多體動力學在機械工程領域的應用

豐亮澤

摘要：近年來，隨著社會和經濟的持續發展，機械工程的發展質量和發展水平也得到了極大的提高。在拓展特定的行業內容的同時，積極地理解和運用多體動力學的基本原理，能使機械工程行業的發展達到最大。同時，本文還將著重于從多體動力學的基本含義出發，深入理解力學與多體動力學之間的關系。希望能夠將自己的理論知識與社會實踐相結合，不斷的提高我國的機械工程技術。

關鍵詞：多體動力學;機械工程領域;運用

1 多體動力學的含義

多體動力學就是將多個部件結合在一起，形成一個整體的機械系統，每個部件的動作，都會產生相應的位移和動力。多體動力學模型的建立是一個非常復雜的過程，需要針對不同的項目，建立相應的模型，其中包含了大量的參數，其中最重要的是動力和運動參數。由于全過程牽涉到的因素很多，所以在設計中要合理應用電腦技術，既能有效地降低生產壓力，又能提高生產效率。

1.1參考框架和坐標系

機械在正常的運動中，會產生相對位移，這就要求有一個科學的衡量方法，而確定它的相對位移是最好的方法。要建立一套完整、科學的三維立體坐標系，必須要找出最優的固定體，從固定體的實際位置上，來確定坐標的原點，并在多體動力學模型中作局部座標系，即連體基。連體基會隨著系統元件的持續運動而改變。在確定了連體基后，確定局部位置就相對簡單了。固定體和柔性體是有區別的，當固定體改變時，柔性體不會受到影響，它的作用是通過浮動坐標來判斷運動的位置，并通過改變得到的參數，來描述它的特性。

1.2模型與模型元素

多體系統的設計涉及到了很多方面，比如部件、約束、力源等，這些部件都會隨著設備的結構而改變。由于模型中的元素是復雜多變的，需要對其進行歸類，以促進其快速、簡便。按照模型元素的整體需求，可以把模型劃分為分析力模型、約束模型約束、部件模型約束和力模型約束。

2 機械工程領域多體動力學應用探究

2.1 柔性機械臂

輕質量航天機械臂作為精度要求極高的航天設備，因此必須對其振動進行有效的控制，以達到大范圍、高精度的定位跟蹤。由于鞭形天線等因素會對衛星造成一定的影響，所以確保衛星的工作狀態穩定是關鍵。在機械臂結構中，應用柔性多體系統，采用莫奈法和有限段方法，實現了端頭振動的控制，或在設備端頭采用制動力，從而有效地解決了柔性臂端頭振動問題。

2.2 機械手臂

多體動力學是當今工業機器人的重要組成部分，它是由一個獨立的分支和六個自由度組成的典型模型，以固定的形式將各個部件連接起來。機器人技術的迅猛發展，對現代工業的發展起到了巨大的推動作用。采用高速攝影儀測量，在頻率域、時間域的幫助下，將電樞電流轉換成驅動轉矩，并根據實際情況設定相應的控制參數。

2.3 機械數控機床

在機械數控機床的操作中，經常把工作中的工作精度作為一項重要的技術指標，并對其進行了誤差消除和誤差補償，從而提高了加工精度。誤差的避免主要是采用設計和生產方法，達到降低誤差的目的，并增加了設備的成本。多體動力學在機械數控機床上的應用，使其具有很好的補償性能，可以最大限度地降低誤差。

2.4 車輛工程領域

多體動力學在汽車行業中的應用，主要表現為對整車的結構和各部件的特性進行有效的分析，并將多體動力學理論運用于汽車多體系統的高水平開發。例如，利用模態綜合技術實現了車身的變形，并對具有較小自由度的模態坐標進行了描述。懸架子結構采用物理坐標表現，并在有約束的情況下對整體系統進行組織和聯合求解。在充分考慮了車輛的物理轉動慣量因素的前提下，采用了柔性或離散的方法。通過集中質量方法對計算結構與有限元分析法進行了對比。

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

在機械工程領域中，各種設備都是復雜的，必須要有各種部件的配合，才能發揮出最大的作用，因此，可以通過逐步建立模型來實現對結構的精確控制。比如火箭的受力分析，首先要進行的是整個結構的模擬，一般情況下，整個結構都是由外力和內力組成的，而外力則是由風阻力、側向風力、地心引力等因素組成。而內力則包含了運行過程中的振動力、材料固有振動的頻率等因素，在具體的實驗中需要按照火箭的型號來進行。通過建立和提交其它參數，可以使系統判斷出火箭殼體各個部位的受力狀況，并與殼體建設中薄弱環節相比較。如果發現某一特定的受力狀態與該薄弱點的承力參數接近或超過，則可通過對該薄弱點進行優化，從而避免在運行過程中發生解體的問題。至于零件的受力分析，則是要考慮到飛行的震動、地球的引力、運行中的科氏加速度等，這些都是必須要做的，所以，必須要將這些零件和整個單元進行詳細的分析。這些參數可以通過火箭的設計來獲得，也可以用來作為火箭的約束參數，來研究火箭的實際操作載荷和最大最大載荷參數是否一致或超過，從而決定是否要進行相應的優化。

3.2 相關參數獲取

通過相應參數的確定與獲得，對整個系統進行了研究與完善，從而保證了整個系統的穩定、可靠運行。一方面，通過輸入特定的加工參數，對整個設備的操作進行研究。同時，還必須引入相關的約束條件，通過這兩種因素的綜合影響，可以對設備的運行狀態進行分析。

3.3規律研究工作

常規的工作是確定各種部件的工作狀態，然后把有關的參數輸入到建設模型的總體受力狀態，從而實現對建設模型的整體受力分析。此外，還可以利用分段建模的方法，來分析在特定的設備操作中，各個構件的運動模式以及它們之間的交互作用，以及在以后的工作中，將這些模塊與其他子系統的連接在一起，利用這個方法，可以分析出各個構件在不同工作狀態下的作用。

結束語：

總之，在機械工程領域，充分發揮多體動力學的效用，可以推動機械化的發展。多體動力學在機械領域的應用，可以增強機械臂的使用性能，提高發動機的設計優化效果，提高機械產品的優化效率，優化制造業的生產，推動工業自動化和智能化的發展。

參考文獻

[1] 王燕玲. 多體動力學在機械工程領域的應用[J]. 江西電力職業技術學院學報，2021，34（1）：12-14.