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

張立剛

摘要：傳統(tǒng)力學(xué)經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，當(dāng)前已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了多種分支，其中多體動(dòng)力學(xué)由于其與工程實(shí)踐能夠更好地契合，所以成為當(dāng)前機(jī)械工程領(lǐng)域中的重點(diǎn)研究項(xiàng)目?；趯?duì)多體動(dòng)力學(xué)使用方式和通常應(yīng)用流程的分析，本文指出了這一力學(xué)體系在機(jī)械工程領(lǐng)域中的通常應(yīng)用形式，并在此基礎(chǔ)上提出具體的應(yīng)用方法，以全面推動(dòng)機(jī)械行業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。

關(guān)鍵詞：多體動(dòng)力學(xué);機(jī)械工程;技術(shù)應(yīng)用

中圖分類(lèi)號(hào)：TH113文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1671-2064（2019）17-0000-00

0 引言

多體動(dòng)力學(xué)在當(dāng)前的研究過(guò)程中已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了專(zhuān)用的軟件，并且取得了良好的應(yīng)用效果，其采用模式較為固定，當(dāng)前已經(jīng)制定出了成熟的理論框架，并且在各類(lèi)機(jī)械行業(yè)中，可以發(fā)現(xiàn)其能夠取得良好的應(yīng)用效果。本文基于對(duì)應(yīng)用方法以及其理論框架的研究，制定了具體的應(yīng)用方法體系，以更好帶動(dòng)機(jī)械行業(yè)的發(fā)展。

1 多體動(dòng)力學(xué)的使用方式和流程

多體動(dòng)力學(xué)技術(shù)的應(yīng)用流程為，首先完成復(fù)雜構(gòu)件體系建模工作，其次要應(yīng)用專(zhuān)用計(jì)算機(jī)獲取動(dòng)力學(xué)規(guī)律，最后為完成數(shù)據(jù)后處理工作，如動(dòng)畫(huà)演示、圖表顯示等。對(duì)復(fù)雜機(jī)械體系的建模過(guò)程來(lái)說(shuō)，可以采用多種三維建模軟件完成，并且當(dāng)前已經(jīng)開(kāi)發(fā)出的多體動(dòng)力學(xué)研究軟件和其余的三維建模軟件有很高的連接效果，所以可以通過(guò)對(duì)設(shè)備結(jié)構(gòu)的合理建模規(guī)劃，降低整個(gè)系統(tǒng)的難度。對(duì)于計(jì)算機(jī)分析系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，可以通過(guò)對(duì)相關(guān)理論體系和理論框架的使用完成對(duì)各類(lèi)數(shù)據(jù)的處理和整合，當(dāng)前牛頓力學(xué)體系已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了多種應(yīng)用模式，所以通過(guò)對(duì)相關(guān)參數(shù)的輸入和調(diào)整，完成對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)分析工作有良好的應(yīng)用前景。對(duì)于數(shù)據(jù)的后處理工作，可采用的方法為將該軟件與其余軟件融合，最終開(kāi)發(fā)出相應(yīng)的演示動(dòng)畫(huà)等內(nèi)容。

常用方法包括拉格朗日方程、圖論方法以及矢量研究方法，在具體的使用過(guò)程中，要通過(guò)對(duì)相關(guān)模型的研究和分析，合理選擇相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理方法，并在此基礎(chǔ)上提高整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理精度。

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

2.1機(jī)械加工行業(yè)

機(jī)械加工行業(yè)要求能夠完成對(duì)加工設(shè)備的良好控制，在此基礎(chǔ)上確保最終加工出的產(chǎn)品質(zhì)量能夠符合設(shè)計(jì)要求。在具體的機(jī)械加工行業(yè)中要求專(zhuān)業(yè)人員能夠根據(jù)對(duì)最終產(chǎn)品類(lèi)型的研究和分析，制定相應(yīng)的產(chǎn)品運(yùn)行模式，并在此基礎(chǔ)上確定各類(lèi)參數(shù)。常見(jiàn)的參數(shù)包括相關(guān)桿件的長(zhǎng)度、圓盤(pán)活動(dòng)件的直徑、各類(lèi)可活動(dòng)構(gòu)件的自由度等，只有在所有項(xiàng)目都符合要求的情況下才可以發(fā)揮具體的加工作用。雖然傳統(tǒng)動(dòng)力學(xué)也能夠完成對(duì)相關(guān)參數(shù)的確定，然而其需要投入大量的計(jì)算精力，通過(guò)對(duì)多動(dòng)力理論的應(yīng)用和相關(guān)技術(shù)的分析，可以在確定基礎(chǔ)參數(shù)的情況下，完成對(duì)各類(lèi)設(shè)施和參數(shù)的進(jìn)一步確定工作，最終讓整個(gè)產(chǎn)品的參數(shù)能夠根據(jù)制定的產(chǎn)品方案，完成具體的生產(chǎn)項(xiàng)目。

