多體動(dòng)力學(xué)在機(jī)械工程領(lǐng)域的應(yīng)用

曹科

摘要：多體系統(tǒng)指的是多大多數(shù)的機(jī)械系統(tǒng)之中一個(gè)較為全面、完整的系統(tǒng)，其比較抽象且具有高度概括性，正因如此，多體系統(tǒng)輝成為機(jī)械系統(tǒng)之中的一個(gè)最佳模型。多體動(dòng)力學(xué)屬于自然科學(xué)，涵蓋了許多門(mén)科學(xué)，如：工程力學(xué)，多體動(dòng)力學(xué)、分析力學(xué)、控制理論等作為機(jī)械領(lǐng)域的新型科學(xué)被廣泛的使用。多體動(dòng)力學(xué)經(jīng)過(guò)了多年的發(fā)展以及補(bǔ)充，被廣泛的應(yīng)用于實(shí)際。本篇文章從多體動(dòng)力學(xué)的模型建立入手，分析了在機(jī)械工程領(lǐng)域之中，多體動(dòng)力學(xué)的廣泛應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：多體動(dòng)力學(xué);機(jī)械工程領(lǐng)域;應(yīng)用

前言

多體系統(tǒng)是機(jī)械系統(tǒng)之中的最有效、最完整的系統(tǒng)，其作為一個(gè)綜合性的學(xué)科，綜合了其它積累學(xué)科的優(yōu)勢(shì)，并且已經(jīng)成為了機(jī)械領(lǐng)域之中發(fā)展最快的一個(gè)學(xué)科。經(jīng)歷了多年的發(fā)展，如今，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)也被廣泛的應(yīng)用于多體系統(tǒng)，并且這種新型的多體系統(tǒng)被廣泛的投入實(shí)踐。在機(jī)械工程領(lǐng)域，多體動(dòng)力學(xué)的應(yīng)用是十分廣泛的，并且這一技術(shù)也受到了更多的人的關(guān)注。如今的多體動(dòng)力學(xué)在航天航空、機(jī)械等多個(gè)領(lǐng)域被應(yīng)用，而且效果顯著。

一、多體動(dòng)力學(xué)簡(jiǎn)介

1.參考框架和坐標(biāo)系

在機(jī)械做運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，可以使兩個(gè)部件保持在一個(gè)穩(wěn)定的距離稱(chēng)之為固定體。

固定體具體指的是，在機(jī)械運(yùn)動(dòng)的過(guò)程之中，距離一直保持穩(wěn)定的兩個(gè)部件。任意選擇固定物體上的一點(diǎn)，在該點(diǎn)上建立空間直角坐標(biāo)系，可以幫助固定物體被固定。其中，選定的點(diǎn)為固定點(diǎn)。當(dāng)連體基被固定了，固定體的位置也會(huì)被固定。

2.模型與模型元素

連體基有幾種固定的要素，如部件、約束等。從機(jī)械設(shè)備的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，機(jī)械設(shè)備的各個(gè)要素是具有多樣化的，其中，機(jī)械設(shè)備中就具有數(shù)十種的類(lèi)型。由此可見(jiàn)，想要對(duì)機(jī)械系統(tǒng)的各個(gè)部分實(shí)現(xiàn)有效的管理，就一定要對(duì)各種屬性進(jìn)行全面且具體的分類(lèi)，幼體可以分為多個(gè)門(mén)類(lèi)，如：部分模型、力模型等等。

3.多體動(dòng)力學(xué)模型的表達(dá)研究

設(shè)備各部件的多體動(dòng)力學(xué)是一個(gè)多體系統(tǒng)，但各部件動(dòng)力學(xué)的建立是非常重要的。方元：方元指的是多體動(dòng)力學(xué)的各個(gè)部分的相互的作用。外力偶：外力偶指的是多體系統(tǒng)之中各個(gè)部分會(huì)受到的外力。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)指的是多體系統(tǒng)之中各部件之中的連接。

二、機(jī)械工程中多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)現(xiàn)狀

1.坐標(biāo)系的選擇

面對(duì)復(fù)雜的機(jī)械系統(tǒng)問(wèn)題，需要選擇適當(dāng)?shù)淖鴺?biāo)系，這可以將復(fù)雜的問(wèn)題簡(jiǎn)單化。因此，在多體動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)的建模的時(shí)候最重要的就是要考慮怎樣選擇坐標(biāo)系。建立坐標(biāo)系的方法有：局部坐標(biāo)法，這種方法是目前來(lái)講最廣泛、最簡(jiǎn)單的方法。另一種方法是絕對(duì)坐標(biāo)法，在這個(gè)系統(tǒng)之中要選擇統(tǒng)一的坐標(biāo)系，但是，這種方式效率低，很少會(huì)被使用的到。

2.對(duì)柔性體進(jìn)行離散

在本質(zhì)上，柔性系統(tǒng)通常屬于一種自由的、無(wú)限度的系統(tǒng)，柔性系統(tǒng)一般不滿(mǎn)足于計(jì)算機(jī)計(jì)算的要求，因此，一定要對(duì)柔性系統(tǒng)進(jìn)行離散，其中最主要的方法就是：有限元法、假設(shè)模擬法等等。最常用的方法就是以上提及的兩種方法的結(jié)合，這樣可以大大限制自由度。

