探析多體動力學在機械工程領域的應用

趙祎來

摘要：在機械工程領域中，靈活運用多體動力學能夠提升機械工程技術發展水平。基于此，本文詳細闡述了多體動力學在機械臂、車用發動機、機械產品優化、PCB數控鉆床這幾個機械工程領域方面中的應用，深入分析了基于多體動力學的機械工程領域，希望能夠為機械工程領域的不斷進步提供助力。

關鍵詞：機械工程;機械手臂;數控鉆床

引言：多體動力學主要是指一門研究由若干個剛性與柔性物體所連接成系統運動規律的學科，該學科的內容主要包含柔體、剛體兩個方面，能夠弱化機械工程中計算推導的難度，因此工作者需要深入分析該學科在機械工程領域的應用方法，并采取有效措施，強化多體動力學的應用效果，加快推動機械工程的發展進程。

一、在機械臂構建上的應用

（一）工業機械臂性能建設

從目前來看，工業制造業的發展離不開機械自動化技術，而該技術的落實很大程度依賴于工業機械臂，它作為實現工業生產的基礎設施，工作者需要先基于實際條件和工作要求，借助多體運動力學來構建臂模型，才能逐步完成其的制作和推廣應用。從多體運動力學角度來看，工業機械臂主要由1個分支與6個自由度，采用固定體的部件連接方式所構成，工作者通常會基于多體運動力學，來計算出機械臂的剛度系數、當量阻尼系數，確保其性能滿足工業生產要求。以最具代表性的PUMA760機械臂為例，該類型機器人的優勢是通過高速攝像儀，結合頻率域、時間域，將測量得出的電樞電流值轉化為驅動轉距，然后基于得出的具體數值，來設置自身的參數，保障其應用效果。在此過程中，該機械臂系統的運行，主要依賴于多體動力學的逆運算結果，并獲得準確的轉矩平均值，同時，將靜態參數轉化為物理參數，得出最終的阻尼系數、剛度系數。

（二）航天機械臂構建

航天機械臂的作用原理為柔性機械臂振動控制，其具有精度高、質量輕的特質，主要用于一些精度要求高、范圍大的位置跟蹤業務中，因此，該類型機械臂的構建要點為強化振動控制效果。但在此過程中，由于該類型機械臂極其容易受到鞭狀天線的影響，造成衛星振動問題，使得如何保持其穩定狀態成為了又一個重點研究課題。為此，工作者通常會以多體運動力學為基礎理論依據，根據其中的柔性多體系統知識，來落實莫泰法或有限段法，實現航天機械臂的端頭振動控制，同時，也可以向設備端頭再施加一個制動力，制約機械臂的振動，優化航天機械臂的大范圍位置跟蹤能力。

二、在車用發動機上的應用

（一）多剛體系動力學應用

一般來說，對于車用發動機來說，多體運動力學在理論上的應用主要體現在基于多剛體系統力學模型計算方面，工作者經常會結合機械系統運動學、多剛體系統力學原理，來構建程式化的數據模型，然后將該模型的計算機理，開發成軟件。之后，在發動機的設計中，工作者通過向該軟件中直接輸入所需參數條件，即可對發動機系統模型進行程式化的處理，增強發動機的性能。在此過程中，其中的計算方法、數值積分方法，能夠自動得到多體動力學理論的響應，同時，工作者借助現代化的可視技術，能夠實現以數據、圖表、動圖等相結合的方式，來展現車用發動機的設計效果，提高了多體運動力學的應用效果。

（二）虛擬樣機分析法應用

虛擬樣機分析法的應用主要是基于多柔體動力學，該項動力學作為多體運動力學的內容之一，其中應用方法主要為牛頓-歐拉方程、拉格朗日方程、高斯極值原理等方法。現階段，可以用于發動機的虛擬樣機技術產品，已經有20余種類，它們基本都是以CAD、MS為基本技術，能夠建立發動機內部各個構建的三維立體模型，然后圍繞多體運動力學，搭建虛擬樣機模型，消除了仿真分析中的簡化誤差，并實現了對各荷載之間影響的充分分析，提高了分析結果的準確性和完整性。以發動機中的曲柄連桿機構分析為例，系統會在分析中采用拉格朗日方程、牛頓-歐拉方程等方式，構建出活塞位移、活塞速度、連桿角位移等動力學分析方程，如：X=（R+L）-（Rcosα+Lcosβ）、v=RW（sinα+λ/2*sin2α）、a=RW2（cosα+λcos2α）、β=λsinα[1+1/6λ2sin2α]，然后進行運動質量換算、激動力分析等環節，得出計算結果，以便于工作者進行優化處理。

