多体动力学在机械工程领域的应用

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1、多体动力学在机械工程领域的应用郑旭浩ZHENGXu-hao（吉林交通职业技术学院，长春130012）（JilinmunicationsPolytechnic，Changchun130012，China）摘要：本文研究多动体力学在机械工程领域的应用，运用多体动力学的模型建立作为基础，主要包含本模型坐标系的建立、模型元素、动力学方程和管理体系的分析等。另外运用了在柔性机械臂振动控制、工业机器人动力分析中多体动力学的应用的实例来说明了它如何应用于机械工程领域中的高精度制造与位置跟随。Abstract:Thispaperresearchestheapplication

2、ofthemultibodydynamicsinthefieldofmechanicalengineering.Asthefoundation,theestablishmentofthemultibodydynamicsmodelmainlyincludestheestablishmentofcoordinatesystemofitself,theanalysisofthemodelelements,dynamicequationandthemanagementsystemandsoon.Inaddition,ittakesthecontrolofthefle

3、xiblemechanicalarmvibrationandtheapplicationofthemultibodydynamicsinthedynamicanalysisoftheindustrialrobotforexampletoexpoundhoultibodydynamicsappliedtothehighprecisionmanufacturingandpositionfolloechanicalengineering..jyqkultibodydynamics；mechanicalengineering；endpointvibration中图分类

4、号：TH11文献标识码：A：1006-4311（2014）34-0067-02简介：郑旭浩（1973-），女，吉林通化人，毕业于长春工业大学，研究生讲师，机械设计与理论专业，现就职吉林交通职业技术学院工程机械分院。0引言大部分机械系统最全面的完整抽象、高度概括和有效描述就是多体系统，研究与分析机械系统的最优模型形式就是此多体系统。多体动力学作为综合性的学科，它综合了工程力学、计算力学等许多类学科，它是机械领域发展较为迅速的高新技术学科之一。经过数年发展，计算机技术现在也融入了其中，并且已经实践了一段时间。多动体力学在机械工程领的作用很大，并且这一技术的应用也越

5、来越多的得到了人们的重视。现在多体动力学主要应用于航空、机械制造、机器人、车辆及其它众多工程领域，并且取得了很大的成就。1多体动力学的模型建立多个不同的部件相连而成机械多体系统，机械设备要想实现的运动与功能的，机械装置的各个部件将会发生作用力、位移、速度等参数的改变。在多体动力学的系统建模过程中，它主要包括建立系统的坐标系、建立系统部件的模型以及相关定义约束、力偶。系统的动力学和运动学是多体动力学的两个研究两个部分，相对于经典力学来说，运用多体动力学中研究的系统都十分复杂，每个部件的自由度都有差异，各部件的相对位移变化也很大。所以，运动微分方程的建立以及求解过

6、程中都相当复杂，求解运动方程还需借助计算机技术。1.1参考框架和坐标系刚体就是机械运动过程中任意两点间距离保持不变的物体。任选刚体上的C点建立起一个空间的三角坐标系会将刚体固定。该坐标系的原点选为C点，此坐标系为刚体的连体基，也被称为局部坐标系。连体基都固定于机械的部件上，部件运动时会带动它运动，连体基并不会因为刚体的运动状态发生变化而变化。因此，一旦确定连体基的位置后，刚体上的任意一点位置也就已经确定了。连体基的参考对象一般选地面坐标系，地面坐标系为一个全局坐标的固定值。在多体系统中对刚体与柔性体的坐标定义有差异，我们选择固定坐标定义对刚体的坐标定义，刚体的

7、状态而发生变化时它不会随着变化，选择浮动坐标定义柔性体的坐标，柔性体的变化会改变坐标系的角位移与线位移，并能够清晰的表述出柔性体的某些局部变化。建立广义坐标可以直接影响后续动力学方程的求解速度，所以，为了得到解析坐标系的方位，需要选用对应的转动广义坐标来确定方向余弦矩阵。其中一种方法是运用卡尔丹角或者欧拉角来作为物体的转动坐标，该种算法规范，但计算奇点附近的数值时难度很大，第二种方法是采用余弦矩阵为元素的转动广义坐标，而此方法要同时增加6个方向的约束方程，并且方程的变量求解难度相对较大。而对于基于欧拉参数作为转动广义坐标，该坐标的变量求取较少，计算过程中没有奇

8、点。1.2模型与模型元素上所述的部件、