多体动力学在机械工程领域的应用

曹科

摘要：多体系统指的是多大多数的机械系统之中一个较为全面、完整的系统，其比较抽象且具有高度概括性，正因如此，多体系统辉成为机械系统之中的一个最佳模型。多体动力学属于自然科学，涵盖了许多门科学，如：工程力学，多体动力学、分析力学、控制理论等作为机械领域的新型科学被广泛的使用。多体动力学经过了多年的发展以及补充，被广泛的应用于实际。本篇文章从多体动力学的模型建立入手，分析了在机械工程领域之中，多体动力学的广泛应用。

关键词：多体动力学;机械工程领域;应用

前言

多体系统是机械系统之中的最有效、最完整的系统，其作为一个综合性的学科，综合了其它积累学科的优势，并且已经成为了机械领域之中发展最快的一个学科。经历了多年的发展，如今，计算机系统也被广泛的应用于多体系统，并且这种新型的多体系统被广泛的投入实践。在机械工程领域，多体动力学的应用是十分广泛的，并且这一技术也受到了更多的人的关注。如今的多体动力学在航天航空、机械等多个领域被应用，而且效果显著。

一、多体动力学简介

1.参考框架和坐标系

在机械做运动的过程中，可以使两个部件保持在一个稳定的距离称之为固定体。

固定体具体指的是，在机械运动的过程之中，距离一直保持稳定的两个部件。任意选择固定物体上的一点，在该点上建立空间直角坐标系，可以帮助固定物体被固定。其中，选定的点为固定点。当连体基被固定了，固定体的位置也会被固定。

2.模型与模型元素

连体基有几种固定的要素，如部件、约束等。从机械设备的整体结构进行分析，机械设备的各个要素是具有多样化的，其中，机械设备中就具有数十种的类型。由此可见，想要对机械系统的各个部分实现有效的管理，就一定要对各种属性进行全面且具体的分类，幼体可以分为多个门类，如：部分模型、力模型等等。

3.多体动力学模型的表达研究

设备各部件的多体动力学是一个多体系统，但各部件动力学的建立是非常重要的。方元：方元指的是多体动力学的各个部分的相互的作用。外力偶：外力偶指的是多体系统之中各个部分会受到的外力。拓扑结构：拓扑结构指的是多体系统之中各部件之中的连接。

二、机械工程中多体系统动力学现状

1.坐标系的选择

面对复杂的机械系统问题，需要选择适当的坐标系，这可以将复杂的問题简单化。因此，在多体动力学系统的建模的时候最重要的就是要考虑怎样选择坐标系。建立坐标系的方法有：局部坐标法，这种方法是目前来讲最广泛、最简单的方法。另一种方法是绝对坐标法，在这个系统之中要选择统一的坐标系，但是，这种方式效率低，很少会被使用的到。

2.对柔性体进行离散

在本质上，柔性系统通常属于一种自由的、无限度的系统，柔性系统一般不满足于计算机计算的要求，因此，一定要对柔性系统进行离散，其中最主要的方法就是：有限元法、假设模拟法等等。最常用的方法就是以上提及的两种方法的结合，这样可以大大限制自由度。

三、机械工程领域的运用

1.机械手臂及动力学分析

在机械工程领域之中，工业机器人的存在是一个普遍而且至关重要的存在，工业机器人一般都是由一个分支以及六个自由度组成，其中每一个自由度是通过刚体进行连结的，工业机器人本身就是有代表性的一个多体动力的模型。现下应用最为广泛的就是PUMA760机器人，在研究的过程中，频率域和时间域是其研究的基础，可以使用高速摄像仪来获取运动的参数，从而获得有用的数据。紧接着，可以使用多体动力学的逆运算的方法来获得实际的数值，在数据的分析以及整合之后，可以对数据进行模拟，接下来可以得到设备的基础数据，在这些数据中包含了当量阻尼系数以及相应的刚度系数。在具体的设计过程中，可以应用以上提到的模型进行动力学的分析，还可以保证精准度，进而提高工作的效率。

2.柔性机械臂振动控制

在大型工程或工厂当中，机械臂得使用是最为常见得，其中使用最多的就是柔性机械。柔性机械臂可以在航空航天领域中进行使用，柔性机械臂的每一个连接点都可以用不同的指令进行不同程度的操作，比如让第一个连接点进行升高，第二个连接点进行降低操作，互相之间不会发生因指令的不同而出现系统错误的现象。

根据机械臂的构造的原理，可以将柔性机械臂看成是一个柔性的多体系统，其后采取的模态法以及有限段法可以达到控制震动的作用。根据具体的研究发现，这些方法可以根据机械臂的贴点以及固定的阻尼系数，在特定的时间弱化震动对于柔性机械臂的影响。资料显示，通过使用力学逆运算方法进行计算的制动力大小的结果是最合适的。另外，还要考虑所使用的多体系统每一个动态的属性，已有经验表明，改变端点可以实现全闭环反馈，进而减小震动对于机械臂的影响。

3.机械工程中多体系统动力学求解

任何的一个机械工程的系统，求解的过程通常都是：建模----获得动力的物理模型----计算机求解----获得系统的处理效果。在机械工程建模的过程中，初值的相容性需要进行特别注意一下，初值的问题与解决问题的解决效果相关关联，比如说，简单说较为难得问题，初值得相容性就会出现问题，反之容易得问题就不会出现此类现象。

四、总结

在机械领域中多体动力学已经有了十多年的应用史，然而，近些年中，伴随着计算机技术与多体动力学的结合及广泛应用，多体动力学在航天航空等各个领域之中的发展都得到了突破，发展态势良好。伴随着多体动力学的理论的完善，在机械领域之中多体动力学也取得了较好的效果，并且在各个领域之中被广泛的应用，并且取得了较好的效果。未来，多体动力学会的到非常广泛的应用，在今后的日子里，它将会成为一个新的创新的工具，多体动力学也将会提高我们国家机械领域的发展速度。

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