三、機(jī)械工程領(lǐng)域的運(yùn)用

1.機(jī)械手臂及動(dòng)力學(xué)分析

在機(jī)械工程領(lǐng)域之中，工業(yè)機(jī)器人的存在是一個(gè)普遍而且至關(guān)重要的存在，工業(yè)機(jī)器人一般都是由一個(gè)分支以及六個(gè)自由度組成，其中每一個(gè)自由度是通過(guò)剛體進(jìn)行連結(jié)的，工業(yè)機(jī)器人本身就是有代表性的一個(gè)多體動(dòng)力的模型?，F(xiàn)下應(yīng)用最為廣泛的就是PUMA760機(jī)器人，在研究的過(guò)程中，頻率域和時(shí)間域是其研究的基礎(chǔ)，可以使用高速攝像儀來(lái)獲取運(yùn)動(dòng)的參數(shù)，從而獲得有用的數(shù)據(jù)。緊接著，可以使用多體動(dòng)力學(xué)的逆運(yùn)算的方法來(lái)獲得實(shí)際的數(shù)值，在數(shù)據(jù)的分析以及整合之后，可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬，接下來(lái)可以得到設(shè)備的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，在這些數(shù)據(jù)中包含了當(dāng)量阻尼系數(shù)以及相應(yīng)的剛度系數(shù)。在具體的設(shè)計(jì)過(guò)程中，可以應(yīng)用以上提到的模型進(jìn)行動(dòng)力學(xué)的分析，還可以保證精準(zhǔn)度，進(jìn)而提高工作的效率。

2.柔性機(jī)械臂振動(dòng)控制

在大型工程或工廠(chǎng)當(dāng)中，機(jī)械臂得使用是最為常見(jiàn)得，其中使用最多的就是柔性機(jī)械。柔性機(jī)械臂可以在航空航天領(lǐng)域中進(jìn)行使用，柔性機(jī)械臂的每一個(gè)連接點(diǎn)都可以用不同的指令進(jìn)行不同程度的操作，比如讓第一個(gè)連接點(diǎn)進(jìn)行升高，第二個(gè)連接點(diǎn)進(jìn)行降低操作，互相之間不會(huì)發(fā)生因指令的不同而出現(xiàn)系統(tǒng)錯(cuò)誤的現(xiàn)象。

根據(jù)機(jī)械臂的構(gòu)造的原理，可以將柔性機(jī)械臂看成是一個(gè)柔性的多體系統(tǒng)，其后采取的模態(tài)法以及有限段法可以達(dá)到控制震動(dòng)的作用。根據(jù)具體的研究發(fā)現(xiàn)，這些方法可以根據(jù)機(jī)械臂的貼點(diǎn)以及固定的阻尼系數(shù)，在特定的時(shí)間弱化震動(dòng)對(duì)于柔性機(jī)械臂的影響。資料顯示，通過(guò)使用力學(xué)逆運(yùn)算方法進(jìn)行計(jì)算的制動(dòng)力大小的結(jié)果是最合適的。另外，還要考慮所使用的多體系統(tǒng)每一個(gè)動(dòng)態(tài)的屬性，已有經(jīng)驗(yàn)表明，改變端點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)全閉環(huán)反饋，進(jìn)而減小震動(dòng)對(duì)于機(jī)械臂的影響。

3.機(jī)械工程中多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)求解

任何的一個(gè)機(jī)械工程的系統(tǒng)，求解的過(guò)程通常都是：建模----獲得動(dòng)力的物理模型----計(jì)算機(jī)求解----獲得系統(tǒng)的處理效果。在機(jī)械工程建模的過(guò)程中，初值的相容性需要進(jìn)行特別注意一下，初值的問(wèn)題與解決問(wèn)題的解決效果相關(guān)關(guān)聯(lián)，比如說(shuō)，簡(jiǎn)單說(shuō)較為難得問(wèn)題，初值得相容性就會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題，反之容易得問(wèn)題就不會(huì)出現(xiàn)此類(lèi)現(xiàn)象。

四、總結(jié)

在機(jī)械領(lǐng)域中多體動(dòng)力學(xué)已經(jīng)有了十多年的應(yīng)用史，然而，近些年中，伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)與多體動(dòng)力學(xué)的結(jié)合及廣泛應(yīng)用，多體動(dòng)力學(xué)在航天航空等各個(gè)領(lǐng)域之中的發(fā)展都得到了突破，發(fā)展態(tài)勢(shì)良好。伴隨著多體動(dòng)力學(xué)的理論的完善，在機(jī)械領(lǐng)域之中多體動(dòng)力學(xué)也取得了較好的效果，并且在各個(gè)領(lǐng)域之中被廣泛的應(yīng)用，并且取得了較好的效果。未來(lái)，多體動(dòng)力學(xué)會(huì)的到非常廣泛的應(yīng)用，在今后的日子里，它將會(huì)成為一個(gè)新的創(chuàng)新的工具，多體動(dòng)力學(xué)也將會(huì)提高我們國(guó)家機(jī)械領(lǐng)域的發(fā)展速度。

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