多剛體動(dòng)力學(xué)仿真技術(shù)在汽車設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

成偉華

（順德職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 佛山　528300）

多剛體動(dòng)力學(xué)仿真技術(shù)在汽車設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

成偉華

（順德職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 佛山528300）

闡釋了多剛體仿真技術(shù)的起源以及發(fā)展歷程，目前多剛體在多個(gè)行業(yè)和領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛，汽車行業(yè)就是其中之一。文章的研究對(duì)象是多剛體動(dòng)力學(xué)仿真技術(shù)在汽車行業(yè)中的應(yīng)用，采用幾種不同的研究方法，對(duì)多剛體仿真技術(shù)在動(dòng)力學(xué)，運(yùn)用學(xué)以及安全性能等多個(gè)方面的應(yīng)用展開研究，肯定了多剛體系統(tǒng)的優(yōu)勢及其可觀的發(fā)展前景。

仿真技術(shù)；多剛體系統(tǒng)；汽車設(shè)計(jì)；動(dòng)力學(xué)；安全性能

1　多剛體仿真技術(shù)的起源和發(fā)展歷程

事實(shí)上，多剛體系統(tǒng)的起源可以追溯到兩個(gè)世紀(jì)以前，科學(xué)家歐拉在研究動(dòng)力學(xué)的過程中提出多剛體系統(tǒng)的概念，由此引發(fā)學(xué)界的高度關(guān)注。在過去的200多年中，國內(nèi)外的專家學(xué)者始終致力于研究多剛體系統(tǒng)的應(yīng)用，并且在其多個(gè)方面都有重大的研究突破，大大地推動(dòng)了多剛體力學(xué)的發(fā)展。然而，多剛體系統(tǒng)的研究大多停留在理論層次上，而現(xiàn)實(shí)中的問題通常比想象中的更為復(fù)雜，所以單純使用傳統(tǒng)的知識(shí)和技術(shù)解決問題已經(jīng)不能滿足人們的需求，為此，新理論的發(fā)展成為了大勢所趨。

科學(xué)是推動(dòng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的源泉和動(dòng)力，早在上世紀(jì)，我國的工程行業(yè)，航天技術(shù)就進(jìn)入了快速發(fā)展的階段，這在一定程度上對(duì)動(dòng)力學(xué)的發(fā)展提出了更高地要求。在力學(xué)研究中，電子信息技術(shù)扮演著至關(guān)重要的角色?？茖W(xué)家們利用現(xiàn)代信息技術(shù)，提出了以力學(xué)為基礎(chǔ)的多剛體系統(tǒng)，這無疑是動(dòng)力學(xué)研究中的重大突破。從本質(zhì)上來說，多剛體系統(tǒng)的提出離不開傳統(tǒng)力學(xué)的理論基礎(chǔ)，因此，不少科學(xué)家認(rèn)為多剛體是傳統(tǒng)力學(xué)的延伸。

進(jìn)入21世紀(jì)以來，多剛體仿真技術(shù)以驚人的速度發(fā)展，并且逐步擴(kuò)大其應(yīng)用范圍，圖1是多剛體系統(tǒng)的主要應(yīng)用領(lǐng)域介紹。據(jù)了解，多剛體系統(tǒng)在發(fā)展之初僅僅是應(yīng)用在單一的航天領(lǐng)域中，隨后才將研究范圍逐漸擴(kuò)大到其它交通工具上，目前對(duì)多剛體系統(tǒng)應(yīng)用的研究主要集中在汽車方面。隨著其它學(xué)科的不斷發(fā)展，多剛體系統(tǒng)的研究范圍又在進(jìn)一步擴(kuò)大，不少科學(xué)家開始研究多剛體系統(tǒng)在機(jī)器人中的應(yīng)用，查閱文獻(xiàn)可知，在多年的發(fā)展過程中，多剛體系統(tǒng)的研究成果數(shù)不勝數(shù)。

