多體動力學在機械工程領域的應用分析

溫國偉

【摘 要】多體系統屬于一門綜合性課程，涵蓋的學科較多，包括計算力學、工程力學等，是機械領域發展的新型課程。近年來，互聯網技術也與其良好融合。通過實踐證明顯示，多動體力學對機械工程領域的推動作用較大，引起了社會的廣泛重視。

【關鍵詞】多體動力學；機械工程領域；運用

本文以多動體力學作為切入點，圍繞其在機械工程領域中的運用進行闡述，并借助一系列實例進行分析，希望能給相關技術人員借鑒意義。

1 構建多體動力學模型的方法

隨著機械工程行業的高速發展，多動力學的應用率也逐漸提升。由于機械多體系統由種類豐富的部件構成，機械設備為了實現運動功能，機械裝置的不同不見應調整好對應的參數，包括位移、速度等。多體動力學系統建模期間，涵蓋的模塊體現在以下方面：坐標系、模型、相關定義約束。多體動力學中的重要內容為系統的動力學及運動學。對于經典力學而言，多體動力學研究的系統較為繁雜，同時各個部件的自由度有明顯的差異性，部件在位移過程中也存在變化，因此構建與求解運動微分方程的環節難度較高，需要充分運用互聯網技術。坐標系剛體即機械在運動期間，某兩點的距離存在不變特點的物體。通過在剛體上任選一點，將其構建成一個三角坐標系，能保持剛體的穩定結構。將原點設置成C點，該坐標系又稱局部坐標系。在機械部件上設置連體基，部件在運動的過程中，能帶動起運動。值得注意的是，剛體的運動狀態不會影響連體基，所以，當連體基的位置確立后，剛體上任意一點位置也已經明確標注。對于連體基而言，其參考對象在選擇上，應以地面為參考對象。地面坐標系屬于固定值，其具備全局坐標特點。對于多體系統而言，柔性體的坐標定義與剛體的坐標定義有顯著區別，因此當技術人員設立好坐標定義后，剛體狀態并不會被影響。當柔性體出現變化后，坐標系的角位移與線位移也會受到影響，并且在柔性體上顯示出局部存在的不同。當廣義坐標構建后，后續動力學方程的求解速度會受到影響。因此技術人員為了獲取坐標系方位的解析過程，應借助轉動廣義坐標，來使方向余弦矩陣受到確立。在物體的轉動坐標中，常常參考歐拉角或卡爾丹角，該算法具有規范性，但是，奇點附近的數值時在計算期間遇到的難度較大；另外一種方法為借助余弦矩陣轉動廣義坐標，為了實現該方法，技術人員可以增設6個方向的約束方程，方程變量在求解過程中，存在難度較大的問題。當歐拉參數屬于廣義坐標的轉動對象后，計算人員在計算期間不會遇到奇點。在機械設備中，其主要要素包括力元、力偶、鉸等，這些種類十分繁多。譬如對于機械設備而言，基礎的約束類型部件大概為十種，為了使機械要素的管理更具科學合理性，技術人員可以就元素的屬性進行劃分，使元素被分成以下幾種：部件模型約束、約束模型約束、分析力模型元素等。在多體動力學系統部件的研究過程中，當系統外部或者內部受到限制后，通過對機械設備的不同部件進行定義后可以發現，力元即多體動力學中，各部件產生作用的現象；拓撲結構屬于多體動力學中，系統各個部件的聯系模式。

對于多剛體系統動力學方程而言，技術人員在質點系動力學方程的推理環節中，需要基于矢量模式的牛頓力學角度在構建上存在直觀性較強的特征，歐拉方程組在該方式的分析中也具備該特征，使剛體的空間運動中被劃分為不同的狀態。以拉格拉日乘數為基礎的質點動力學方程可以構建多體動力學方式。值得注意的是，多剛體系統在方程組建立期間存在一定的繁雜性，拉格拉日坐標系在構建期間應保持獨立性。

2 多體動力學在機械領域的探索與運用

2.1 動力學分析

經典的多體動力學模型主要為工業型機器人，構成模式包括一項分支及六項自由度，同時不同的部件間常常通過鉸聯系。譬如PUMA760機器人，基于頻率域與時間域上進行分析，通過高速攝像儀測量設備獲取其參數，當電樞電流值被轉化成驅動轉矩后，大臂當量轉矩值是7.1N·m/A。按照構建的多體動力學的逆預算模式，能獲取相關的平均值。運用離散法處理完成后，將其和傳遞函數對比，筆者發現兩者值大致相似，對于工業機器人而言，大臂固有頻率是10.83Hz，小臂則是16.62Hz。當模態參數經過擬合處理后，能夠形成相應的物理參數，使工業機器人獲取剛度、當量阻尼系數。按照理論模式與實踐經驗，可以發現當精確度能獲取保障的環境中，運用多體動力學的模型分析工業機器人的動力學，能從很大程度上提升分析質量。

2.2 柔性機械臂振動控制

輕質重載航天機械臂屬于航天設備，其涵蓋的精度較高，端點處執行大范圍高精度的位置跟蹤運動，因此技術人員需要落實好該機械臂的振動控制工作，由于衛星受到鞭狀天線的影響后，會存在失衡情況。為了良好控制端頭振動，技術人員可以采取的模式包括：有限段法、模態法，根據大量實踐調研分析顯示，當柔性臂端點振動在大區域中運行時，控制其要點是在某個時間點內增設制動力，實施對象為設備端頭。柔性臂的頻率、固有阻尼與時間點存在很多聯系。技術人員通過充分注重系統的動態情況，可以對航天機械臂的端點振動進行良好控制。根據科學家研究檢測出，當柔性臂端點的變形生效后，能使全閉環反饋效果較佳，同時使機械臂振幅減小到一定的程度。效果最佳的方式為運用力控制，即借助用力學逆向測算獲取數值后，將其作為機械臂施加制動力的值。

3 結語

綜上所述，多體動力學在機械領域中受到了廣泛運用。如今，在多體動力學相關理論的發展下，其在機械工程領域里創造了很多科技成果，能為該領域帶來良好的效益，使我國機械工程領域盡快實現可持續發展。

【參考文獻】

[1]劉世海.多體動力學在機械工程領域的應用[J].商品與質量，2017（4）.

[2]李天吉.多體動力學在機械工程領域的應用[J].中國科技投資，2017（11）.

[責任編輯：張濤]endprint