三、在優化機械產品性能上的應用

（一）傳統優化方式的應用

在物理環境中，機械產品的優化需要工作者基于多體動力學，來研究其在運作過程中呈現出的運動、受力等接觸關系，然后在此基礎上，判定機械產品是否符合實際使用需求。但在傳統的多體運動力學應用中，人們往往會將一些機械運行中存在的規律性接觸關系進行簡化處理，并構建出相應的建模元件，如力元、運動副鉸接等，進而提高建模效率和精度。然而在這種應用方法下，性能分析結果中通常會存在簡化誤差，同時，機械在很多工況下的接觸關系無規律可循，導致傳統的多體運動力學應用難以達到預期的精度和效率。但現階段，人們已經開始使用相應的軟件，來進行高效計算，能夠在一定程度上彌補傳統應用方式在效率上存在的不足。

（二）基于軟件的優化方式應用

為了深入優化機械產品的使用性能，人們開始不斷地追求高精度、高效率的接觸仿真分析技術，并在多體運動力學基礎上，研發了Simpack仿真軟件，實現了基于多邊形接觸方法的非規律性接觸關系分析，相較于傳統的多體運動力學原理應用方式，該軟件具有參數輸入方便、精度高、速度快等優勢，能夠使分析結果更加準確和全面，有助于機械產品性能的發展。在此過程中，多邊形接觸方法，即PCM接觸方法，采用的是離散幾何表面分析法，如SIMBEAM離散梁、導入的外部CAD等，使得系統中的幾何體可以自動進行表面多邊形離散化，以便于軟件全面地分析幾何體表面存在的所有接觸點。此外，在使用中，工作者需要注意，接觸剛度參數應使用默認值1E5 N/mm，如果得出的仿真結果存在問題，再調整該數值，保障分析結果的準確性。

四、在PCB數控鉆床建模仿真中的應用

（一）建模

現階段，PCB數控床模型構建和優化的主要目標是為了使其能夠更好地實現高效、高精度的深孔、微細孔加工。在此過程中，工作者可以利用多體運動力學，構建一個零件實體模型，來探討其實際運作與內部結構之間的關系，然后根據作業需求，來改善數控鉆床的系統結構，提升其作業水平。在建模中，工作者可以利用CAD軟件，在UG中構建零件模型，然后輸入密度等屬性參數，再通過ADAMS軟件，計算出零件的慣性矩、質量，同時，還要考慮零件的受力變形情況，通過有限單元，來對PCB數控鉆床進行彈性體離散處理。之后，在ADAMS軟件中將離散出的彈性體，按照柔性體進行建模，最后再建立系統約束關系，形成一個完整的PCB數控鉆床模型。

（二）仿真分析

仿真分析作為尋找PCB數控鉆床優化處理結構點的主要途徑，工作者需要基于多體運動力學，來模擬鉆床在進行高效、高精度的深孔、微細孔加工作業時的運作。在此過程中，工作者需要借助非線性方程，來求解構件位置、速度、時間三者之間的關系，然后模擬出鉆床鉆頭在高效、高精度作業時的速度、位移等參數，向工作者反饋出鉆床多剛體模型的運行特質和效果。之后，模擬出鉆床鉆頭在作業時的力學特質，如連接點的彈性、形變、阻力等，全面反映出，鉆頭在作業期間呈現出柔性多體效應。最后，工作者基于此，即可針對PCB數控鉆床進行改善，提高其使用效果。

結論：綜上所述，在機械工程領域建設中充分發揮多體運動力學的效用能夠促進機械化的發展。在機械領域中，多體運動力學的應用可以強化機械臂使用性能、增強發動機設計優化效果、提高機械產品優化效率、優化制造業生產水平，從而促進我國各領域的自動化、智能化發展。

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