探究多体动力学在机械工程领域的应用

张立刚

摘要：传统力学经过多年发展，当前已经开发出了多种分支，其中多体动力学由于其与工程实践能够更好地契合，所以成为当前机械工程领域中的重点研究项目。基于对多体动力学使用方式和通常应用流程的分析，本文指出了这一力学体系在机械工程领域中的通常应用形式，并在此基础上提出具体的应用方法，以全面推动机械行业的进一步发展。

关键词：多体动力学;机械工程;技术应用

中图分类号：TH113文献标识码：A文章编号：1671-2064（2019）17-0000-00

0 引言

多体动力学在当前的研究过程中已经开发出了专用的软件，并且取得了良好的应用效果，其采用模式较为固定，当前已经制定出了成熟的理论框架，并且在各类机械行业中，可以发现其能够取得良好的应用效果。本文基于对应用方法以及其理论框架的研究，制定了具体的应用方法体系，以更好带动机械行业的发展。

1 多体动力学的使用方式和流程

多体动力学技术的应用流程为，首先完成复杂构件体系建模工作，其次要应用专用计算机获取动力学规律，最后为完成数据后处理工作，如动画演示、圖表显示等。对复杂机械体系的建模过程来说，可以采用多种三维建模软件完成，并且当前已经开发出的多体动力学研究软件和其余的三维建模软件有很高的连接效果，所以可以通过对设备结构的合理建模规划，降低整个系统的难度。对于计算机分析系统来说，可以通过对相关理论体系和理论框架的使用完成对各类数据的处理和整合，当前牛顿力学体系已经开发出了多种应用模式，所以通过对相关参数的输入和调整，完成对整个系统的动力学分析工作有良好的应用前景。对于数据的后处理工作，可采用的方法为将该软件与其余软件融合，最终开发出相应的演示动画等内容。

常用方法包括拉格朗日方程、图论方法以及矢量研究方法，在具体的使用过程中，要通过对相关模型的研究和分析，合理选择相应的数据处理方法，并在此基础上提高整个系统的数据处理精度。

2 多体动力学在机械工程领域中的应用

2.1机械加工行业

机械加工行业要求能够完成对加工设备的良好控制，在此基础上确保最终加工出的产品质量能够符合设计要求。在具体的机械加工行业中要求专业人员能够根据对最终产品类型的研究和分析，制定相应的产品运行模式，并在此基础上确定各类参数。常见的参数包括相关杆件的长度、圆盘活动件的直径、各类可活动构件的自由度等，只有在所有项目都符合要求的情况下才可以发挥具体的加工作用。虽然传统动力学也能够完成对相关参数的确定，然而其需要投入大量的计算精力，通过对多动力理论的应用和相关技术的分析，可以在确定基础参数的情况下，完成对各类设施和参数的进一步确定工作，最终让整个产品的参数能够根据制定的产品方案，完成具体的生产项目。

2.2机器人研发行业

机器人已经成为当前的一项重点研究内容，并且其能够在多个行业中发挥重要作用，其中最常见的为工业机器人。

然而对于各类机器人来说，其内部都含有大量的活动构件，并且其最基础的零部件通常为杆件、齿轮和圆盘等，这就导致整个系统的控制难度提高，并且要能够从整体上完成对所有零部件的精密性控制和计算。传统的工作过程采用传统动力学的方法完成对各类零件参数的具体分析，比如对于某工业机器人来说，其采用的方法为采用三段杆件连接的悬臂形式完成焊接工作，而对于各类不同的悬臂杆件来说，其长度都存在一定的差异，在具体的计算过程中，根据整个机器人的活动空间，确定悬臂的最大连接长度以及最小连接长度，通过对相关杆件之间夹角的研究和分析，确定不同连接杆的合理长度，完成各类设备的参数确定后，要进一步分析机器人中其余活动构件的自由度，并且也要考虑这一自由度设计方案对系统中之前确定参数造成的精密度影响，以此为标准落实相应的调整和优化工作，以探索整个机器人的运行状态和运行精度是否符合要求，为降低分析和建模难度，多体动力学理论可以通过对一些限制性参数的输入，更为高效精确地确定各类零件参数。

2.3设备控制行业

设备控制行业并非只通过对相关软件的研发完成对整个设备的运行状态优化，而是需要考虑设备中的各类参数，在此基础上建成最佳的管理和控制系统，可以说科学性越高的控制系统对基础学科的要求越高。

在传统的工作过程中一方面通过对一些标准化的构件参数的输入，让工作人员以及系统的开发人员能够更好地完成对新的软件系统研发，而对于一些个性化程度较高的设备来说，相关零件的标准与当前制定的国家标准和世界性标准不同，需要对其完成个性化的参数确定，所以采用传统的方法过程中，需要建成个性化的运算体系，最终完成对整个控制系统的优化和改革。采用单项计算的方法需要消耗大量的时间和精力，而采用多体动力学理论，可通过对计算机系统的操作，完成对各项参数的输入和确定，在此基础上建成相应的设备运行模型，可采用动画的形式，让工作人员能够更好地确定这一系统的今后优化方向，从而让这一系统能够获得更好的发展。