2.2機(jī)器人研發(fā)行業(yè)

機(jī)器人已經(jīng)成為當(dāng)前的一項(xiàng)重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容，并且其能夠在多個(gè)行業(yè)中發(fā)揮重要作用，其中最常見(jiàn)的為工業(yè)機(jī)器人。

然而對(duì)于各類(lèi)機(jī)器人來(lái)說(shuō)，其內(nèi)部都含有大量的活動(dòng)構(gòu)件，并且其最基礎(chǔ)的零部件通常為桿件、齒輪和圓盤(pán)等，這就導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的控制難度提高，并且要能夠從整體上完成對(duì)所有零部件的精密性控制和計(jì)算。傳統(tǒng)的工作過(guò)程采用傳統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的方法完成對(duì)各類(lèi)零件參數(shù)的具體分析，比如對(duì)于某工業(yè)機(jī)器人來(lái)說(shuō)，其采用的方法為采用三段桿件連接的懸臂形式完成焊接工作，而對(duì)于各類(lèi)不同的懸臂桿件來(lái)說(shuō)，其長(zhǎng)度都存在一定的差異，在具體的計(jì)算過(guò)程中，根據(jù)整個(gè)機(jī)器人的活動(dòng)空間，確定懸臂的最大連接長(zhǎng)度以及最小連接長(zhǎng)度，通過(guò)對(duì)相關(guān)桿件之間夾角的研究和分析，確定不同連接桿的合理長(zhǎng)度，完成各類(lèi)設(shè)備的參數(shù)確定后，要進(jìn)一步分析機(jī)器人中其余活動(dòng)構(gòu)件的自由度，并且也要考慮這一自由度設(shè)計(jì)方案對(duì)系統(tǒng)中之前確定參數(shù)造成的精密度影響，以此為標(biāo)準(zhǔn)落實(shí)相應(yīng)的調(diào)整和優(yōu)化工作，以探索整個(gè)機(jī)器人的運(yùn)行狀態(tài)和運(yùn)行精度是否符合要求，為降低分析和建模難度，多體動(dòng)力學(xué)理論可以通過(guò)對(duì)一些限制性參數(shù)的輸入，更為高效精確地確定各類(lèi)零件參數(shù)。

2.3設(shè)備控制行業(yè)

設(shè)備控制行業(yè)并非只通過(guò)對(duì)相關(guān)軟件的研發(fā)完成對(duì)整個(gè)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)優(yōu)化，而是需要考慮設(shè)備中的各類(lèi)參數(shù)，在此基礎(chǔ)上建成最佳的管理和控制系統(tǒng)，可以說(shuō)科學(xué)性越高的控制系統(tǒng)對(duì)基礎(chǔ)學(xué)科的要求越高。

在傳統(tǒng)的工作過(guò)程中一方面通過(guò)對(duì)一些標(biāo)準(zhǔn)化的構(gòu)件參數(shù)的輸入，讓工作人員以及系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)人員能夠更好地完成對(duì)新的軟件系統(tǒng)研發(fā)，而對(duì)于一些個(gè)性化程度較高的設(shè)備來(lái)說(shuō)，相關(guān)零件的標(biāo)準(zhǔn)與當(dāng)前制定的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和世界性標(biāo)準(zhǔn)不同，需要對(duì)其完成個(gè)性化的參數(shù)確定，所以采用傳統(tǒng)的方法過(guò)程中，需要建成個(gè)性化的運(yùn)算體系，最終完成對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)的優(yōu)化和改革。采用單項(xiàng)計(jì)算的方法需要消耗大量的時(shí)間和精力，而采用多體動(dòng)力學(xué)理論，可通過(guò)對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的操作，完成對(duì)各項(xiàng)參數(shù)的輸入和確定，在此基礎(chǔ)上建成相應(yīng)的設(shè)備運(yùn)行模型，可采用動(dòng)畫(huà)的形式，讓工作人員能夠更好地確定這一系統(tǒng)的今后優(yōu)化方向，從而讓這一系統(tǒng)能夠獲得更好的發(fā)展。