圖1　應(yīng)用領(lǐng)域

由于多剛體系統(tǒng)具有獨(dú)特的優(yōu)勢，廣泛的應(yīng)用范圍，所以引起了各個(gè)領(lǐng)域?qū)＜业年P(guān)注。早在20世紀(jì)70年代，國際上就曾經(jīng)舉辦一次專門探討多剛體系統(tǒng)的會(huì)議，八年以后，第二次會(huì)議再次召開，專家們提出了各自的設(shè)想和意見。專家們提出了多種研究方法，總結(jié)了各自的研究成果，并將研究的過程演示了一次，部分專家認(rèn)為，多剛體是一個(gè)全新的理論，它以動(dòng)力學(xué)的知識(shí)為基礎(chǔ)，未來將會(huì)應(yīng)用在多個(gè)行業(yè)和領(lǐng)域中，其發(fā)展前景是十分可觀的。

2　研究多剛體仿真技術(shù)系統(tǒng)的方式

總結(jié)多剛體仿真系統(tǒng)多年的研究成果可知，其研究方法雖然千差萬別，但也存在互通之處。從多剛體系統(tǒng)中計(jì)算出的數(shù)學(xué)方程能夠通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算。從本質(zhì)上來說，多剛體系統(tǒng)本來就是一個(gè)復(fù)雜多變的動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，它的連接方式可能存在成千上萬種可能性。因此，專家們要通過多剛體系統(tǒng)建立方程并非易事，而非線性方程更是研究中的難點(diǎn)。要順利完成這些方程的計(jì)算和解答，不得不依靠先進(jìn)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。以下是多剛體系統(tǒng)不同研究方法。

（1）結(jié)構(gòu)圖和基礎(chǔ)理論結(jié)合的方法。多剛體仿真系統(tǒng)的研究需要涉及復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算，因此，將結(jié)構(gòu)圖與基礎(chǔ)知識(shí)相結(jié)合是其中一種典型的研究方式。研究者通過建立組織結(jié)構(gòu)圖表達(dá)出多剛體系統(tǒng)中各部分之間的關(guān)聯(lián)，然后用多種數(shù)學(xué)工具求出對(duì)應(yīng)的力學(xué)方程。不少專家學(xué)者為了使方程更加清晰，引入了增廣體的定義。這種研究方法又被稱為R-W法，其代表人物是羅賓遜教授。

（2）凱恩法。顧名思義，凱恩法的開創(chuàng)者便是凱爾教授，它的理論是先建立一個(gè)陣列，表達(dá)出多剛體系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，然后引用動(dòng)力學(xué)中的相關(guān)概念和原理，結(jié)合陣列中的坐標(biāo)，建立對(duì)應(yīng)的方程式。凱恩法的特點(diǎn)是不需要借助復(fù)雜的微分方程，能夠自動(dòng)刪除不利的因素，從而確保方程的準(zhǔn)確性。

（3）狄拉克旋量法。狄拉克旋量首先出現(xiàn)在狄拉克本人提出的方程中，多剛體運(yùn)動(dòng)并不是一種平面運(yùn)動(dòng)，而是一種立體運(yùn)動(dòng)，所以在研究過程中需要使用矢量。德國多名專家認(rèn)為狄拉克旋量法適用于研究多剛體系統(tǒng)，他們建立了對(duì)應(yīng)的方程，取得了讓人滿意的研究成果。

（4）建立坐標(biāo)法。建立坐標(biāo)是研究力學(xué)運(yùn)動(dòng)時(shí)常常采用的一種經(jīng)典方法，研究者通過微分方程建立多剛體系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的矩陣，從而推倒出對(duì)應(yīng)的動(dòng)力學(xué)方程。坐標(biāo)法以拉格朗日方程為基礎(chǔ)理論，使用該方法研究動(dòng)力學(xué)的代表人物以Haug為主。

3　多剛體系統(tǒng)的運(yùn)用

隨著多剛體系統(tǒng)的不斷發(fā)展，其在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用也進(jìn)入了成熟的階段。如今，不管是汽車的某個(gè)部件還是汽車的整體運(yùn)行系統(tǒng)，都能夠看到多剛體系統(tǒng)的應(yīng)用。早在20世紀(jì)末期，美國和德國的汽車公司就已經(jīng)致力于研究多剛體系統(tǒng)在汽車設(shè)計(jì)中的應(yīng)用和推廣，并且取得了讓人滿意的研究成果，具體如下。

