多刚体动力学仿真技术在汽车设计中的应用

成伟华

（顺德职业技术学院，广东 佛山　528300）

多刚体动力学仿真技术在汽车设计中的应用

成伟华

（顺德职业技术学院，广东 佛山528300）

阐释了多刚体仿真技术的起源以及发展历程，目前多刚体在多个行业和领域中应用广泛，汽车行业就是其中之一。文章的研究对象是多刚体动力学仿真技术在汽车行业中的应用，采用几种不同的研究方法，对多刚体仿真技术在动力学，运用学以及安全性能等多个方面的应用展开研究，肯定了多刚体系统的优势及其可观的发展前景。

仿真技术；多刚体系统；汽车设计；动力学；安全性能

1　多刚体仿真技术的起源和发展历程

事实上，多刚体系统的起源可以追溯到两个世纪以前，科学家欧拉在研究动力学的过程中提出多刚体系统的概念，由此引发学界的高度关注。在过去的200多年中，国内外的专家学者始终致力于研究多刚体系统的应用，并且在其多个方面都有重大的研究突破，大大地推动了多刚体力学的发展。然而，多刚体系统的研究大多停留在理论层次上，而现实中的问题通常比想象中的更为复杂，所以单纯使用传统的知识和技术解决问题已经不能满足人们的需求，为此，新理论的发展成为了大势所趋。

科学是推动经济发展的源泉和动力，早在上世纪，我国的工程行业，航天技术就进入了快速发展的阶段，这在一定程度上对动力学的发展提出了更高地要求。在力学研究中，电子信息技术扮演着至关重要的角色。科学家们利用现代信息技术，提出了以力学为基础的多刚体系统，这无疑是动力学研究中的重大突破。从本质上来说，多刚体系统的提出离不开传统力学的理论基础，因此，不少科学家认为多刚体是传统力学的延伸。

进入21世纪以来，多刚体仿真技术以惊人的速度发展，并且逐步扩大其应用范围，图1是多刚体系统的主要应用领域介绍。据了解，多刚体系统在发展之初仅仅是应用在单一的航天领域中，随后才将研究范围逐渐扩大到其它交通工具上，目前对多刚体系统应用的研究主要集中在汽车方面。随着其它学科的不断发展，多刚体系统的研究范围又在进一步扩大，不少科学家开始研究多刚体系统在机器人中的应用，查阅文献可知，在多年的发展过程中，多刚体系统的研究成果数不胜数。

图1　应用领域

由于多刚体系统具有独特的优势，广泛的应用范围，所以引起了各个领域专家的关注。早在20世纪70年代，国际上就曾经举办一次专门探讨多刚体系统的会议，八年以后，第二次会议再次召开，专家们提出了各自的设想和意见。专家们提出了多种研究方法，总结了各自的研究成果，并将研究的过程演示了一次，部分专家认为，多刚体是一个全新的理论，它以动力学的知识为基础，未来将会应用在多个行业和领域中，其发展前景是十分可观的。

2　研究多刚体仿真技术系统的方式

总结多刚体仿真系统多年的研究成果可知，其研究方法虽然千差万别，但也存在互通之处。从多刚体系统中计算出的数学方程能够通过计算机进行计算。从本质上来说，多刚体系统本来就是一个复杂多变的动力学系统，它的连接方式可能存在成千上万种可能性。因此，专家们要通过多刚体系统建立方程并非易事，而非线性方程更是研究中的难点。要顺利完成这些方程的计算和解答，不得不依靠先进的计算机系统。以下是多刚体系统不同研究方法。

（1）结构图和基础理论结合的方法。多刚体仿真系统的研究需要涉及复杂的数学运算，因此，将结构图与基础知识相结合是其中一种典型的研究方式。研究者通过建立组织结构图表达出多刚体系统中各部分之间的关联，然后用多种数学工具求出对应的力学方程。不少专家学者为了使方程更加清晰，引入了增广体的定义。这种研究方法又被称为R-W法，其代表人物是罗宾逊教授。

（2）凯恩法。顾名思义，凯恩法的开创者便是凯尔教授，它的理论是先建立一个阵列，表达出多刚体系统的内部结构，然后引用动力学中的相关概念和原理，结合阵列中的坐标，建立对应的方程式。凯恩法的特点是不需要借助复杂的微分方程，能够自动删除不利的因素，从而确保方程的准确性。

