎn)品性能上的應(yīng)用

（一）傳統(tǒng)優(yōu)化方式的應(yīng)用

在物理環(huán)境中，機(jī)械產(chǎn)品的優(yōu)化需要工作者基于多體動力學(xué)，來研究其在運(yùn)作過程中呈現(xiàn)出的運(yùn)動、受力等接觸關(guān)系，然后在此基礎(chǔ)上，判定機(jī)械產(chǎn)品是否符合實際使用需求。但在傳統(tǒng)的多體運(yùn)動力學(xué)應(yīng)用中，人們往往會將一些機(jī)械運(yùn)行中存在的規(guī)律性接觸關(guān)系進(jìn)行簡化處理，并構(gòu)建出相應(yīng)的建模元件，如力元、運(yùn)動副鉸接等，進(jìn)而提高建模效率和精度。然而在這種應(yīng)用方法下，性能分析結(jié)果中通常會存在簡化誤差，同時，機(jī)械在很多工況下的接觸關(guān)系無規(guī)律可循，導(dǎo)致傳統(tǒng)的多體運(yùn)動力學(xué)應(yīng)用難以達(dá)到預(yù)期的精度和效率。但現(xiàn)階段，人們已經(jīng)開始使用相應(yīng)的軟件，來進(jìn)行高效計算，能夠在一定程度上彌補(bǔ)傳統(tǒng)應(yīng)用方式在效率上存在的不足。

（二）基于軟件的優(yōu)化方式應(yīng)用

為了深入優(yōu)化機(jī)械產(chǎn)品的使用性能，人們開始不斷地追求高精度、高效率的接觸仿真分析技術(shù)，并在多體運(yùn)動力學(xué)基礎(chǔ)上，研發(fā)了Simpack仿真軟件，實現(xiàn)了基于多邊形接觸方法的非規(guī)律性接觸關(guān)系分析，相較于傳統(tǒng)的多體運(yùn)動力學(xué)原理應(yīng)用方式，該軟件具有參數(shù)輸入方便、精度高、速度快等優(yōu)勢，能夠使分析結(jié)果更加準(zhǔn)確和全面，有助于機(jī)械產(chǎn)品性能的發(fā)展。在此過程中，多邊形接觸方法，即PCM接觸方法，采用的是離散幾何表面分析法，如SIMBEAM離散梁、導(dǎo)入的外部CAD等，使得系統(tǒng)中的幾何體可以自動進(jìn)行表面多邊形離散化，以便于軟件全面地分析幾何體表面存在的所有接觸點。此外，在使用中，工作者需要注意，接觸剛度參數(shù)應(yīng)使用默認(rèn)值1E5 N/mm，如果得出的仿真結(jié)果存在問題，再調(diào)整該數(shù)值，保障分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。

四、在PCB數(shù)控鉆床建模仿真中的應(yīng)用

（一）建模

現(xiàn)階段，PCB數(shù)控床模型構(gòu)建和優(yōu)化的主要目標(biāo)是為了使其能夠更好地實現(xiàn)高效、高精度的深孔、微細(xì)孔加工。在此過程中，工作者可以利用多體運(yùn)動力學(xué)，構(gòu)建一個零件實體模型，來探討其實際運(yùn)作與內(nèi)部結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，然后根據(jù)作業(yè)需求，來改善數(shù)控鉆床的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提升其作業(yè)水平。在建模中，工作者可以利用CAD軟件，在UG中構(gòu)建零件模型，然后輸入密度等屬性參數(shù)，再通過ADAMS軟件，計算出零件的慣性矩、質(zhì)量，同時，還要考慮零件的受力變形情況，通過有限單元，來對PCB數(shù)控鉆床進(jìn)行彈性體離散處理。之后，在ADAMS軟件中將離散出的彈性體，按照柔性體進(jìn)行建模，最后再建立系統(tǒng)約束關(guān)系，形成一個完整的PCB數(shù)控鉆床模型。

（二）仿真分析

仿真分析作為尋找PCB數(shù)控鉆床優(yōu)化處理結(jié)構(gòu)點的主要途徑，工作者需要基于多體運(yùn)動力學(xué)，來模擬鉆床在進(jìn)行高效、高精度的深孔、微細(xì)孔加工作業(yè)時的運(yùn)作。在此過程中，工作者需要借助非線性方程，來求解構(gòu)件位置、速度、時間三者之間的關(guān)系，然后模擬出鉆床鉆頭在高效、高精度作業(yè)時的速度、位移等參數(shù)，向工作者反饋出鉆床多剛體模型的運(yùn)行特質(zhì)和效果。之后，模擬出鉆床鉆頭在作業(yè)時的力學(xué)特質(zhì)，如連接點的彈性、形變、阻力等，全面反映出，鉆頭在作業(yè)期間呈現(xiàn)出柔性多體效應(yīng)。最后，工作者基于此，即可針對PCB數(shù)控鉆床進(jìn)行改善，提高其使用效果。

結(jié)論：綜上所述，在機(jī)械工程領(lǐng)域建設(shè)中充分發(fā)揮多體運(yùn)動力學(xué)的效用能夠促進(jìn)機(jī)械化的發(fā)展。在機(jī)械領(lǐng)域中，多體運(yùn)動力學(xué)的應(yīng)用可以強(qiáng)化機(jī)械臂使用性能、增強(qiáng)發(fā)動機(jī)設(shè)計優(yōu)化效果、提高機(jī)械產(chǎn)品優(yōu)化效率、優(yōu)化制造業(yè)生產(chǎn)水平，從而促進(jìn)我國各領(lǐng)域的自動化、智能化發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

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