多体动力学在机械工程领域的应用

丰亮泽

摘要：近年来，随着社会和经济的持续发展，机械工程的发展质量和发展水平也得到了极大的提高。在拓展特定的行业内容的同时，积极地理解和运用多体动力学的基本原理，能使机械工程行业的发展达到最大。同时，本文还将着重于从多体动力学的基本含义出发，深入理解力学与多体动力学之间的关系。希望能够将自己的理论知识与社会实践相结合，不断的提高我国的机械工程技术。

关键词：多体动力学;机械工程领域;运用

1 多体动力学的含义

多体动力学就是将多个部件结合在一起，形成一个整体的机械系統，每个部件的动作，都会产生相应的位移和动力。多体动力学模型的建立是一个非常复杂的过程，需要针对不同的项目，建立相应的模型，其中包含了大量的参数，其中最重要的是动力和运动参数。由于全过程牵涉到的因素很多，所以在设计中要合理应用电脑技术，既能有效地降低生产压力，又能提高生产效率。

1.1参考框架和坐标系

机械在正常的运动中，会产生相对位移，这就要求有一个科学的衡量方法，而确定它的相对位移是最好的方法。要建立一套完整、科学的三维立体坐标系，必须要找出最优的固定体，从固定体的实际位置上，来确定坐标的原点，并在多体动力学模型中作局部座标系，即连体基。连体基会随着系统元件的持续运动而改变。在确定了连体基后，确定局部位置就相对简单了。固定体和柔性体是有区别的，当固定体改变时，柔性体不会受到影响，它的作用是通过浮动坐标来判断运动的位置，并通过改变得到的参数，来描述它的特性。

1.2模型与模型元素

多体系统的设计涉及到了很多方面，比如部件、约束、力源等，这些部件都会随着设备的结构而改变。由于模型中的元素是复杂多变的，需要对其进行归类，以促进其快速、简便。按照模型元素的整体需求，可以把模型划分为分析力模型、约束模型约束、部件模型约束和力模型约束。

2 机械工程领域多体动力学应用探究

2.1 柔性机械臂

轻质量航天机械臂作为精度要求极高的航天设备，因此必须对其振动进行有效的控制，以达到大范围、高精度的定位跟踪。由于鞭形天线等因素会对卫星造成一定的影响，所以确保卫星的工作状态稳定是关键。在机械臂结构中，应用柔性多体系统，采用莫奈法和有限段方法，实现了端头振动的控制，或在设备端头采用制动力，从而有效地解决了柔性臂端头振动问题。

2.2 机械手臂

多体动力学是当今工业机器人的重要组成部分，它是由一个独立的分支和六个自由度组成的典型模型，以固定的形式将各个部件连接起来。机器人技术的迅猛发展，对现代工业的发展起到了巨大的推动作用。采用高速摄影仪测量，在频率域、时间域的帮助下，将电枢电流转换成驱动转矩，并根据实际情况设定相应的控制参数。

2.3 机械数控机床

在机械数控机床的操作中，经常把工作中的工作精度作为一项重要的技术指标，并对其进行了误差消除和误差补偿，从而提高了加工精度。误差的避免主要是采用设计和生产方法，达到降低误差的目的，并增加了设备的成本。多体动力学在机械数控机床上的应用，使其具有很好的补偿性能，可以最大限度地降低误差。

2.4 车辆工程领域

多体动力学在汽车行业中的应用，主要表现为对整车的结构和各部件的特性进行有效的分析，并将多体动力学理论运用于汽车多体系统的高水平开发。例如，利用模态综合技术实现了车身的变形，并对具有较小自由度的模态坐标进行了描述。悬架子结构采用物理坐标表现，并在有约束的情况下对整体系统进行组织和联合求解。在充分考虑了车辆的物理转动惯量因素的前提下，采用了柔性或离散的方法。通过集中质量方法对计算结构与有限元分析法进行了对比。

3 多体动力学在机械工程领域中的具体应用方法

3.1 模型建设工作

在机械工程领域中，各种设备都是复杂的，必须要有各种部件的配合，才能发挥出最大的作用，因此，可以通过逐步建立模型来实现对结构的精确控制。比如火箭的受力分析，首先要进行的是整个结构的模拟，一般情况下，整个结构都是由外力和内力组成的，而外力则是由风阻力、侧向风力、地心引力等因素组成。而内力则包含了运行过程中的振动力、材料固有振动的频率等因素，在具体的实验中需要按照火箭的型号来进行。通过建立和提交其它参数，可以使系统判断出火箭壳体各个部位的受力状况，并与壳体建设中薄弱环节相比较。如果发现某一特定的受力状态与该薄弱点的承力参数接近或超过，则可通过对该薄弱点进行优化，从而避免在运行过程中发生解体的问题。至于零件的受力分析，则是要考虑到飞行的震动、地球的引力、运行中的科氏加速度等，这些都是必须要做的，所以，必须要将这些零件和整个单元进行详细的分析。这些参数可以通过火箭的设计来获得，也可以用来作为火箭的约束参数，来研究火箭的实际操作载荷和最大最大载荷参数是否一致或超过，从而决定是否要进行相应的优化。

3.2 相关参数获取

通过相应参数的确定与获得，对整个系统进行了研究与完善，从而保证了整个系统的稳定、可靠运行。一方面，通过输入特定的加工参数，对整个设备的操作进行研究。同时，还必须引入相关的约束条件，通过这两种因素的综合影响，可以对设备的运行状态进行分析。

3.3规律研究工作

常规的工作是确定各种部件的工作状态，然后把有关的参数输入到建设模型的总体受力状态，从而实现对建设模型的整体受力分析。此外，还可以利用分段建模的方法，来分析在特定的设备操作中，各个构件的运动模式以及它们之间的交互作用，以及在以后的工作中，将这些模块与其他子系统的连接在一起，利用这个方法，可以分析出各个构件在不同工作状态下的作用。

结束语：

总之，在机械工程领域，充分发挥多体动力学的效用，可以推动机械化的发展。多体动力学在机械领域的应用，可以增强机械臂的使用性能，提高发动机的设计优化效果，提高机械产品的优化效率，优化制造业的生产，推动工业自动化和智能化的发展。

参考文献

[1] 王燕玲. 多体动力学在机械工程领域的应用[J]. 江西电力职业技术学院学报，2021，34（1）：12-14.