多体动力学在机械工程领域的应用

　　摘要：在机械工程领域中，灵活运用多体动力学能够提升机械工程技术发展水平。基于此，本文详细阐述了多体动力学在机械臂、车用发动机、机械产品优化、PCB数控钻床这几个机械工程领域方面中的应用，深入分析了基于多体动力学的机械工程领域，希望能够为机械工程领域的不断进步提供助力。

　　关键词：机械工程;机械手臂;数控钻床

　　引言：多体动力学主要是指一门研究由若干个刚性与柔性物体所连接成系统运动规律的学科，该学科的内容主要包含柔体、刚体两个方面，能够弱化机械工程中计算推导的难度，因此工作者需要深入分析该学科在机械工程领域的应用方法，并采取有效措施，强化多体动力学的应用效果，加快推动机械工程的发展进程。

　　一、在机械臂构建上的应用

　　(一)工业机械臂性能建设

　　从目前来看，工业制造业的发展离不开机械自动化技术，而该技术的落实很大程度依赖于工业机械臂，它作为实现工业生产的基础设施，工作者需要先基于实际条件和工作要求，借助多体运动力学来构建臂模型，才能逐步完成其的制作和推广应用。从多体运动力学角度来看，工业机械臂主要由1个分支与6个自由度，采用固定体的部件连接方式所构成，工作者通常会基于多体运动力学，来计算出机械臂的刚度系数、当量阻尼系数，确保其性能满足工业生产要求。以最具代表性的PUMA760机械臂为例，该类型机器人的优势是通过高速摄像仪，结合频率域、时间域，将测量得出的电枢电流值转化为驱动转距，然后基于得出的具体数值，来设置自身的参数，保障其应用效果。在此过程中，该机械臂系统的运行，主要依赖于多体动力学的逆运算结果，并获得准确的转矩平均值，同时，将静态参数转化为物理参数，得出最终的阻尼系数、刚度系数。

　　(二)航天机械臂构建

　　航天机械臂的作用原理为柔性机械臂振动控制，其具有精度高、质量轻的特质，主要用于一些精度要求高、范围大的位置跟踪业务中，因此，该类型机械臂的构建要点为强化振动控制效果。但在此过程中，由于该类型机械臂极其容易受到鞭状天线的影响，造成卫星振动问题，使得如何保持其稳定状态成为了又一个重点研究课题。为此，工作者通常会以多体运动力学为基础理论依据，根据其中的柔性多体系统知识，来落实莫泰法或有限段法，实现航天机械臂的端头振动控制，同时，也可以向设备端头再施加一个制动力，制约机械臂的振动，优化航天机械臂的大范围位置跟踪能力。

　　二、在车用发动机上的应用

　　(一)多刚体系动力学应用

　　一般来说，对于车用发动机来说，多体运动力学在理论上的应用主要体现在基于多刚体系统力学模型计算方面，工作者经常会结合机械系统运动学、多刚体系统力学原理，来构建程式化的数据模型，然后将该模型的计算机理，开发成软件。之后，在发动机的设计中，工作者通过向该软件中直接输入所需参数条件，即可对发动机系统模型进行程式化的处理，增强发动机的性能。在此过程中，其中的计算方法、数值积分方法，能够自动得到多体动力学理论的响应，同时，工作者借助现代化的可视技术，能够实现以数据、图表、动图等相结合的方式，来展现车用发动机的设计效果，提高了多体运动力学的应用效果。

　　(二)虚拟样机分析法应用

　　虚拟样机分析法的应用主要是基于多柔体动力学，该项动力学作为多体运动力学的内容之一，其中应用方法主要为牛顿-欧拉方程、拉格朗日方程、高斯极值原理等方法。现阶段，可以用于发动机的虚拟样机技术产品，已经有20余种类，它们基本都是以CAD、MS为基本技术，能够建立发动机内部各个构建的三维立体模型，然后围绕多体运动力学，搭建虚拟样机模型，消除了仿真分析中的简化误差，并实现了对各荷载之间影响的充分分析，提高了分析结果的准确性和完整性。以发动机中的曲柄连杆机构分析为例，系统会在分析中采用拉格朗日方程、牛顿-欧拉方程等方式，构建出活塞位移、活塞速度、连杆角位移等动力学分析方程，如：X=(R+L)-(Rcosα+Lcosβ)、v=RW(sinα+λ/2*sin2α)、a=RW2(cosα+λcos2α)、β=λsinα[1+1/6λ2sin2α]，然后进行运动质量换算、激动力分析等环节，得出计算结果，以便于工作者进行优化处理。

