多體動力學(xué)在機械工程領(lǐng)域的應(yīng)用

豐亮澤

摘要：近年來，隨著社會和經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展，機械工程的發(fā)展質(zhì)量和發(fā)展水平也得到了極大的提高。在拓展特定的行業(yè)內(nèi)容的同時，積極地理解和運用多體動力學(xué)的基本原理，能使機械工程行業(yè)的發(fā)展達到最大。同時，本文還將著重于從多體動力學(xué)的基本含義出發(fā)，深入理解力學(xué)與多體動力學(xué)之間的關(guān)系。希望能夠?qū)⒆约旱睦碚撝R與社會實踐相結(jié)合，不斷的提高我國的機械工程技術(shù)。

關(guān)鍵詞：多體動力學(xué);機械工程領(lǐng)域;運用

1 多體動力學(xué)的含義

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

1.1參考框架和坐標(biāo)系

機械在正常的運動中，會產(chǎn)生相對位移，這就要求有一個科學(xué)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(xué)的三維立體坐標(biāo)系，必須要找出最優(yōu)的固定體，從固定體的實際位置上，來確定坐標(biāo)的原點，并在多體動力學(xué)模型中作局部座標(biāo)系，即連體基。連體基會隨著系統(tǒng)元件的持續(xù)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(qū)別的，當(dāng)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(biāo)來判斷運動的位置，并通過改變得到的參數(shù)，來描述它的特性。

1.2模型與模型元素

多體系統(tǒng)的設(shè)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(shè)備的結(jié)構(gòu)而改變。由于模型中的元素是復(fù)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(lǐng)域多體動力學(xué)應(yīng)用探究

2.1 柔性機械臂

輕質(zhì)量航天機械臂作為精度要求極高的航天設(shè)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(wèi)星造成一定的影響，所以確保衛(wèi)星的工作狀態(tài)穩(wěn)定是關(guān)鍵。在機械臂結(jié)構(gòu)中，應(yīng)用柔性多體系統(tǒng)，采用莫奈法和有限段方法，實現(xiàn)了端頭振動的控制，或在設(shè)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(xué)是當(dāng)今工業(yè)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(shù)的迅猛發(fā)展，對現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)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(zhuǎn)換成驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，并根據(jù)實際情況設(shè)定相應(yīng)的控制參數(shù)。

2.3 機械數(shù)控機床

在機械數(shù)控機床的操作中，經(jīng)常把工作中的工作精度作為一項重要的技術(shù)指標(biāo)，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(shè)計和生產(chǎn)方法，達到降低誤差的目的，并增加了設(shè)備的成本。多體動力學(xué)在機械數(shù)控機床上的應(yīng)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(lǐng)域

多體動力學(xué)在汽車行業(yè)中的應(yīng)用，主要表現(xiàn)為對整車的結(jié)構(gòu)和各部件的特性進行有效的分析，并將多體動力學(xué)理論運用于汽車多體系統(tǒng)的高水平開發(fā)。例如，利用模態(tài)綜合技術(shù)實現(xiàn)了車身的變形，并對具有較小自由度的模態(tài)坐標(biāo)進行了描述。懸架子結(jié)構(gòu)采用物理坐標(biāo)表現(xiàn)，并在有約束的情況下對整體系統(tǒng)進行組織和聯(lián)合求解。在充分考慮了車輛的物理轉(zhuǎn)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(zhì)量方法對計算結(jié)構(gòu)與有限元分析法進行了對比。

3 多體動力學(xué)在機械工程領(lǐng)域中的具體應(yīng)用方法

3.1 模型建設(shè)工作

在機械工程領(lǐng)域中，各種設(shè)備都是復(fù)雜的，必須要有各種部件的配合，才能發(fā)揮出最大的作用，因此，可以通過逐步建立模型來實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)的精確控制。比如火箭的受力分析，首先要進行的是整個結(jié)構(gòu)的模擬，一般情況下，整個結(jié)構(gòu)都是由外力和內(nèi)力組成的，而外力則是由風(fēng)阻力、側(cè)向風(fēng)力、地心引力等因素組成。而內(nèi)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(shù)，可以使系統(tǒng)判斷出火箭殼體各個部位的受力狀況，并與殼體建設(shè)中薄弱環(huán)節(jié)相比較。如果發(fā)現(xiàn)某一特定的受力狀態(tài)與該薄弱點的承力參數(shù)接近或超過，則可通過對該薄弱點進行優(yōu)化，從而避免在運行過程中發(fā)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(shù)可以通過火箭的設(shè)計來獲得，也可以用來作為火箭的約束參數(shù)，來研究火箭的實際操作載荷和最大最大載荷參數(shù)是否一致或超過，從而決定是否要進行相應(yīng)的優(yōu)化。

3.2 相關(guān)參數(shù)獲取

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

3.3規(guī)律研究工作

常規(guī)的工作是確定各種部件的工作狀態(tài)，然后把有關(guān)的參數(shù)輸入到建設(shè)模型的總體受力狀態(tài)，從而實現(xiàn)對建設(shè)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(shè)備操作中，各個構(gòu)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(tǒng)的連接在一起，利用這個方法，可以分析出各個構(gòu)件在不同工作狀態(tài)下的作用。

結(jié)束語：

總之，在機械工程領(lǐng)域，充分發(fā)揮多體動力學(xué)的效用，可以推動機械化的發(fā)展。多體動力學(xué)在機械領(lǐng)域的應(yīng)用，可以增強機械臂的使用性能，提高發(fā)動機的設(shè)計優(yōu)化效果，提高機械產(chǎn)品的優(yōu)化效率，優(yōu)化制造業(yè)的生產(chǎn)，推動工業(yè)自動化和智能化的發(fā)展。

參考文獻

[1] 王燕玲. 多體動力學(xué)在機械工程領(lǐng)域的應(yīng)用[J]. 江西電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2021，34（1）：12-14.