多體動力學(xué)在機械工程領(lǐng)域的應(yīng)用

曹科

摘要：多體系統(tǒng)指的是多大多數(shù)的機械系統(tǒng)之中一個較為全面、完整的系統(tǒng)，其比較抽象且具有高度概括性，正因如此，多體系統(tǒng)輝成為機械系統(tǒng)之中的一個最佳模型。多體動力學(xué)屬于自然科學(xué)，涵蓋了許多門科學(xué)，如：工程力學(xué)，多體動力學(xué)、分析力學(xué)、控制理論等作為機械領(lǐng)域的新型科學(xué)被廣泛的使用。多體動力學(xué)經(jīng)過了多年的發(fā)展以及補充，被廣泛的應(yīng)用于實際。本篇文章從多體動力學(xué)的模型建立入手，分析了在機械工程領(lǐng)域之中，多體動力學(xué)的廣泛應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：多體動力學(xué);機械工程領(lǐng)域;應(yīng)用

前言

多體系統(tǒng)是機械系統(tǒng)之中的最有效、最完整的系統(tǒng)，其作為一個綜合性的學(xué)科，綜合了其它積累學(xué)科的優(yōu)勢，并且已經(jīng)成為了機械領(lǐng)域之中發(fā)展最快的一個學(xué)科。經(jīng)歷了多年的發(fā)展，如今，計算機系統(tǒng)也被廣泛的應(yīng)用于多體系統(tǒng)，并且這種新型的多體系統(tǒng)被廣泛的投入實踐。在機械工程領(lǐng)域，多體動力學(xué)的應(yīng)用是十分廣泛的，并且這一技術(shù)也受到了更多的人的關(guān)注。如今的多體動力學(xué)在航天航空、機械等多個領(lǐng)域被應(yīng)用，而且效果顯著。

一、多體動力學(xué)簡介

1.參考框架和坐標系

在機械做運動的過程中，可以使兩個部件保持在一個穩(wěn)定的距離稱之為固定體。

固定體具體指的是，在機械運動的過程之中，距離一直保持穩(wěn)定的兩個部件。任意選擇固定物體上的一點，在該點上建立空間直角坐標系，可以幫助固定物體被固定。其中，選定的點為固定點。當連體基被固定了，固定體的位置也會被固定。

2.模型與模型元素

連體基有幾種固定的要素，如部件、約束等。從機械設(shè)備的整體結(jié)構(gòu)進行分析，機械設(shè)備的各個要素是具有多樣化的，其中，機械設(shè)備中就具有數(shù)十種的類型。由此可見，想要對機械系統(tǒng)的各個部分實現(xiàn)有效的管理，就一定要對各種屬性進行全面且具體的分類，幼體可以分為多個門類，如：部分模型、力模型等等。

3.多體動力學(xué)模型的表達研究

設(shè)備各部件的多體動力學(xué)是一個多體系統(tǒng)，但各部件動力學(xué)的建立是非常重要的。方元：方元指的是多體動力學(xué)的各個部分的相互的作用。外力偶：外力偶指的是多體系統(tǒng)之中各個部分會受到的外力。拓撲結(jié)構(gòu)：拓撲結(jié)構(gòu)指的是多體系統(tǒng)之中各部件之中的連接。

二、機械工程中多體系統(tǒng)動力學(xué)現(xiàn)狀

1.坐標系的選擇

面對復(fù)雜的機械系統(tǒng)問題，需要選擇適當?shù)淖鴺讼担@可以將復(fù)雜的問題簡單化。因此，在多體動力學(xué)系統(tǒng)的建模的時候最重要的就是要考慮怎樣選擇坐標系。建立坐標系的方法有：局部坐標法，這種方法是目前來講最廣泛、最簡單的方法。另一種方法是絕對坐標法，在這個系統(tǒng)之中要選擇統(tǒng)一的坐標系，但是，這種方式效率低，很少會被使用的到。