（1）多剛體仿真系統(tǒng)應(yīng)用在汽車動(dòng)力學(xué)中。圖2生動(dòng)地反映了多剛體系統(tǒng)在汽車動(dòng)力學(xué)中的應(yīng)用，利用計(jì)算機(jī)程序能夠?qū)ζ嚨倪\(yùn)行狀況進(jìn)行模擬，詳細(xì)講述了如何選取汽車的對(duì)應(yīng)坐標(biāo)。圖3是通過電腦模擬得出的曲線，它反映了汽車的運(yùn)行情況，其中縱坐標(biāo)表示汽車的加速度，而橫坐標(biāo)描述的是汽車行駛距離的變化。其中圖3（a）反映的是汽車司機(jī)的響應(yīng)過程，而圖3（b）反映的是汽車的響應(yīng)過程。假設(shè)司機(jī)駕駛汽車越上6cm高的階梯，然后再跨過一個(gè)5cm深的坑，那么司機(jī)和汽車的響應(yīng)狀態(tài)則如圖3所示。

圖2　多剛體系統(tǒng)在汽車動(dòng)力學(xué)中的應(yīng)用

圖3　司機(jī)和汽車的響應(yīng)狀態(tài)

（2）多剛體仿真系統(tǒng)應(yīng)用在汽車運(yùn)動(dòng)學(xué)中。使用狄拉克旋量法，可以分析出汽車的運(yùn)動(dòng)軌跡，如圖4所示。它是一個(gè)自上而下的俯視圖，清晰地反映了汽車在發(fā)生偏離時(shí)各個(gè)部件的情況。

圖4　汽車的運(yùn)動(dòng)軌跡

（3）在汽車安全性研究中的運(yùn)用。專家學(xué)者們在對(duì)多剛體系統(tǒng)多年的研究中發(fā)現(xiàn)，它在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用具有幾個(gè)明顯的優(yōu)勢：①適用范圍廣。只要在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中錄入對(duì)應(yīng)的資料，系統(tǒng)就能夠根據(jù)資料計(jì)算出多剛體系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的方程，不管是簡單的運(yùn)動(dòng)還是復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)，都能夠通過電腦推算出對(duì)應(yīng)的方程。且通過電腦模擬能得到符合人體工學(xué)特征，如圖5所示。②準(zhǔn)確度高。由于多剛體系統(tǒng)的計(jì)算借助電腦，所以計(jì)算過程和計(jì)算結(jié)果比人為操作更加的精準(zhǔn)。汽車模型一般都是較為復(fù)雜的機(jī)械問題，分析多剛體系統(tǒng)在汽車中的應(yīng)用，需要建立模型，推導(dǎo)出對(duì)應(yīng)的方程，這一切都離不開計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的幫助。③運(yùn)行速度快。研究多剛體系統(tǒng)必須建立模型和方程，不管采用哪一種算法，都需要使用計(jì)算機(jī)。筆者采用R-W的方法對(duì)多剛體系統(tǒng)進(jìn)行分析，盡管方案多達(dá)數(shù)十個(gè)，但計(jì)算機(jī)的處理速度仍然十分驚人，小型機(jī)的處理速度更是每個(gè)方案只需數(shù)10s。

圖5　人體工學(xué)特征圖

綜上所述，多剛體仿真系統(tǒng)在汽車行業(yè)的應(yīng)用前景十分廣闊。

［1］張平，王偉，別輝，等.汽車底盤線控技術(shù)的應(yīng)用及發(fā)展趨勢［J］.專用汽車，2010，（3）：156-157.

［2］邱翠榕，徐志軍.多剛體動(dòng)力學(xué)仿真技術(shù)在汽車設(shè)計(jì)中的應(yīng)用［J］.北京汽車，2010，（4）：134-135.

［3］邊立艦，劉昭度，齊志權(quán)，等.汽車主動(dòng)安全電子技術(shù)的發(fā)展［J］.中國集成電路，2010，（7）：156-157.

［4］郭三學(xué)，趙曉青，王少華，等.汽車底盤新技術(shù)發(fā)展趨勢分析［J］.武警工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2010，（6）：188-189.

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

CHENG Wei-hua
（Shunde Polytechnic，F(xiàn)oshan，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

成偉華，湖北通山人，碩士，高級(jí)工程師，主要研究方向：汽車運(yùn)用、汽車機(jī)械設(shè)備方面研究開發(fā)與教學(xué)。