（3）狄拉克旋量法。狄拉克旋量首先出现在狄拉克本人提出的方程中，多刚体运动并不是一种平面运动，而是一种立体运动，所以在研究过程中需要使用矢量。德国多名专家认为狄拉克旋量法适用于研究多刚体系统，他们建立了对应的方程，取得了让人满意的研究成果。

（4）建立坐标法。建立坐标是研究力学运动时常常采用的一种经典方法，研究者通过微分方程建立多刚体系统对应的矩阵，从而推倒出对应的动力学方程。坐标法以拉格朗日方程为基础理论，使用该方法研究动力学的代表人物以Haug为主。

3　多刚体系统的运用

随着多刚体系统的不断发展，其在汽车领域的应用也进入了成熟的阶段。如今，不管是汽车的某个部件还是汽车的整体运行系统，都能够看到多刚体系统的应用。早在20世纪末期，美国和德国的汽车公司就已经致力于研究多刚体系统在汽车设计中的应用和推广，并且取得了让人满意的研究成果，具体如下。

（1）多刚体仿真系统应用在汽车动力学中。图2生动地反映了多刚体系统在汽车动力学中的应用，利用计算机程序能够对汽车的运行状况进行模拟，详细讲述了如何选取汽车的对应坐标。图3是通过电脑模拟得出的曲线，它反映了汽车的运行情况，其中纵坐标表示汽车的加速度，而横坐标描述的是汽车行驶距离的变化。其中图3（a）反映的是汽车司机的响应过程，而图3（b）反映的是汽车的响应过程。假设司机驾驶汽车越上6cm高的阶梯，然后再跨过一个5cm深的坑，那么司机和汽车的响应状态则如图3所示。

图2　多刚体系统在汽车动力学中的应用

图3　司机和汽车的响应状态

（2）多刚体仿真系统应用在汽车运动学中。使用狄拉克旋量法，可以分析出汽车的运动轨迹，如图4所示。它是一个自上而下的俯视图，清晰地反映了汽车在发生偏离时各个部件的情况。

图4　汽车的运动轨迹

（3）在汽车安全性研究中的运用。专家学者们在对多刚体系统多年的研究中发现，它在汽车领域的应用具有几个明显的优势：①适用范围广。只要在计算机系统中录入对应的资料，系统就能够根据资料计算出多刚体系统对应的方程，不管是简单的运动还是复杂的运动，都能够通过电脑推算出对应的方程。且通过电脑模拟能得到符合人体工学特征，如图5所示。②准确度高。由于多刚体系统的计算借助电脑，所以计算过程和计算结果比人为操作更加的精准。汽车模型一般都是较为复杂的机械问题，分析多刚体系统在汽车中的应用，需要建立模型，推导出对应的方程，这一切都离不开计算机系统的帮助。③运行速度快。研究多刚体系统必须建立模型和方程，不管采用哪一种算法，都需要使用计算机。笔者采用R-W的方法对多刚体系统进行分析，尽管方案多达数十个，但计算机的处理速度仍然十分惊人，小型机的处理速度更是每个方案只需数10s。

图5　人体工学特征图

综上所述，多刚体仿真系统在汽车行业的应用前景十分广阔。

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Application of Multi-rigid-body Dynamics Simulation Technology in Automobile design

CHENG Wei-hua
（Shunde Polytechnic，Foshan，Guangdong 528300，China）

Narrate the origin and development of multi-rigid-body simulation technology.So far，the more rigid body has been widely applied in many industries and fields，the car industry is one of them.The research object of this paper is the application of multi-rigid-body dynamics simulation technology in the automotive industry.Using several different research methods，research the application of multi-rigid-body simulation technology in dynamics，using and safety，and other aspects of the application study，confirmed the advantage of multi-rigid-body system and the considerable development prospects.

simulation technology；multi-rigid-body system；automobile design；dynamics；safety performance

U462

A

2095-980X（2016）04-0045-02

2016-03-18

成伟华，湖北通山人，硕士，高级工程师，主要研究方向：汽车运用、汽车机械设备方面研究开发与教学。