2.4設(shè)備受力分析

在一些設(shè)備的運(yùn)行和使用之前需要通過(guò)對(duì)其的受力分析工作，完成對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的研究，以防止該設(shè)備在行過(guò)程中出現(xiàn)運(yùn)行質(zhì)量下降問(wèn)題。

設(shè)備的受力分析工作通常情況下難度較低，只需要掌握理論力學(xué)知識(shí)和材料力學(xué)知識(shí)即可完成該項(xiàng)工作，然而對(duì)于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的設(shè)備來(lái)說(shuō)，需要考慮的力的類(lèi)型較多，并且系統(tǒng)中形成的干擾效果較大，需要考慮設(shè)備本身振動(dòng)受到的外力以及系統(tǒng)中產(chǎn)生的其余內(nèi)力等所有的參數(shù)，完成對(duì)最終受力效果的研究。比如對(duì)于航空航天設(shè)備、高壓輸電塔架來(lái)說(shuō)，都需要完成對(duì)這一工作內(nèi)容的落實(shí)，確保整個(gè)系統(tǒng)能夠處于最佳的運(yùn)行狀態(tài)。

多體動(dòng)力學(xué)在使用過(guò)程中，要求工作人員向計(jì)算機(jī)系統(tǒng)輸入設(shè)備中各個(gè)零部件的參數(shù)，并且向系統(tǒng)中輸入所有的受力參數(shù)，即可完成整個(gè)系統(tǒng)的研究和分析，最終讓這一系統(tǒng)的運(yùn)行質(zhì)量大幅提高。另外在受力參數(shù)和受力結(jié)果的獲取與研究中，要和相關(guān)設(shè)備的最高承力效果進(jìn)行對(duì)比，當(dāng)發(fā)現(xiàn)某零件的受力和現(xiàn)實(shí)參數(shù)對(duì)比，分析設(shè)備是否能夠正常運(yùn)行，以合理制定優(yōu)化方案，讓系統(tǒng)能夠處于正常穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)。

3 多體動(dòng)力學(xué)在機(jī)械工程領(lǐng)域中的具體應(yīng)用方法

3.1模型建設(shè)工作

機(jī)械工程領(lǐng)域中的各類(lèi)設(shè)備都具有較高的復(fù)雜度，并且需要多種零部件的協(xié)同運(yùn)行才能夠發(fā)揮其應(yīng)有作用，所以在模型的建設(shè)工作中為了能夠降低整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行便捷性，可以采用分階段構(gòu)建模型的方法完成具體的受力分析。

比如對(duì)于某型號(hào)的火箭受力情況研究過(guò)程來(lái)說(shuō)，首先完成對(duì)整體外殼的建模工作，通常情況下該系統(tǒng)需要研究的力包括外力和內(nèi)力，其中外力主要為運(yùn)行過(guò)程中受到的風(fēng)阻力、側(cè)向風(fēng)力以及地球引力等，而內(nèi)力包括運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的振動(dòng)力、材料自然震動(dòng)頻率引發(fā)的振動(dòng)等，在具體的研究過(guò)程中要根據(jù)實(shí)際的火箭型號(hào)完成對(duì)各項(xiàng)參數(shù)的輸入。通過(guò)對(duì)其余參數(shù)的建設(shè)和提交可讓系統(tǒng)確定火箭外殼而不同區(qū)域的受力情況，與外殼建設(shè)過(guò)程中的薄弱點(diǎn)進(jìn)行比對(duì)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)具體的受力情況與薄弱點(diǎn)的承力參數(shù)相近或者超出時(shí)，只要通過(guò)對(duì)外殼的調(diào)整以及對(duì)薄弱點(diǎn)的優(yōu)化，防止運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)解體問(wèn)題。

而對(duì)于內(nèi)部的一些零部件受力情況分析過(guò)程來(lái)說(shuō)，需要研究的項(xiàng)目包括飛行過(guò)程中產(chǎn)生的震動(dòng)、地球引力以及運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的科氏加速度等，只有在所有項(xiàng)目都能夠被正確確定的情況下，才能夠完成對(duì)整個(gè)單元以及零部件的分析。這些參數(shù)在火箭的設(shè)計(jì)過(guò)程中已經(jīng)可以獲知，或者可以將這些參數(shù)制作火箭運(yùn)行中的限制性參數(shù)，研究實(shí)際運(yùn)行受力情況和允許的最大受力參數(shù)是否相同或超出，以確定是否需要落實(shí)相應(yīng)的優(yōu)化工作。