　　三、在优化机械产品性能上的应用

　　(一)传统优化方式的应用

　　在物理环境中，机械产品的优化需要工作者基于多体动力学，来研究其在运作过程中呈现出的运动、受力等接触关系，然后在此基础上，判定机械产品是否符合实际使用需求。但在传统的多体运动力学应用中，人们往往会将一些机械运行中存在的規律性接触关系进行简化处理，并构建出相应的建模元件，如力元、运动副铰接等，进而提高建模效率和精度。然而在这种应用方法下，性能分析结果中通常会存在简化误差，同时，机械在很多工况下的接触关系无规律可循，导致传统的多体运动力学应用难以达到预期的精度和效率。但现阶段，人们已经开始使用相应的软件，来进行高效计算，能够在一定程度上弥补传统应用方式在效率上存在的不足。

　　(二)基于软件的优化方式应用

　　为了深入优化机械产品的使用性能，人们开始不断地追求高精度、高效率的接触仿真分析技术，并在多体运动力学基础上，研发了Simpack仿真软件，实现了基于多边形接触方法的非规律性接触关系分析，相较于传统的多体运动力学原理应用方式，该软件具有参数输入方便、精度高、速度快等优势，能够使分析结果更加准确和全面，有助于机械产品性能的发展。在此过程中，多边形接触方法，即PCM接触方法，采用的是离散几何表面分析法，如SIMBEAM离散梁、导入的外部CAD等，使得系统中的几何体可以自动进行表面多边形离散化，以便于软件全面地分析几何体表面存在的所有接触点。此外，在使用中，工作者需要注意，接触刚度参数应使用默认值1E5 N/mm，如果得出的仿真结果存在问题，再调整该数值，保障分析结果的准确性。

　　四、在PCB数控钻床建模仿真中的应用

　　(一)建模

　　现阶段，PCB数控床模型构建和优化的主要目标是为了使其能够更好地实现高效、高精度的深孔、微细孔加工。在此过程中，工作者可以利用多体运动力学，构建一个零件实体模型，来探讨其实际运作与内部结构之间的关系，然后根据作业需求，来改善数控钻床的系统结构，提升其作业水平。在建模中，工作者可以利用CAD软件，在UG中构建零件模型，然后输入密度等属性参数，再通过ADAMS软件，计算出零件的惯性矩、质量，同时，还要考虑零件的受力变形情况，通过有限单元，来对PCB数控钻床进行弹性体离散处理。之后，在ADAMS软件中将离散出的弹性体，按照柔性体进行建模，最后再建立系统约束关系，形成一个完整的PCB数控钻床模型。

　　(二)仿真分析

　　仿真分析作为寻找PCB数控钻床优化处理结构点的主要途径，工作者需要基于多体运动力学，来模拟钻床在进行高效、高精度的深孔、微细孔加工作业时的运作。在此过程中，工作者需要借助非线性方程，来求解构件位置、速度、时间三者之间的关系，然后模拟出钻床钻头在高效、高精度作业时的速度、位移等参数，向工作者反馈出钻床多刚体模型的运行特质和效果。之后，模拟出钻床钻头在作业时的力学特质，如连接点的弹性、形变、阻力等，全面反映出，钻头在作业期间呈现出柔性多体效应。最后，工作者基于此，即可针对PCB数控钻床进行改善，提高其使用效果。

　　结论：综上所述，在机械工程领域建设中充分发挥多体运动力学的效用能够促进机械化的发展。在机械领域中，多体运动力学的应用可以强化机械臂使用性能、增强发动机设计优化效果、提高机械产品优化效率、优化制造业生产水平，从而促进我国各领域的自动化、智能化发展。

　　参考文献：

　　[1]董春晖，董钰.计算机智能控制技术在工程机械领域中的应用分析[J].南方农机，2020，51(06)：156.

　　[2]李道力，于珈懿，高粼泽.多体动力学在机械工程领域的应用[J].湖北农机化，2019(12)：33.

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