机械工程中的多体系统动力学问题

0 引言

多体系统动力学主要应用于航空航天、机器人、车辆以及数控等多个行业，它能够帮助我们对产品进行虚拟的设计，来预测产品性能以便于对其进行优化，解决了复杂机械系统动力学和运动学问题，因此多体系统动力学逐渐成为了机械工程中产品设计和性能优化的重要手段。多体系统动力学在先进技术中占有重要地位，对机械工程中多体动力学的问题进行深入研究，能够促进我国多体系统动力学的发展应用，为我国机械制造业的发展也做出贡献。

1 多体系统动力学

多体系统是指由多个单体物质以某种特定的联接方式相互连接成整体而形成的系统，而多体系统动力学是研究多体系统运动规律的科学，物质有刚柔之分，多体系统有多刚体和多柔体系统，所以多体系统动力学包括多刚体系统动力学和多柔体系统动力学。多体系统动力学是由古典的刚体力学、分析力学和计算机技术结合形成的、为满足社会需要的学科，涵盖了建模和求解两个阶段，其中建模包括物理和数学模型两种。多体系统动力学目的是运用计算机仿真模拟技术来分析复杂的机械系统。经典的方法虽然也可以求解，但现代技术飞速的发展对于经典力学的解决方法已不能够满足，因此，多体系统动力学应运而生。

2 多体系统动力学的研究领域

多体系统动力学是在二十世纪五十年代开始被国内学者认识，尤其是一些相关著作的传入和国外智能机器的冲击，促使人们不得不面对多体系统动力学。到六七十年代，多体系统动力学已经为大多数人所知。之后在人们的探索下，多体系统动力学开始应用于各个领域尤其是某些复杂系统例如车辆工程、航空航天、工业机器人、精密的机械工程等系统。

2.1 车辆工程领域

20世纪80年代末，汽车工程领域开始引入多体系统动力学理论，采用该理论的研究方法对汽车的各个部件提前建模、求解，得到准确的数据。采用多体系统动力学可以对车体和车内的零部件进行结构设计，并完成相关车辆性能检测。

2.2 航空航天领域

我国很早就开始了针对刚性多体系统动力学在工程领域中的应用研究。现如今，刚性多体系统已成为汽车工程、航空航天工程领域比较常见的一个技术系统。航空航天领域则是采用了柔性多体系统动力学，现如今已经是非常活跃的一个研究领域了，航天器的制造需要非常精确的计算，柔性多体系统动力学可以对其进行模拟，然后测试其性能指标是否符合标准。该方法的精准度和计算效率都符合航天器的应用要求，目前在航天器的太阳帆板、姿态控制、天线、反射镜等结构中都有应用。

2.3 机器人领域

机器人现在在国内也开始发展起来，各式的机器人层出不穷，机器人是由刚性座、大小臂和三个腕关节构成的刚性多体系统，它的结构设计相当复杂，但是具有较多的自由度，可直接运用系统动力学方程求解。

随着人类对机器人的结构、性能、材质轻量化、柔性化等方面的要求逐步提高，传统的那种看起来就显笨重的刚性机器人会逐渐被淘汰。用传统的方法不能够对这种柔性机器人能够解决动力学问题，因此如何按照柔性机器人的使用需求构建相应的体动力学模型，成为目前急需解决的问题。

2.4 机械数控机床领域的精确度

精确度的大小关乎整个产品的性能，是数控机床重要技术指标之一，无论在哪个行业精确度都是无法忽视的。尽管一些误差无法避免，但如何提高精确度仍旧是人们一直探索的问题，目前可通过控制误差和误差补偿两种方法来提高精度。误差控制，即严格控制设计误差或制造误差。这对设备的要求是极大的，设备造价会很高。误差补偿是对误差进行一定的修正，若修正的很好，那么精确度就可能超过母机。基于多体系统运动学理论构建数控机床的误差模型，将会大大提高系统的精度。

3 多体系统动力学问题

3.1 坐标系的选择问题

无论是怎样的复杂问题，只要找到好的方法，那么问题就会简单化，同样要想解决复杂的机械工程中多体系统建模问题，首先要考虑的就是要采用什么样的坐标系，合适的坐标系的建立往往能够改变问题的复杂性。坐标系建立的方法有两种，分别是局部坐标方法和绝对左边方法。局部坐标法，即在物体上建立局部坐标，根据该坐标构建该无图的动力学模型。目前该方法仍然是比较常用的机械工程研究方法。绝对坐标法，即采用统一的坐标系来表示整个系统。与局部坐标法相比，这种方法更简单易行，但是计算效率差，因此并不常用。

文章来源：《机械工程与自动化》 网址: http://www.jxgcyzdhzz.cn/qikandaodu/2020/0904/444.html