3.2相關(guān)參數(shù)獲取

相關(guān)參數(shù)的確定和獲取過(guò)程，通過(guò)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的研究和完善完成對(duì)相關(guān)加工參數(shù)的分析，以確保整個(gè)系統(tǒng)能夠正常穩(wěn)定運(yùn)行。一方面要通過(guò)對(duì)具體加工參數(shù)的輸入，研究整個(gè)設(shè)備的運(yùn)行情況，另一方面也需要輸入相應(yīng)的限制性指標(biāo)，在這兩類(lèi)參數(shù)的共同作用下，可以研究和分析該設(shè)備運(yùn)行過(guò)程是否可能出現(xiàn)解體問(wèn)題。

另外在數(shù)據(jù)的獲取過(guò)程中，要求該過(guò)程建成的模型為整體性模型，通過(guò)對(duì)各類(lèi)參數(shù)的收入，計(jì)算機(jī)軟件自動(dòng)完成對(duì)整個(gè)系統(tǒng)中相關(guān)零件所承受最大的承力參數(shù)的研究和分析，同時(shí)可采用精確測(cè)量等方法，完成對(duì)實(shí)際加工參數(shù)的確定，通過(guò)兩個(gè)參數(shù)間的比較，分析相應(yīng)的加工過(guò)程參數(shù)是否能夠滿(mǎn)足系統(tǒng)的正常穩(wěn)定運(yùn)行要求。

3.3規(guī)律研究工作

規(guī)律的研究工作主要為確定整個(gè)設(shè)備中各類(lèi)零件的具體運(yùn)行情況，本文采用的方法為，通過(guò)將相關(guān)參數(shù)輸入的方法，完成對(duì)建設(shè)模型整體受力情況的全面分析，最終讓這一系統(tǒng)能夠更好的運(yùn)行，同時(shí)確定設(shè)備的被優(yōu)化方法。

另外也可采用分階段建模的方式，研究在設(shè)備的具體運(yùn)行過(guò)程中相關(guān)構(gòu)件之間的具體運(yùn)動(dòng)模式和相互影響效果，而在后續(xù)的研究過(guò)程中，將已經(jīng)建成的分階段模型和其余的子系統(tǒng)模型進(jìn)行對(duì)接，通過(guò)對(duì)這種方法的應(yīng)用可以研究整個(gè)模型中，各類(lèi)受力構(gòu)件之間的疊加效果，從而確定不同零部件的具體運(yùn)行狀況。甚至可以通過(guò)這種方法確定當(dāng)前制定的自由度方案是否符合要求，當(dāng)發(fā)現(xiàn)最終系統(tǒng)的作用效果和預(yù)期的工作效果之間存在過(guò)大差異時(shí)，則可確定該系統(tǒng)無(wú)法正常穩(wěn)定運(yùn)行，需要采取合理的方法完成對(duì)設(shè)備的優(yōu)化工作。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，多體動(dòng)力學(xué)在具體的系統(tǒng)研發(fā)過(guò)程中，首先要完成對(duì)設(shè)備的建模工作，其次要完成對(duì)相關(guān)參數(shù)的輸入和模型運(yùn)動(dòng)規(guī)律的獲取，最后為落實(shí)對(duì)數(shù)據(jù)的后處理工作，以完成對(duì)整個(gè)設(shè)備受力情況的研究。而在機(jī)械工程要發(fā)揮作用時(shí)，發(fā)揮的作用包括對(duì)設(shè)備的優(yōu)化、機(jī)器人的研發(fā)等，在具體的使用過(guò)程中要完全按照當(dāng)前已經(jīng)制定的使用方案完成對(duì)各類(lèi)參數(shù)的獲取和輸入，以研究該設(shè)備是否能夠正常運(yùn)行。

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收稿日期：2019-08-02

作者簡(jiǎn)介：張立剛（1972—），男，河北石家莊人，大專(zhuān)，主要負(fù)責(zé)公司發(fā)展戰(zhàn)略，總體規(guī)劃方面的工作。