2.4设备受力分析

在一些设备的运行和使用之前需要通过对其的受力分析工作，完成对整个系统的研究，以防止该设备在行过程中出现运行质量下降问题。

设备的受力分析工作通常情况下难度较低，只需要掌握理论力学知识和材料力学知识即可完成该项工作，然而对于复杂结构的设备来说，需要考虑的力的类型较多，并且系统中形成的干扰效果较大，需要考虑设备本身振动受到的外力以及系统中产生的其余内力等所有的参数，完成对最终受力效果的研究。比如对于航空航天设备、高压输电塔架来说，都需要完成对这一工作内容的落实，确保整个系统能够处于最佳的运行状态。

多体动力学在使用过程中，要求工作人员向计算机系统输入设备中各个零部件的参数，并且向系统中输入所有的受力参数，即可完成整个系统的研究和分析，最终让这一系统的运行质量大幅提高。另外在受力参数和受力结果的获取与研究中，要和相关设备的最高承力效果进行对比，当发现某零件的受力和现实参数对比，分析设备是否能够正常运行，以合理制定优化方案，让系统能够处于正常稳定的运行状态。

3 多体动力学在机械工程领域中的具体应用方法

3.1模型建设工作

机械工程领域中的各类设备都具有较高的复杂度，并且需要多种零部件的协同运行才能够发挥其应有作用，所以在模型的建设工作中为了能夠降低整个系统的运行便捷性，可以采用分阶段构建模型的方法完成具体的受力分析。

比如对于某型号的火箭受力情况研究过程来说，首先完成对整体外壳的建模工作，通常情况下该系统需要研究的力包括外力和内力，其中外力主要为运行过程中受到的风阻力、侧向风力以及地球引力等，而内力包括运行过程中产生的振动力、材料自然震动频率引发的振动等，在具体的研究过程中要根据实际的火箭型号完成对各项参数的输入。通过对其余参数的建设和提交可让系统确定火箭外壳而不同区域的受力情况，与外壳建设过程中的薄弱点进行比对，当发现具体的受力情况与薄弱点的承力参数相近或者超出时，只要通过对外壳的调整以及对薄弱点的优化，防止运行过程中出现解体问题。

而对于内部的一些零部件受力情况分析过程来说，需要研究的项目包括飞行过程中产生的震动、地球引力以及运行过程中产生的科氏加速度等，只有在所有项目都能够被正确确定的情况下，才能够完成对整个单元以及零部件的分析。这些参数在火箭的设计过程中已经可以获知，或者可以将这些参数制作火箭运行中的限制性参数，研究实际运行受力情况和允许的最大受力参数是否相同或超出，以确定是否需要落实相应的优化工作。

3.2相关参数获取

相关参数的确定和获取过程，通过对整个系统的研究和完善完成对相关加工参数的分析，以确保整个系统能够正常稳定运行。一方面要通过对具体加工参数的输入，研究整个设备的运行情况，另一方面也需要输入相应的限制性指标，在这两类参数的共同作用下，可以研究和分析该设备运行过程是否可能出现解体问题。

另外在数据的获取过程中，要求该过程建成的模型为整体性模型，通过对各类参数的收入，计算机软件自动完成对整个系统中相关零件所承受最大的承力参数的研究和分析，同时可采用精确测量等方法，完成对实际加工参数的确定，通过两个参数间的比较，分析相应的加工过程参数是否能够满足系统的正常稳定运行要求。

3.3规律研究工作

规律的研究工作主要为确定整个设备中各类零件的具体运行情况，本文采用的方法为，通过将相关参数输入的方法，完成对建设模型整体受力情况的全面分析，最终让这一系统能够更好的运行，同时确定设备的被优化方法。

另外也可采用分阶段建模的方式，研究在设备的具体运行过程中相关构件之间的具体运动模式和相互影响效果，而在后续的研究过程中，将已经建成的分阶段模型和其余的子系统模型进行对接，通过对这种方法的应用可以研究整个模型中，各类受力构件之间的叠加效果，从而确定不同零部件的具体运行状况。甚至可以通过这种方法确定当前制定的自由度方案是否符合要求，当发现最终系统的作用效果和预期的工作效果之间存在过大差异时，则可确定该系统无法正常稳定运行，需要采取合理的方法完成对设备的优化工作。

4 结语

综上所述，多体动力学在具体的系统研发过程中，首先要完成对设备的建模工作，其次要完成对相关参数的输入和模型运动规律的获取，最后为落实对数据的后处理工作，以完成对整个设备受力情况的研究。而在机械工程要发挥作用时，发挥的作用包括对设备的优化、机器人的研发等，在具体的使用过程中要完全按照当前已经制定的使用方案完成对各类参数的获取和输入，以研究该设备是否能够正常运行。

参考文献

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收稿日期：2019-08-02

作者简介：张立刚（1972—），男，河北石家庄人，大专，主要负责公司发展战略，总体规划方面的工作。