2.對柔性體進行離散

在本質(zhì)上，柔性系統(tǒng)通常屬于一種自由的、無限度的系統(tǒng)，柔性系統(tǒng)一般不滿足于計算機計算的要求，因此，一定要對柔性系統(tǒng)進行離散，其中最主要的方法就是：有限元法、假設(shè)模擬法等等。最常用的方法就是以上提及的兩種方法的結(jié)合，這樣可以大大限制自由度。

三、機械工程領(lǐng)域的運用

1.機械手臂及動力學(xué)分析

在機械工程領(lǐng)域之中，工業(yè)機器人的存在是一個普遍而且至關(guān)重要的存在，工業(yè)機器人一般都是由一個分支以及六個自由度組成，其中每一個自由度是通過剛體進行連結(jié)的，工業(yè)機器人本身就是有代表性的一個多體動力的模型。現(xiàn)下應(yīng)用最為廣泛的就是PUMA760機器人，在研究的過程中，頻率域和時間域是其研究的基礎(chǔ)，可以使用高速攝像儀來獲取運動的參數(shù)，從而獲得有用的數(shù)據(jù)。緊接著，可以使用多體動力學(xué)的逆運算的方法來獲得實際的數(shù)值，在數(shù)據(jù)的分析以及整合之后，可以對數(shù)據(jù)進行模擬，接下來可以得到設(shè)備的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，在這些數(shù)據(jù)中包含了當量阻尼系數(shù)以及相應(yīng)的剛度系數(shù)。在具體的設(shè)計過程中，可以應(yīng)用以上提到的模型進行動力學(xué)的分析，還可以保證精準度，進而提高工作的效率。

2.柔性機械臂振動控制

在大型工程或工廠當中，機械臂得使用是最為常見得，其中使用最多的就是柔性機械。柔性機械臂可以在航空航天領(lǐng)域中進行使用，柔性機械臂的每一個連接點都可以用不同的指令進行不同程度的操作，比如讓第一個連接點進行升高，第二個連接點進行降低操作，互相之間不會發(fā)生因指令的不同而出現(xiàn)系統(tǒng)錯誤的現(xiàn)象。

根據(jù)機械臂的構(gòu)造的原理，可以將柔性機械臂看成是一個柔性的多體系統(tǒng)，其后采取的模態(tài)法以及有限段法可以達到控制震動的作用。根據(jù)具體的研究發(fā)現(xiàn)，這些方法可以根據(jù)機械臂的貼點以及固定的阻尼系數(shù)，在特定的時間弱化震動對于柔性機械臂的影響。資料顯示，通過使用力學(xué)逆運算方法進行計算的制動力大小的結(jié)果是最合適的。另外，還要考慮所使用的多體系統(tǒng)每一個動態(tài)的屬性，已有經(jīng)驗表明，改變端點可以實現(xiàn)全閉環(huán)反饋，進而減小震動對于機械臂的影響。

3.機械工程中多體系統(tǒng)動力學(xué)求解

任何的一個機械工程的系統(tǒng)，求解的過程通常都是：建模----獲得動力的物理模型----計算機求解----獲得系統(tǒng)的處理效果。在機械工程建模的過程中，初值的相容性需要進行特別注意一下，初值的問題與解決問題的解決效果相關(guān)關(guān)聯(lián)，比如說，簡單說較為難得問題，初值得相容性就會出現(xiàn)問題，反之容易得問題就不會出現(xiàn)此類現(xiàn)象。

四、總結(jié)

在機械領(lǐng)域中多體動力學(xué)已經(jīng)有了十多年的應(yīng)用史，然而，近些年中，伴隨著計算機技術(shù)與多體動力學(xué)的結(jié)合及廣泛應(yīng)用，多體動力學(xué)在航天航空等各個領(lǐng)域之中的發(fā)展都得到了突破，發(fā)展態(tài)勢良好。伴隨著多體動力學(xué)的理論的完善，在機械領(lǐng)域之中多體動力學(xué)也取得了較好的效果，并且在各個領(lǐng)域之中被廣泛的應(yīng)用，并且取得了較好的效果。未來，多體動力學(xué)會的到非常廣泛的應(yīng)用，在今后的日子里，它將會成為一個新的創(chuàng)新的工具，多體動力學(xué)也將會提高我們國家機械領(lǐng)域的發(fā)展速度。

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